Lượt xem: 0 Tác giả: Nhóm nội dung kỹ thuật về pin ZERNE Thời gian xuất bản: 27-08-2026 Nguồn gốc: Địa điểm
Ước tính thời gian chạy của bộ pin lithium là một phần quan trọng trong quá trình phát triển sản phẩm OEM.
Một thiết bị có thể yêu cầu thời gian hoạt động cụ thể vì những lý do như:
Thiết bị y tế di động
Trình theo dõi GPS
Thiết bị cầm tay công nghiệp
sản phẩm IoT
Thiết bị đeo
Dụng cụ cầm tay
Thiết bị truyền thông không dây
Người máy
Điện tử tiêu dùng
Thời gian chạy được xác định nhiều hơn dung lượng được in trên nhãn pin. Điện áp, dung lượng, năng lượng sử dụng được, nguồn điện của thiết bị, nhu cầu hiện tại, hiệu suất của bộ chuyển đổi, nhiệt độ và cài đặt bảo vệ đều ảnh hưởng đến thời gian thiết bị có thể hoạt động.
Việc tính toán thời gian chạy của bộ pin đơn giản có thể đưa ra ước tính sớm. Tuy nhiên, thời gian hoạt động cuối cùng cần được xác minh bằng cách sử dụng pin, bộ sạc, thiết bị chủ và điều kiện hoạt động thực tế.
Đối với tải tương đối ổn định, công thức cơ bản là:
Thời gian chạy (giờ) = Năng lượng pin có thể sử dụng (Wh) ÷ Công suất trung bình của thiết bị (W)
Năng lượng pin có thể được ước tính như sau:
Năng lượng danh định của pin (Wh) = Điện áp danh định (V) × Công suất (Ah)
Một công thức thực tế hơn là:
Thời gian chạy = Điện áp danh định × Công suất × Hệ số năng lượng sử dụng × Hiệu suất hệ thống ` Công suất tải trung bình
Đối với tải một chiều có dòng điện ổn định, có thể sử dụng ước tính đơn giản hơn:
Thời gian chạy (giờ) = Công suất sử dụng (Ah) ÷ Dòng tải trung bình (A)
Phương pháp watt-giờ thường phù hợp hơn khi thiết bị sử dụng bộ chuyển đổi điện áp hoặc khi điện áp pin và điện áp thiết bị khác nhau.
Trước khi tính toán thời gian chạy, hãy xác định ý nghĩa của từng giá trị.
Điện áp danh định là điện áp tham chiếu được sử dụng để mô tả bộ pin.
Ví dụ:
Bộ pin lithium 1S: danh định khoảng 3,7 V
Bộ pin lithium 2S: danh định khoảng 7,4 V
Bộ pin lithium 3S: danh định khoảng 11,1 V
Bộ pin lithium 4S: danh định khoảng 14,8 V
Điện áp pin thực tế thay đổi trong quá trình sạc và xả.
Công suất định mức thường được biểu thị bằng:
mAh
À
Việc chuyển đổi là:
1000mAh = 1Ah
Pin 7,4 V, 2000 mAh có dung lượng 2 Ah.
Để biết chi tiết về cách tính công suất từ các ô nối tiếp và song song, hãy xem Cách tính dung lượng bộ pin Lithium-Ion.
Công suất thiết bị thường được biểu thị bằng watt.
Một thiết bị có thể có:
Công suất trung bình
Sức mạnh liên tục
Công suất cực đại
Nguồn dự phòng
Sức mạnh khởi động
Tính toán thời gian chạy thường nên sử dụng công suất trung bình trong chu kỳ vận hành chứ không chỉ mức công suất tối đa.
Nguồn điện có thể bị mất trong:
Bộ chuyển đổi DC-DC
Bộ điều chỉnh điện áp
Cáp
Đầu nối
Thành phần bảo vệ
Kháng nội bộ
Mạch sạc và quản lý năng lượng
Hiệu suất hệ thống phải được xem xét khi thiết bị không sử dụng điện áp pin trực tiếp.
