Warum erscheint die Spannung nicht in der Berechnung der Batterielebensdauer?

Ich habe eine Platine mit ein paar Funkmodulen. In seinen verschiedenen Zuständen werden derzeit zwischen 100 µA und 100 mA verwendet. Ich kann berechnen, wie viel Zeit es in jedem seiner Bundesstaaten in einem bestimmten Jahr verbringt.

Die Funkmodule auf meiner Platine haben alle einen weiten akzeptablen Eingangsspannungsbereich. Mein Hauptprozessor und mein Bluetooth Low Energy-Modul akzeptieren beispielsweise alles von 1,8 V bis 3,6 V. Im Moment betreibe ich es mit 3,0 V und verwende einen DC / DC-Abwärtswandler.

Die Batterie ist ein 18650 Lithium-Ionen ( Datenblatt ).

Bei voller Ladung liefert es ca. 4,3V. Ich werde es auf 3,0 V reduzieren. Der Akku hat eine Kapazität von 3400 mAh.

Angenommen, der durchschnittliche Strom, den ich daraus ziehe, beträgt 400 µA. Meine Berechnung für die Akkulaufzeit lautet einfach:

Zeit (h) = Kapazität (Ah) / Strom (A)

3,4 Ah / 400 uA = ungefähr ein Jahr

Jetzt weiß ich, dass ich meinen Stromkreis mit der niedrigstmöglichen Spannung betreiben sollte, um meinen Stromverbrauch zu senken. Daher denke ich darüber nach, meinen DC-DC-Wandler zu wechseln und meinen Hauptprozessor und mein BLE-Modul mit 1,8 V anstelle von 3,0 V zu betreiben .

Meine Frage ist: Warum ist die Spannung in meiner Berechnung der Batterielebensdauer nirgends enthalten?

Es erscheint nicht in Ihrer Gleichung, da diese Gleichung davon ausgeht, dass Sie die Batterie während des gesamten Gebrauchs ohne Umwandlung mit ihrer Ausgangsspannung verwenden.

Dies ist hier nicht der Fall, da Sie einen Abwärtswandler verwenden. Um die richtige Gleichung zu erstellen, gehen Sie wie folgt vor:

• get Vavgbat : Die durchschnittliche Spannung der Batterie während des gesamten Entladezyklus: Das Entladungsdiagramm des Batteriedatenblatts zeigt, dass sie für niedrige Ströme, wie die von Ihnen verwendete, etwa 3,6 V beträgt.
• Holen Sie sich Iavgbat : Der Strom, den Sie durchschnittlich während des gesamten Zyklus aus der Batterie ziehen. Es ist nicht der Strom, den Sie am Ausgang des DC-DC-Wandlers verbrauchen (dort haben Sie, glaube ich, etwas verpasst). Wenn wir sagen, dass der Ausgangsstrom des Wandlers Iout ist , dann ist Iavgbat = ( Iout * Vout / Vavgbat ) / Wirkungsgrad ( Wirkungsgrad ist der Wirkungsgrad des DC-DC-Wandlers, normalerweise um 80-90%, siehe Datenblatt).
• dann wenden Sie das von Ihnen erwähnte Forum an: Zeit = Kapazität / Iavgbat .

Sie haben also:

Jetzt sehen Sie die Ausgangsspannung in der Formel.

Wenn also Kapazität = 3,4 Ah, Iout = 400 uA und Wirkungsgrad = 85%, haben wir:

• Zeit = 8670 Stunden (ungefähr ein Jahr) für einen 3-V-Ausgang
• Zeit = 14450 Stunden (mehr als anderthalb Jahre) für einen 1,8-V-Ausgang

Eine weitere Sache : Angesichts der daraus resultierenden großen Zeiten müssen Sie die Selbstentladung (oder den Leckstrom) der Batterien berücksichtigen, die erheblich sein können. Leider wurde es im Datenblatt der Batterien nicht erwähnt.

Zusätzliches Detail : Woher kommt die Formel Iavgbat = ( Iout * Vout / Vavgbat ) / Effizienz ?

Dies liegt daran, dass ein DC-DC-Wandler im Gegensatz zu einem Linearregler (fast) so viel Leistung abgeben kann, wie er von seinem Eingang bezieht. Also Pin = Schmollmund / Effizienz . Wenn wir Pin = Vavgbat * Iavgbat und Pout = Vout * Iout sagen , können wir die obige Formel erhalten.

Im Gegensatz dazu fällt bei einem Linearregler die Spannung ohne Auswirkung auf den Eingangs- / Ausgangsstrom ab. So Iavgbat gleich wäre Iout (nicht für den durch Ruhestrom), die Ihre erste (ungenau) Annahme war.

Meine Frage ist, warum die Spannung in meiner Berechnung der Akkulaufzeit nirgendwo vorkommt.

Weil Ihrer Berechnung ein Aspekt fehlt.

Sie können zwei Arten von Spannungsreglern verwenden:

• linear oder
• Step-Down-Schalter-Modus.

Mit linear wird nun die Energie pro Ladung (= physikalische Definition der Spannung), die "zu" viel ist, nur in Wärme umgewandelt (und geht anschließend verloren).

Der in den Linearregler fließende Strom entspricht also weitgehend dem am geregelten Ausgang verwendeten Strom. Die Leistung, die in den Regler fließt, ist höher als die, die aus ihm herauskommt - weil der Strom gleich ist, aber die Spannung niedriger.

Bei Schaltwandlern wird die Energie von der "Eingangsseite" gespeichert, typischerweise in einem Magnetfeld innerhalb einer Spule (aber für Ihre geringen Leistungen können die billigen und klein geschalteten Kapazitätsspannungsregler-ICs auch dort sinnvoll sein, wo die Energie vorhanden ist wird nur in einem elektrischen Feld gespeichert).

Dann wird aus der gespeicherten Energie nur so viel Spannung "erzeugt", wie erforderlich.

Das bedeutet , dass die Macht in dem Regler geht das gleiche wie das ist Macht kommt aus (abgesehen von nicht-Wirkungsgrad von 100%), was bedeutet , dass , wenn Sie zum Beispiel die Hälfte der Spannung in Ihrem Regler, Ihren Regler zieht nur die Hälfte der Strom es liefert!

Die Frage ist nun, ob alle Ihre Module einen weiten Eingangsspannungsbereich unterstützen, dh alle haben integrierte Versorgungsregler. Wenn diese linear sind, ist es wahrscheinlich richtig, einen Schaltmodus-Abwärtswandler zu verwenden, um die Effizienz zu steigern. Wenn diese Module Schaltnetzteile enthalten, sollten Sie keinen eigenen Regler verwenden - es ist sehr wahrscheinlich, dass die Reglerkaskade weniger effizient ist als die integrierte allein.

Unabhängig vom Wirkungsgrad des Wandlers (oder unter der Annahme von 100%) wird die Batteriespannung zur Berechnung der Kapazität (mah) der Batterie verwendet. Richtiger ist der nutzbare Spannungsabfall von 1,4 V ( 4,2 V - 2,8 V).

Bei Ihrer speziellen Verwendung beträgt Ihr Spannungsabfall nur 1,2 V (4,2 - 3,0) und der tatsächliche Wirkungsgrad kann 90% betragen. Beide neigen dazu, die Zeitdauer zu verkürzen. Ihr durchschnittlicher Strom beträgt jedoch nur 400 uA, was die Zeitspanne tendenziell verlängert, sodass Ihre Antwort von etwa einem Jahr richtig erscheint.