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Power

Rechner für die Akkulaufzeit

Schätzen Sie die Akkulaufzeit für IoT- und tragbare Geräte unter Berücksichtigung der durchschnittlichen Stromaufnahme, des Arbeitszyklus, der Selbstentladungsrate und der Abschaltung für die Entladetiefe ab. Geeignet für LiPo-, Alkali-, NiMH- und Knopfzellenbatterien.

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Formel

Ieff=Iavg⋅D100,t=C⋅(1−SoCmin/100)Ieff+RsdI_{eff} = I_{avg} \cdot \frac{D}{100},\quad t = \frac{C \cdot (1 - SoC_{min}/100)}{I_{eff} + R_{sd}}

Referenz: Nordic Semiconductor PWR Profiler methodology; Texas Instruments SLUA364

I_eff— Effektiver Strom nach dem Arbeitszyklus (mA)
I_avg— Durchschnittliche Stromaufnahme (mA)
D— Arbeitszyklus (%)
C— Kapazität der Batterie (mAh)
SoC_min— Ladezustand bei Abschaltung (%)
R_sd— Selbstentladung pro Stunde (mAh/h)

Wie es funktioniert

Der Batterielebensdauerrechner schätzt die Laufzeit anhand von Kapazität, Laststrom und Arbeitszyklus — unverzichtbar für IoT-Geräte, Wearables und tragbare Elektronikdesigns. Ingenieure für eingebettete Systeme, Produktdesigner und Anwendungstechniker verwenden dieses Tool zur Dimensionierung von Batterien und zur Optimierung des Energiebudgets. Laut dem „Power Management Guide“ (SLVA773) von Texas Instruments verbraucht ein typischer BLE-Sensorknoten während der Übertragung 15 mA (Arbeitszyklus von 1%) und im Ruhemodus 3 µA, was einem Durchschnittsstrom von 270 µA entspricht — eine CR2450-Knopfzelle mit 2000 mAh bietet eine Betriebsdauer von 308 Tagen. Die Messung der Batteriekapazität und die Peukert-Modellierung folgen den Normen IEC 61960 (Sekundäre Lithiumzellen und Batterien für tragbare Anwendungen) und IEC 60086 (Primärbatterien). Bei der Grundgleichung Laufzeit = Kapazität × (1 — Selbstentladung)/Durchschnittsstrom wird von einer konstanten Entladung ausgegangen. Echte Batterien weisen jedoch nichtlineare Entladungskurven auf: Lithium-Ionen-Zellen liefern über 3,6 V 90% der Nennkapazität, aber nur die letzten 10% zwischen 3,6 V und 3,0 V. Die Peukert-Gleichung (Cp = I^K × t) modelliert den ratenabhängigen Kapazitätsverlust — ein 2000-mAh-Akku mit C/10-Rate liefert die volle Kapazität, aber bei einer Rate von 1C liefert er nur 1850 mAh (7,5% Verlust pro Energizer-Anwendungshinweis).

Bearbeitetes Beispiel

Entwerfen Sie ein Batteriesystem für einen LoRaWAN-Umgebungssensor mit einer Lebensdauer von 10 Jahren. Lastprofil gemäß TI CC1310-Datenblatt: Übertragungsmodus = 25 mA für 100 ms alle 15 Minuten, aktive Verarbeitung = 3 mA für 50 ms pro Übertragung, Tiefschlaf = 0,7 µA kontinuierlich. Schritt 1: Durchschnittsstrom berechnen — Übertragung: 25 mA × (0,1 s/900 s) = 2,78 µA. Verarbeitung: 3 mA × (0,05 s/900 s) = 0,17 µA. Schlaf: 0,7 µA. Gesamtdurchschnitt = 3,65 µA. Schritt 2: Selbstentladung berücksichtigen — Lithiumthionylchlorid-Zellen von Tadiran weisen eine Selbstentladung von < 1% /Jahr auf. Über 10 Jahre: Kapazitätsverlust von 10%. Schritt 3: Berechnen Sie die erforderliche Kapazität — 3,65 µA × 87.600 Stunden × 1,1 (Selbstentladungsmarge) × 1,2 (EOL-Marge) = 423 mAh. Schritt 4: Batterie auswählen — Der Tadiran TL-5920 (Größe C, 8500 mAh) bietet eine 20-fache Sicherheitsmarge, um Temperaturreduzierung und Alterungseffekten Rechnung zu tragen.