Bước đầu tiên là chuyển đổi thông số kỹ thuật của pin thành năng lượng.
Công thức cơ bản là:
Năng lượng pin (Wh) = Điện áp danh định (V) × Dung lượng (Ah)
Chuyển đổi công suất:
1000mAh = 1Ah
Tính toán năng lượng:
3,7 V × 1 Ah = 3,7 Wh
Pin chứa khoảng 3,7 Wh năng lượng danh nghĩa.
Chuyển đổi công suất:
2000mAh = 2Ah
Tính toán năng lượng:
7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh
Pin chứa khoảng 14,8 Wh năng lượng danh định.
Chuyển đổi công suất:
5000mAh = 5Ah
Tính toán năng lượng:
11,1 V × 5 Ah = 55,5 Wh
Pin chứa khoảng 55,5 Wh năng lượng danh nghĩa.
Đây là những giá trị năng lượng danh nghĩa. Năng lượng sử dụng được cung cấp cho thiết bị thường thấp hơn.
Pin không phải lúc nào cũng có thể cung cấp đầy đủ năng lượng định mức cho thiết bị.
Năng lượng sử dụng được có thể giảm đi bằng cách:
Điện áp hoạt động tối thiểu của thiết bị
Điện áp cắt BMS
Dòng xả
Nhiệt độ thấp
Lão hóa tế bào
Kháng nội bộ
Công suất dự trữ bắt buộc
Giới hạn bảo vệ pin
Một công thức ước tính đơn giản là:
Năng lượng pin có thể sử dụng = Năng lượng pin danh nghĩa × Hệ số năng lượng có thể sử dụng
Hệ số phải được chọn theo ứng dụng và điều kiện thử nghiệm. Nó không nên được coi là một giá trị cố định phổ quát.
Cho rằng:
Năng lượng pin danh nghĩa: 14,8 Wh
Hệ số năng lượng sử dụng được: 0,85
Năng lượng pin có thể sử dụng:
14,8 Wh × 0,85 = 12,58 Wh
Điều này có nghĩa là có thể có khoảng 12,58 Wh trong các điều kiện vận hành xác định trước khi xem xét bổ sung tổn thất chuyển đổi.
Đối với thiết bị có nhu cầu điện năng tương đối ổn định:
Thời gian chạy = Năng lượng pin có thể sử dụng ÷ Nguồn điện của thiết bị
Thông số pin:
Điện áp danh định: 7,4 V
Dung lượng: 2000 mAh hoặc 2 Ah
Năng lượng danh định: 14,8 Wh
Cho rằng:
Hệ số năng lượng sử dụng được: 0,85
Hiệu suất hệ thống: 0,90
Công suất trung bình của thiết bị: 5 W
Bước 1: Tính năng lượng danh nghĩa.
7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh
Bước 2: Áp dụng hệ số năng lượng sử dụng được.
14,8 Wh × 0,85 = 12,58 Wh
Bước 3: Áp dụng hiệu quả hệ thống.
12,58 Wh × 0,90 = 11,32 Wh
Bước 4: Tính toán thời gian chạy.
11,32 Wh 5 W ≈ 2,26 giờ
Thời gian chạy ước tính là khoảng:
2,3 giờ
Đây là một ước tính kỹ thuật. Thời gian chạy thực tế có thể ngắn hơn hoặc dài hơn tùy thuộc vào sự thay đổi tải, nhiệt độ, điện áp cắt và tình trạng pin.
Tính toán dựa trên dòng điện có thể được sử dụng khi:
Điện áp pin gần với điện áp thiết bị;
Dòng tải tương đối ổn định;
Không có giai đoạn chuyển đổi điện áp chính;
Dòng điện được đo từ phía pin.
