ทำไมแรงดันไฟฟ้าถึงไม่ปรากฏในการคำนวณอายุการใช้งานแบตเตอรี่?

ฉันมี PCB ที่มีโมดูลวิทยุอยู่สองสามตัว ในสถานะต่าง ๆ ของมันในปัจจุบันใช้ที่ใดก็ได้ระหว่าง 100 µA และ 100 mA ฉันสามารถคำนวณระยะเวลาที่ใช้ในแต่ละรัฐในแต่ละปี

โมดูลวิทยุใน PCB ของฉันทั้งหมดมีช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตที่ยอมรับได้กว้าง ตัวอย่างเช่นตัวประมวลผลหลักและโมดูล Bluetooth Low Energy ของฉันยอมรับอะไรก็ได้ตั้งแต่ 1.8V ถึง 3.6V ตอนนี้ฉันกำลังรันที่ 3.0V โดยใช้ตัวแปลง DC-DC ที่ลดระดับลง

แบตเตอรี่เป็นลิเธียมไอออน 18650 ( แผ่นข้อมูล )

เมื่อชาร์จเต็มจะมีขนาดประมาณ 4.3V ฉันจะลดระดับลงเป็น 3.0V แบตเตอรี่มีความจุ 3400 mAh

สมมติว่าค่าเฉลี่ยปัจจุบันที่ฉันวาดจากมันคือ 400 µA การคำนวณอายุการใช้งานแบตเตอรี่ของฉันเป็นเพียงแค่:

เวลา (h) = ความจุ (Ah) / ปัจจุบัน (A)

3.4 Ah / 400 µA = ประมาณหนึ่งปี

ตอนนี้ฉันรู้ว่าเพื่อลดการใช้พลังงานของฉันฉันควรใช้วงจรของฉันที่แรงดันไฟฟ้าต่ำสุดที่เป็นไปได้ดังนั้นฉันกำลังพิจารณาเปลี่ยน DC-DC converter ของฉันและใช้หน่วยประมวลผลหลักและโมดูล BLE ที่ 1.8V แทน 3.0V .

คำถามของฉันคือเหตุใดแรงดันไฟฟ้าจึงไม่ปรากฏในการคำนวณอายุการใช้งานแบตเตอรี่

มันจะไม่ปรากฏในสมการของคุณเพราะสมการนี้จะถือว่าคุณใช้แบตเตอรี่ที่แรงดันเอาต์พุตระหว่างการใช้งานทั้งหมดโดยไม่ต้องแปลง

นี่ไม่ใช่กรณีที่นี่เพราะคุณกำลังใช้ตัวแปลงแบบ step-down ดังนั้นเพื่อสร้างสมการที่ถูกต้องคุณ:

• รับVavgbat : แรงดันไฟฟ้าเฉลี่ยของแบตเตอรี่ในระหว่างรอบการคายประจุทั้งหมด: กราฟดิสชาร์จของแผ่นข้อมูลแบตเตอรี่แสดงให้เห็นว่ามีค่าประมาณ 3.6V สำหรับกระแสต่ำเช่นที่คุณใช้
• รับIavgbat : กระแสที่คุณวาดจากแบตเตอรี่โดยเฉลี่ยในระหว่างรอบการทำงานทั้งหมด มันเป็นไม่ได้ในปัจจุบันที่คุณใช้ในการส่งออกของ DC-DC converter (นั่นคือที่ที่คุณลืมอะไรบางอย่างผมคิดว่า) ถ้าเราบอกว่าเอาท์พุทตัวแปลงกระแสไฟคือIoutแล้วIavgbat = ( Iout * Vout / Vavgbat ) / ประสิทธิภาพ ( ประสิทธิภาพเป็นประสิทธิภาพของตัวแปลง DC-DC ซึ่งโดยปกติประมาณ 80-90% ให้ตรวจสอบแผ่นข้อมูล)
• แล้วคุณใช้ forumla ที่คุณกล่าวถึง: เวลา = ความจุ / Iavgbat

คุณมี:

ทีนี้คุณจะเห็นแรงดันเอาต์พุตในสูตร

ดังนั้นหากความจุ = 3.4Ah, Iout = 400µA และประสิทธิภาพ = 85% เรามี:

• เวลา = 8670 ชั่วโมง (ประมาณหนึ่งปี) สำหรับเอาต์พุต 3V
• เวลา = 14450 ชั่วโมง (มากกว่าหนึ่งปีครึ่ง) สำหรับเอาต์พุต 1.8V

อีกอย่างหนึ่ง : เมื่อได้รับผลครั้งใหญ่ฉันคิดว่าคุณต้องคำนึงถึงการคายประจุของแบตเตอรี่เอง (หรือกระแสรั่วไหล) ซึ่งอาจมีความสำคัญ น่าเสียดายที่ฉันไม่เห็นมันกล่าวถึงในแผ่นข้อมูลแบตเตอรี่

รายละเอียดเพิ่มเติม : สูตรสำเร็จของ Iavgbat = ( Iout * Vout / Vavgbat ) / ประสิทธิภาพมาจากไหน?

