Что такое время работы батареи
Калькулятор оценивает, сколько устройство проработает от батареи или аккумулятора, если известны его ёмкость и средний ток потребления. Это базовый расчёт для любой автономной электроники: от карманного фонарика и радиомикрофона до датчиков «интернета вещей», которым положено жить на одной «таблетке» годами. Оценка всегда приблизительная, потому что реальная батарея не отдаёт всю паспортную ёмкость, а ток нагрузки почти всегда «плавает». В основе лежит простое отношение запаса заряда к скорости его расходования:
T = (Ёмкость / Ток) · (КПД / 100)
Ёмкость задаётся в мА·ч или А·ч, ток — в мкА, мА или А, а КПД (коэффициент отдачи) — в процентах. На выходе получаем время в часах, которое пересчитывается в дни, и заодно полезную, реально доступную ёмкость.
Как выводится формула
Ёмкость в ампер-часах по определению есть произведение тока на время: заряд в 1 А·ч отдаёт ток 1 А в течение часа. Если поделить ёмкость на ток нагрузки, единицы сокращаются напрямую — мА·ч, делённые на мА, дают часы. Поэтому «идеальное» время работы равно просто Ёмкость / Ток: например, 2000 мА·ч при токе 200 мА теоретически хватило бы на 10 часов. Отношение тока разряда к ёмкости называют C-рейтом; ток, численно равный ёмкости, — это разряд «1C», при котором элемент сел бы примерно за час.
Множитель КПД / 100 опускает идеальную цифру до реалистичной. Он учитывает, что часть заряда теряется на саморазряде и внутреннем сопротивлении, а также то, что разрядить аккумулятор «в ноль» нельзя — устройство отключается по нижнему порогу напряжения раньше. Если задавать ёмкость в А·ч, а ток в амперах, формула работает точно так же: важно лишь, чтобы «часовая» размерность ёмкости и «амперная» размерность тока были согласованы между собой.
От чего зависит коэффициент отдачи
КПД — самая «мягкая» величина расчёта, и именно она вносит основную погрешность. На неё влияет сразу несколько факторов. Химия элемента: литий-ионные аккумуляторы при умеренном токе отдают 90–95%, свинцовые и никель-металлгидридные — заметно меньше. Ток разряда: чем он выше относительно ёмкости, тем меньше доступный заряд — это описывает эффект Пейкерта, особенно сильный у свинцовых батарей, и оценить его отдельно поможет калькулятор ёмкости по Пекерту. Внутреннее сопротивление: на нём проседает напряжение под нагрузкой, и устройство раньше «видит» разряд — измерить его позволяет расчёт внутреннего сопротивления АКБ. Наконец, холод и старение отнимают ещё десятки процентов ёмкости на морозе или после сотен циклов заряда. Для грубой прикидки берут 70–90%, для нового Li-ion в тепле — до 90–95%.
Справочные данные
Ниже — типовые ёмкости распространённых элементов питания и ориентировочные коэффициенты отдачи. Значения усреднённые; точный номинал всегда смотрите в даташите конкретного элемента.
| Элемент | Напряжение | Типовая ёмкость |
| AA щелочная | 1,5 В | 1800–3000 мА·ч |
| AAA щелочная | 1,5 В | 850–1200 мА·ч |
| AA NiMH | 1,2 В | 1900–2500 мА·ч |
| «Крона» 6F22 | 9 В | 400–600 мА·ч |
| CR2032 литиевая | 3 В | 210–240 мА·ч |
| 18650 Li-ion | 3,6–3,7 В | 2000–3500 мА·ч |
| Автомобильный свинцовый | 12 В | 45–75 А·ч |
| Условие разряда | Коэффициент отдачи |
| Li-ion, умеренный ток, тепло | 90–95% |
| NiMH | 75–90% |
| Свинцовый, высокий ток | 60–80% |
| Питание через DC-DC преобразователь | × 0,85–0,95 |
| Питание через линейный стабилизатор | × (Uвых / Uвх) |
Ток потребления берут из паспорта устройства или измеряют мультиметром либо USB-тестером в реальном режиме. Ориентиры: индикаторный светодиод — 5–20 мА, модуль ESP32 с активным Wi-Fi — 120–250 мА, тот же модуль в глубоком сне — единицы-десятки мкА, смартфон с включённым экраном — 200–600 мА. Усреднять ток по суточному профилю удобно, разбив работу устройства на режимы: активность, ожидание и сон.
Как применять на практике
Главная тонкость — правильно оценить средний ток. Если нагрузка импульсная (радиомодуль просыпается на секунду и снова засыпает), берут не пиковый, а усреднённый по времени ток: сумму «ток × длительность» всех фаз, делённую на период. Для нагрузок с широтно-импульсным управлением средний ток пропорционален скважности — прикинуть её удобно калькулятором ШИМ. Способ питания тоже меняет итог: импульсный DC-DC преобразователь сохраняет мощность и добавляет лишь свои 5–15% потерь, тогда как линейный стабилизатор просто «сжигает» разницу напряжений, и его реальный КПД равен отношению выходного напряжения к входному. Ёмкость сборки из нескольких элементов считайте через калькулятор батарейных сборок: параллельное соединение складывает ёмкости, последовательное — напряжения. Когда питание идёт от солнечной панели, полезно свести суточный энергобаланс, а мощность нагрузки перевести в ток пересчётом ватт в амперы. Наконец, закладывайте запас 20–30% на старение и холод: расчётное время — это верхняя граница при свежем элементе и комнатной температуре, а не гарантия на весь срок службы.
Частые ошибки
Первая и самая грубая — принять КПД за 100% и считать по паспортной ёмкости: на практике устройство отключится на 15–35% раньше. Вторая — путать ёмкость в мА·ч с энергией в Вт·ч; элементы с разным напряжением сравнимы только по энергии, для чего и нужен пересчёт мА·ч в Вт·ч. Третья — брать пиковый ток вместо среднего у импульсной нагрузки, из-за чего расчётное время выходит в разы меньше реального. Четвёртая — забывать про саморазряд у долгоживущих устройств: «таблетка», рассчитанная по току на десять лет, разрядится раньше сама по себе. И, планируя автономность, не упускайте обратную сторону цикла — время заряда оценивает калькулятор времени зарядки АКБ, а стоимость подзарядки от сети — калькулятор стоимости электроэнергии.
Пример
Возьмём значения калькулятора по умолчанию: аккумулятор 2000 мА·ч, средний ток 150 мА, коэффициент отдачи 85%. Сначала находим полезную ёмкость: 2000 · 0,85 = 1700 мА·ч. Затем делим её на ток: 1700 / 150 ≈ 11,3 ч — это меньше суток, поэтому в днях будет показано «< 1 дн». Если тот же аккумулятор питает вдвое меньшую нагрузку, 75 мА, время удвоится примерно до 22,7 ч. А при падении отдачи до 70% (мороз, изношенный элемент) результат снизится до (2000/150)·0,70 ≈ 9,3 ч. Видно, что падение отдачи всего на 15 процентных пунктов «съедает» почти два часа автономности, поэтому коэффициент отдачи стоит выбирать консервативно.
См. также: ёмкость по Пекерту · время зарядки АКБ · сборка аккумуляторов · мА·ч ↔ Вт·ч · все калькуляторы
|