Công thức cơ bản là:
Thời gian chạy = Dung lượng sử dụng được (Ah) `Dòng điện trung bình (A)
Cho rằng:
Dung lượng pin: 1000 mAh hoặc 1 Ah
Dòng tải trung bình: 0,5 A
Hệ số công suất sử dụng: 0,85
Thời gian chạy định mức:
1 Ah 0,5 A = 2 giờ
Thời gian chạy được điều chỉnh:
2 giờ × 0,85 = 1,7 giờ
Thời gian chạy ước tính là khoảng:
1,7 giờ
Phương pháp hiện tại có thể tạo ra kết quả không chính xác khi:
Thiết bị sử dụng bộ chuyển đổi DC-DC;
Điện áp pin thay đổi đáng kể;
Công suất tải không đổi trong khi dòng điện thay đổi;
Thiết bị có chu kỳ hoạt động thay đổi;
Dòng điện của pin khác với dòng điện đầu vào của thiết bị.
Trong những trường hợp này, phương pháp watt-giờ thường phù hợp hơn.
Nhiều thiết bị điện tử sử dụng bộ điều chỉnh điện áp hoặc bộ chuyển đổi. Điện áp pin có thể thay đổi trong khi thiết bị nhận được điện áp tương đối ổn định.
Ví dụ: một thiết bị có thể yêu cầu điện áp 5 V từ bộ pin có dải điện áp trên và dưới 5 V. Bộ chuyển đổi sẽ điều chỉnh điện áp pin theo đầu vào yêu cầu của thiết bị.
Trong tình huống này:
Dòng điện của pin thay đổi khi điện áp pin thay đổi;
Hiệu suất của bộ chuyển đổi ảnh hưởng đến thời gian chạy;
Nguồn điện của thiết bị là cơ sở tính toán ổn định hơn.
Công thức ưa thích là:
Thời gian chạy = Năng lượng pin × Hiệu suất ÷ Nguồn điện của thiết bị
Cho rằng:
Pin: 7,4V, 2Ah
Năng lượng danh định: 14,8 Wh
Hiệu suất chuyển đổi: 90%
Công suất thiết bị: 4 W
Hệ số năng lượng sử dụng được: 0,85
Năng lượng sử dụng được tại thiết bị:
14,8 Wh × 0,85 × 0,90 = 11,32 Wh
Thời gian chạy:
11,32 Wh 4 W = 2,83 giờ
Thời gian chạy ước tính:
Khoảng 2,8 giờ
Nhiều sản phẩm không tiêu thụ điện năng liên tục.
Một thiết bị có thể chuyển đổi giữa:
Chế độ ngủ
Chế độ chờ
Chế độ đo
Truyền dẫn không dây
Vận hành động cơ
Thao tác hiển thị
Sưởi ấm hoặc làm mát
Xử lý hiệu suất cao
Trong trường hợp này, hãy tính công suất trung bình bằng cách sử dụng hồ sơ vận hành.
Công suất trung bình = Tổng năng lượng sử dụng trong chu kỳ ÷ Thời lượng chu kỳ
Hoặc:
Công suất trung bình = Tổng công suất × thời gian cho từng chế độ hoạt động ÷ Tổng thời gian
Giả sử một thiết bị hoạt động ở ba chế độ:
Chế độ vận hành |
Quyền lực |
Thời gian |
|---|---|---|
Ngủ |
0,2 W |
6 giờ |
Đo lường |
1 W |
2 giờ |
Truyền dẫn không dây |
3 W |
0,5 giờ |
Tổng năng lượng sử dụng:
Giấc ngủ: 0,2 W × 6 giờ = 1,2 Wh
Đo lường: 1 W × 2 h = 2 Wh
Truyền tải: 3 W × 0,5 h = 1,5 Wh
Tổng năng lượng:
1,2 Wh + 2 Wh + 1,5 Wh = 4,7 Wh
Tổng thời gian hoạt động:
6 giờ + 2 giờ + 0,5 giờ = 8,5 giờ
Công suất trung bình:
4,7 Wh 8,5 giờ ≈ 0,55 W
Nếu pin có thể cung cấp 11,32 Wh năng lượng sử dụng được:
11,32 Wh 0,55 W ≈ 20,6 giờ
Ước tính này thực tế hơn so với việc sử dụng giá trị công suất cao nhất cho toàn bộ chu kỳ vận hành.