มันมาจากความเป็นจริงตัวแปลง DC-DC ซึ่งแตกต่างจากตัวควบคุมเชิงเส้นสามารถส่งออก (เกือบ) พลังงานมากเท่าที่ดึงมาจากอินพุตของมัน ดังนั้นPin = Pout / ประสิทธิภาพ ถ้าเราบอกว่าPin = Vavgbat * IavgbatและPout = Vout * Ioutเราสามารถรับสูตรด้านบนได้

ในทางตรงกันข้ามกับตัวควบคุมเชิงเส้นแรงดันไฟฟ้าจะลดลงโดยไม่มีผลกระทบใด ๆ ในปัจจุบันอินพุต / เอาต์พุต ดังนั้นIavgbatจะเท่ากับIout (ไม่ใช่การบัญชีสำหรับการนิ่งปัจจุบัน) ซึ่งเป็นสมมติฐานเริ่มต้นของคุณ (ไม่ถูกต้อง)

คำถามของฉันคือเพราะเหตุใดแรงดันไฟฟ้าจึงไม่มีคุณสมบัติใด ๆ ในการคำนวณอายุการใช้งานแบตเตอรี่ของฉัน

เนื่องจากการคำนวณของคุณขาดหายไปหนึ่งด้าน

คุณสามารถใช้ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าสองชนิด:

• เชิงเส้นหรือ
• โหมดสวิตช์แบบเลื่อนลง

ตอนนี้เมื่อใช้พลังงานเป็นเส้นตรงพลังงานต่อประจุ (= นิยามทางกายภาพของแรงดันไฟฟ้า) ที่ "มากเกินไป" จะถูกแปลงเป็นความร้อน (และหลังจากนั้นจะหายไป)

ดังนั้นกระแสที่เข้าสู่ตัวควบคุมเชิงเส้นจะค่อนข้างเหมือนกับกระแสที่ใช้กับเอาท์พุทที่ถูกควบคุม พลังงานที่เข้าสู่เครื่องปรับความดันนั้นสูงกว่าการออกมาเพราะกระแสไฟฟ้านั้นเหมือนกัน แต่แรงดันไฟฟ้าต่ำกว่า

ด้วยตัวแปลงโหมดสวิตช์พลังงานจากด้าน "อินพุต" จะถูกเก็บไว้โดยทั่วไปในสนามแม่เหล็กภายในขดลวด (แต่สำหรับพลังงานต่ำของคุณไอซีตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าประจุกระแสสลับขนาดเล็กและขนาดเล็กอาจเปลี่ยนความรู้สึกด้วยเช่นกันที่พลังงาน) ถูกเก็บไว้ในสนามไฟฟ้าเท่านั้น)

จากนั้นแรงดันไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้นจากพลังงานที่เก็บไว้ตามที่ต้องการเท่านั้น

นั่นหมายความว่าพลังงานที่ไปในเครื่องปรับแรงดันไฟฟ้านั้นเหมือนกับพลังงานที่ไหลออกมา (นอกเหนือจากประสิทธิภาพที่ไม่ใช่ 100%) ซึ่งหมายความว่าถ้าคุณเช่นแรงดันไฟฟ้าครึ่งหนึ่งในเครื่องปรับความดันของคุณ มันให้!

ตอนนี้คำถามคือถ้าโมดูลทั้งหมดของคุณรองรับช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตกว้างหมายความว่าพวกเขาทั้งหมดมีตัวควบคุมอุปทานแบบรวม ทีนี้ถ้าสิ่งเหล่านี้เป็นแบบเชิงเส้นคุณอาจถูกต้องที่จะใช้ตัวแปลงแบบ step-down converter เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ หากโมดูลเหล่านี้มีแหล่งจ่ายไฟสลับโหมดคุณไม่ควรใช้ตัวควบคุมของคุณเอง - เป็นไปได้อย่างมากว่าน้ำตกของหน่วยงานกำกับดูแลจะมีประสิทธิภาพน้อยกว่าโมดูลแบบรวมเพียงอย่างเดียว

โดยไม่คำนึงถึงประสิทธิภาพของตัวแปลง (หรือสมมติว่า 100%) แรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่จะถูกใช้ในการคำนวณความจุ (mah) ของแบตเตอรี่ ถูกต้องมากขึ้นแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานได้ลดลง 1.4v ( 4.2v - 2.8v)

ในการใช้งานเฉพาะของคุณแรงดันไฟฟ้าตกของคุณเป็นเพียง 1.2v (4.2 - 3.0) และประสิทธิภาพที่แท้จริงอาจ 90% ทั้งสองมีแนวโน้มที่จะลดระยะเวลา อย่างไรก็ตามกระแสเฉลี่ยของคุณมีเพียง 400uA ซึ่งมีแนวโน้มที่จะเพิ่มระยะเวลาดังนั้นคำตอบของคุณประมาณหนึ่งปีดูเหมือนจะถูกต้อง