Praktische Tipps

  • ✓Messen Sie gemäß Nordic Semiconductor AN-9102 den tatsächlichen Schlafstrom mit einem Amperemeter mit NA-Auflösung (Keithley 6221/2182A oder Joulescope) — Firmware-Bugs verursachen oft einen 100-mal höheren Schlafstrom als spezifiziert
  • ✓Verwenden Sie Batterielebensdauerrechner von Panasonic oder Murata für chemiespezifische Peukert-Korrekturen — Alkalibatterien verlieren bei 100 mA an Kapazität gegenüber einer Entladerate von 10 mA um 30%
  • ✓Berücksichtigen Sie 20-30% Konstruktionsspielraum für Fertigungsunterschiede, Batteriealterung (10% Kapazitätsverlust pro 500 Zyklen) und extreme Feldtemperaturen

Häufige Fehler

  • ✗Verwendung von Spitzenstrom statt Durchschnittsstrom — ein GPS-Modul, das jede Stunde 5 Sekunden lang 50 mA verbraucht, hat einen Durchschnitt von 69 µA, nicht 50 mA (720-fache Überschätzung)
  • ✗Ignorieren von Temperatureinflüssen — gemäß Samsung SDI-Spezifikationen sinkt die Lithium-Ionen-Kapazität bei 0 °C um 20% und bei -20 °C um 40%; Größe der Batterien für die Worst-Case-Betriebstemperatur
  • ✗Unter der Annahme einer nutzbaren Kapazität von 100% benötigen die meisten Geräte eine Mindestbetriebsspannung oberhalb der Batterieabschaltung; ein LDO mit 3,3 V benötigt einen Eingang von >3,5 V, wodurch die unteren 15% der Lithium-Ionen-Kapazität verloren gehen

Häufig gestellte Fragen

Laut Energizer-Anwendungshandbuch variiert die Kapazität erheblich mit der Temperatur. Bei -20 °C: Alkali behält eine Kapazität von 50%, primäres Lithium behält 85%, Lithium-Ionen 60%. Bei +45 °C: Die Selbstentladung verdoppelt sich, wodurch die Haltbarkeit um 50% reduziert wird. Lithiumeisenphosphat (LFP) bietet beste Kälteleistung und behält auch bei -20 °C eine Kapazität von 80%.
Der Arbeitszyklus ist der Bruchteil der Zeit, in der ein Gerät mit Spitzenstrom betrieben wird. Ein Gerät, das jede Sekunde 10 ms lang 100 mA verbraucht, hat eine Einschaltdauer von 1% und einen Durchschnittsstrom von 1 mA. IoT-Geräte erreichen in der Regel eine Einschaltdauer von < 0,1% — LoRaWAN-Sensoren der Klasse A übertragen möglicherweise nur 0,001% der Zeit, sodass AA-Zellen eine Akkulaufzeit von mehr als 10 Jahren ermöglichen.
Die Abschaltspannung verhindert Schäden durch Tiefentladung. Lithium-Ionen-Zellen erleiden einen irreversiblen Kapazitätsverlust unter 2,5 V — das Auflösen des Kupfers an der Anode verunreinigt den Elektrolyten. Blei-Säure-Batterien unterliegen einer Sulfatierung unter 10,5 V (12-V-System). Die meisten Geräte verwenden eine Reservemarge von 10 bis 20%, wobei die Abschaltung bei 3,0-3,2 V für Li-Ionen liegt.
Taschenrechner liefern Schätzungen von ± 20% unter idealen Bedingungen. Reale Faktoren, die die Genauigkeit beeinträchtigen: Peukert-Effekt (5-15% Verlust bei hohem Strom), Temperaturschwankungen (20-40% Schwankung), Akkumulation von Selbstentladung (1—5% /Monat für NiMH) und Lasttransienten. Validieren Sie Prognosen mit kontrollierten Entladungstests unter den erwarteten Betriebsbedingungen.
Nein — die Selbstentladung variiert zwischen den einzelnen Chemikalien um das 100-fache. Angaben der Battery University: Lithiumthionylchlorid < 1% /Jahr, Lithium-Ionen 2-3% /Monat, NiMH 15-20% /Monat (1% /Tag), Blei-Säure 3-5% /Monat. Gemäß Daten der Battery University: Lithiumthionylchlorid (1 Jahr), Lithium-Primärzellen (Tadiran, Saft) mit einer Selbstentladung von < 1% /Jahr verwenden.

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