Dòng điện cực đại có thể không làm thay đổi đáng kể cách tính năng lượng trung bình nhưng nó vẫn có thể hạn chế thời gian chạy thực tế và khiến pin tắt.
Các sự kiện dòng điện cao có thể xảy ra khi:
Một động cơ khởi động;
Bộ phát không dây được kích hoạt;
Máy sưởi bật;
Một máy bơm bắt đầu hoạt động;
Đèn nền màn hình bắt đầu;
Bộ xử lý chuyển sang chế độ hiệu suất cao.
Dòng điện cực đại có thể gây ra:
sụt áp;
Bảo vệ quá dòng BMS;
Kết nối sưởi ấm;
Nhiệt độ tế bào tăng lên;
Giảm công suất sử dụng;
Thiết lập lại thiết bị bất ngờ.
Nên chọn pin cho cả hai:
Năng lượng hoạt động cần thiết;
Yêu cầu năng lực hiện tại.
Pin có đủ watt-giờ nhưng không đủ công suất dòng điện cực đại có thể không vận hành thiết bị một cách đáng tin cậy.
BMS hoặc mạch bảo vệ có thể ngắt kết nối pin trước khi có thể sử dụng hết năng lượng danh nghĩa.
Điều này có thể xảy ra vì:
Điện áp di động thấp;
Quá dòng;
Đoản mạch;
Nhiệt độ cao;
Nhiệt độ thấp;
Mất cân bằng tế bào;
Điều kiện giao tiếp hoặc lỗi.
Do đó, việc tính toán thời gian chạy nên sử dụng năng lượng thực tế có thể sử dụng trước giới hạn bảo vệ liên quan.
Đối với gói nhiều ô, sự mất cân bằng ô có thể khiến một ô đạt đến giới hạn điện áp trước các ô khác. Điều này có thể làm giảm dung lượng sử dụng của toàn bộ gói.
BMS phải được xem xét trong quá trình thiết kế pin, không được thêm vào sau khi mục tiêu thời gian chạy đã được xác định. Mối quan hệ rộng hơn giữa BMS, điện áp, công suất và thời gian chạy được đề cập trong Thiết kế bộ pin Lithium-Ion: Điện áp, Công suất, BMS và Thời gian chạy.
Thời gian chạy thay đổi theo điều kiện hoạt động.
Nhiệt độ thấp có thể làm giảm công suất khả dụng và tăng điện trở trong. Nhiệt độ cao có thể đẩy nhanh quá trình lão hóa pin và ảnh hưởng đến hiệu suất lâu dài.
Ước tính thời gian chạy phải chỉ định:
Nhiệt độ hoạt động;
Nhiệt độ bảo quản;
Nhiệt độ pin trong quá trình xả;
Tải dự kiến;
Tuổi thọ sử dụng cần thiết.
Dung lượng khả dụng của pin thay đổi dần dần trong suốt thời gian sử dụng. Nếu thiết bị phải hoạt động trong một thời gian xác định sau nhiều tháng hoặc nhiều năm sử dụng thì mục tiêu thời gian chạy phải bao gồm dự trữ tuổi thọ.
Ví dụ: OEM có thể xác định:
Mục tiêu thời gian chạy ban đầu;
Thời gian chạy cuối đời tối thiểu;
Số chu kỳ cần thiết;
Tình trạng thay pin.
Bộ pin không nên chỉ có kích thước phù hợp với hiệu suất sử dụng lần đầu nếu sản phẩm yêu cầu độ tin cậy lâu dài.
Giả sử một thiết bị cầm tay OEM yêu cầu:
Pin: 11,1V, 5000mAh
Công suất trung bình: 8 W
Hệ số năng lượng sử dụng được: 0,85
Hiệu suất hệ thống: 0,90
Bước 1: Chuyển đổi công suất.
5000mAh = 5Ah
Bước 2: Tính năng lượng danh nghĩa.
11,1 V × 5 Ah = 55,5 Wh
Bước 3: Áp dụng hệ số năng lượng sử dụng được.
55,5 Wh × 0,85 = 47,18 Wh
Bước 4: Áp dụng hiệu quả hệ thống.
47,18 Wh × 0,90 = 42,46 Wh
Bước 5: Tính toán thời gian chạy.
42,46 Wh 8 W ≈ 5,3 giờ
Thời gian chạy ước tính:
Khoảng 5,3 giờ
Kết quả này cần được xác minh thông qua thử nghiệm vì thiết bị có thể tiêu thụ nhiều điện năng hơn trong quá trình khởi động, liên lạc không dây, xử lý dữ liệu hoặc các điều kiện tải cao khác.
Thời gian chạy được tính toán là ước tính dựa trên các giả định. Kết quả thực tế có thể khác vì:
Công suất trung bình cao hơn dự kiến;
Mức tiêu thụ ở chế độ chờ không được đo lường;
Mẫu tải thay đổi;
Dung lượng pin;
Hiệu ứng tốc độ xả;
Nhiệt độ;
Kháng nội bộ;
cắt BMS;
Hiệu suất chuyển đổi;
Tổn hao cáp và đầu nối;
Lão hóa pin;
Mất cân bằng tế bào;
Cài đặt tắt thiết bị.
Cách tốt nhất để cải thiện ước tính là đo thiết bị thực tế trong các điều kiện đại diện.
Các phép đo được đề xuất bao gồm:
Điện áp phía pin;
Dòng điện phía pin;
Nguồn đầu vào của thiết bị;
Nhiệt độ;
Thời gian chạy đến mức cắt xác định;
Nguồn điện trong mỗi chế độ hoạt động;
Hành vi trong các sự kiện tải cao điểm.
Bộ pin phải được kiểm tra với thiết bị chủ thực hoặc tải đại diện.
Kế hoạch thử nghiệm cần xác định:
Mẫu pin;
Trạng thái sạc pin;
Bộ sạc và phương pháp sạc;
Hồ sơ vận hành thiết bị;
Nhiệt độ môi trường xung quanh;
Nhiệt độ pin ban đầu;
tình trạng cắt;
Thiết bị đo lường;
Số lượng mẫu thử;
Tiêu chí chấp nhận thời gian chạy.
Một tải điện trở không đổi đơn giản có thể không tái tạo được hoạt động của một sản phẩm điện tử thực sự. Nếu có thể, việc kiểm tra nên sử dụng chu trình vận hành của thiết bị thực tế.
Để biết kế hoạch kiểm tra cấp gói rộng hơn, hãy xem Danh sách kiểm tra bộ pin.
Nếu thời gian chạy tính toán quá ngắn, nhóm thiết kế có thể đánh giá:
Tăng dung lượng pin;
Lựa chọn pin có năng lượng cao hơn;
Giảm mức tiêu thụ điện năng của thiết bị;
Cải thiện hiệu suất chuyển đổi;
Giảm dòng điện dự phòng;
Điều chỉnh chu kỳ nhiệm vụ;
Tối ưu hóa truyền dẫn không dây;
Cải thiện điều kiện nhiệt;
Giảm tổn thất cáp và đầu nối;
Xem lại cài đặt cắt BMS;
Sử dụng cấu hình song song nối tiếp khác.
Việc tăng dung lượng có thể làm tăng trọng lượng, dung lượng, giá thành và thời gian sạc của pin. Giải pháp tốt nhất nên cân bằng thời gian chạy với kích thước, trọng lượng, công suất và yêu cầu thương mại của sản phẩm.
Để biết lựa chọn pin cấp sản phẩm, hãy xem Cách chọn bộ pin lithium-Ion có thể sạc lại cho thiết bị OEM.
Trước khi phê duyệt ước tính thời gian chạy, hãy xác nhận:
Điện áp danh định của pin
Dung lượng định mức của pin
Công suất quy đổi thành Ah
Năng lượng pin danh nghĩa tính bằng Wh
Hệ số năng lượng sử dụng được
Công suất trung bình của thiết bị
Công suất cực đại của thiết bị
Hiệu suất chuyển đổi
Chế độ hoạt động
Hồ sơ tải trung bình
Điều kiện cắt BMS
Nhiệt độ hoạt động
Yêu cầu lão hóa pin
Tiêu chí chấp nhận thời gian chạy
Kế hoạch kiểm tra thiết bị thực tế
Nhân điện áp danh định của pin với công suất tính bằng amp-giờ để thu được watt-giờ, điều chỉnh năng lượng sử dụng được và hiệu suất hệ thống, sau đó chia cho công suất trung bình của thiết bị.
Gói chứa khoảng 14,8 Wh năng lượng danh nghĩa. Thời gian chạy phụ thuộc vào nguồn điện của thiết bị. Ở mức tải 5 W, thời gian chạy lý thuyết là khoảng 3 giờ trước khi tính đến hiệu suất và tổn thất công suất khả dụng.
mAh có thể được sử dụng khi điện áp và dòng tải của pin tương đối ổn định. Wh thường phù hợp hơn khi thiết bị sử dụng bộ chuyển đổi điện áp hoặc khi so sánh pin với các mức điện áp khác nhau.
Việc tính toán có thể không tính toán đầy đủ tổn thất chuyển đổi, điểm cắt BMS, nhiệt độ, dòng điện cực đại, độ lão hóa của pin, tải thay đổi và công suất sử dụng được.
Thông thường, pin dung lượng cao hơn có thể cung cấp thời gian chạy lâu hơn nếu điện áp và điều kiện hoạt động tương đương nhau. Tuy nhiên, hiệu suất xả pin, trọng lượng pin, hiệu suất bộ chuyển đổi và nguồn điện của thiết bị cũng phải được xem xét.
Nhiệt độ thấp có thể làm giảm công suất khả dụng và tăng điện trở trong. Nhiệt độ cao có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và đẩy nhanh quá trình lão hóa. Thời gian chạy phải được chỉ định ở nhiệt độ hoạt động xác định.
Thời gian chạy thường nên sử dụng công suất trung bình trong chu kỳ hoạt động. Công suất cực đại vẫn phải được kiểm tra riêng để xác nhận rằng pin, BMS, hệ thống dây điện và đầu nối có thể hỗ trợ nhu cầu dòng điện cao tạm thời.
Kiểm tra bộ pin thực tế với thiết bị thật ở các chế độ vận hành, nhiệt độ và điều kiện cắt đại diện. So sánh kết quả đo được với ước tính ban đầu.
Công thức thời gian chạy của bộ pin lithium cơ bản là:
Thời gian chạy = Năng lượng pin có thể sử dụng ÷ Công suất trung bình của thiết bị
Năng lượng pin có thể được ước tính như sau:
Năng lượng danh định = Điện áp × Công suất
Một tính toán thực tế cũng cần tính đến:
Công suất sử dụng;
Hiệu suất chuyển đổi;
Tải biến thể;
Dòng điện cực đại;
cắt BMS;
Nhiệt độ;
Lão hóa pin;
Điều kiện hoạt động của thiết bị.
Ví dụ: pin 7,4 V, 2000 mAh chứa khoảng 14,8 Wh năng lượng danh định. Thời gian hoạt động thực sự của nó phụ thuộc vào lượng năng lượng đó có thể đến được thiết bị và lượng điện năng mà thiết bị tiêu thụ trong toàn bộ chu kỳ hoạt động của nó.