Обяснение на енергийната плътност на клетката на торбичката: Wh/kg, Wh/L, клетка срещу опаковка и използваема енергия

Енергийната плътност е една от първите спецификации, които инженерите разглеждат, когато сравняват клетките на литиевата батерия. Но число като 270Wh/kg или 600Wh/L не разказва цялата история.

За да изберете правилната батерия за EV, система за съхранение на енергия, UAV, робот или промишлен пакет батерии, трябва да разберете три различни въпроса:

• Колко енергия съхранява клетката за нейното тегло?

• Колко енергия съхранява за обема си?

• Колко от тази енергия остава налична, след като клетките са интегрирани в цяла батерия?

Тези въпроси съответстват на гравиметричната енергийна плътност (Wh/kg), , обемната енергийна плътност (Wh/L) и използваемата енергия на опаковката.

Това ръководство обяснява как се изчислява всеки показател, защо енергийната плътност на ниво клетка и на ниво пакет е различна и как да сравнявате голям формат литиеви пауч клетки за реални проекти за батерии.

1. Какво означава енергийна плътност на батерията?

Енергийната плътност на батерията описва колко електрическа енергия може да се съхранява в рамките на определено тегло или пространство. Не трябва да се бърка само с капацитета на батерията.

Например клетка от 100Ah не е автоматично по-плътна на енергия от клетка от 70Ah. По-голямата клетка може просто да е по-тежка или физически по-голяма.

За да сравнят правилно различните клетки, инженерите обикновено оценяват енергията на клетката във ватчасове и след това свързват тази енергия с масата или обема.

Номинална клетъчна енергия: Wh

Първото изчисление е лесно:

За илюстративна 3,7 V 70 Ah литиево-йонна клетка:

Следователно клетката съхранява приблизително 259Wh номинална енергия. Това е началната точка за изчисляване както на Wh/kg, така и на Wh/L.

2. Какво представлява гравиметричната енергийна плътност (Wh/kg)?

Гравиметричната енергийна плътност измерва колко енергия съхранява батерията спрямо нейната маса. Изразява се във ватчасове на килограм.

Да предположим, че една илюстративна клетка съхранява 259 Wh и тежи 0,95 kg:

По-висока стойност на Wh/kg означава, че може да се носи повече енергия за същото тегло на батерията.

Това е особено важно при чувствителни към теглото приложения като:

• Електрически превозни средства

• Електрически мотоциклети

• БЛА и дронове

• роботика

• Морски задвижващи системи

• Преносимо индустриално оборудване

За EV, намаляването на масата на батерията може да помогне за подобряване на обхвата, капацитета на полезен товар и ефективността на превозното средство. За UAV дори сравнително малка промяна в теглото на батерията може значително да повлияе на времето за полет и полезния товар.

3. Какво е обемна енергийна плътност (Wh/L)?

Обемната енергийна плътност измерва колко енергия може да се съхранява в даден физически обем. Изразява се във ватчасове на литър.

Ако една клетка е с размери 400 mm × 100 mm × 14 mm, нейният приблизителен правоъгълен обем е:

Ако същата илюстративна клетка съхранява 259Wh:

Wh/L става особено важен, когато отделението за батерията има строго ограничение на размерите. Една система може да понесе малко по-тежка батерия, но все пак да няма налично допълнително физическо пространство.

Примерите включват EV батерии, мотоциклети, роботи, AGV, компактни шкафове за съхранение на енергия и специализирано индустриално оборудване.

4. Wh/kg срещу Wh/L: Кое е по-важно?

Нито един показател не е универсално по-важен. Правилният приоритет зависи от приложението.

5. Защо Pouch клетките могат да постигнат висока енергийна плътност

Клетката с литиева торбичка използва ламинирана гъвкава опаковка, а не твърдата метална кутия, използвана от цилиндрични и много призматични клетки. Това може да намали част от неактивната маса на опаковката и дава на производителите на батерии повече свобода да проектират ширината, дължината и дебелината на клетката.

Плоската форма също може да помогне на дизайнерите на батерии да използват ефективно наличното пространство, тъй като клетките могат да бъдат подредени в относително компактни стекове.

Въпреки това е важно да не се приема, че всяка торбичка автоматично има по-висока енергийна плътност от всяка цилиндрична или призматична клетка.

Действителната производителност зависи от:

• Клетъчна химия

• Състав на електрода

• Капацитет на клетката

• Дизайн на опаковката

• Необходима скорост на разреждане

• Граници на безопасност

• Цели на жизнения цикъл

• Работна температура

• Производствен процес

Клетъчният формат е само една част от уравнението на енергийната плътност.

За клиентите, сравняващи високоенергийни литиево-йонни опции, Misen предоставя набор от Пауч клетки NCM за EV, мобилност, роботика и приложения за индустриални батерии.

6. Химията е толкова важна, колкото и клетъчният формат

Две пауч клетки с почти еднакви размери могат да имат много различна енергийна плътност, мощност, жизнен цикъл и термично поведение. Причината е, че вътрешната химия и клетъчният дизайн са различни.

Ето защо изборът на батерия само по най-високото число Wh/kg може да доведе до грешен резултат. Най-добрата клетка е тази, която отговаря на всички системни изисквания.

7. Енергийната плътност на клетката не е енергийна плътност на опаковката

Това е една от най-важните концепции в дизайна на батерията.

Спецификацията на клетката на производителя обикновено описва голата клетка . Завършената батерия съдържа много допълнителни компоненти, които не съхраняват електрическа енергия, но са необходими за безопасна и надеждна работа.

Всеки допълнителен компонент добавя маса и обем, без да добавя клетъчна енергия. В резултат на това нивото на опаковката Wh/kg и Wh/L винаги ще бъде по-ниско от съответните стойности за голи клетки, когато се измерва на същата енергийна база.

8. Прост пример за енергийна плътност от клетка към пакет

Помислете за опростена батерия, използваща 20 клетки. Да приемем, че всяка клетка има:

• 250Wh номинална енергия

• Тегло 0,95 кг

• 0.55L обем на клетката

Клетките заедно осигуряват:

На ниво само клетка:

Сега приемете, че готовият пакет изисква допълнителни 7 кг и 5 л за своя корпус, BMS, електрически връзки, структурни компоненти и управление на топлината.

Готовата батерия става приблизително:

• 26 кг общо тегло

• 16L общ обем

• 5kWh номинална енергия

Следователно номиналната енергийна плътност на ниво пакет е приблизително:

Клетките не са се променили. Разликата идва изцяло от компонентите, необходими за създаване на използваема батерийна система.

Забележка: Това е само илюстративно изчисление. Реалната архитектура на батерийния пакет, режийните разходи и използваемата енергия варират значително в зависимост от приложението и дизайна.

9. Какво намалява енергийната плътност на ниво опаковка?

Няколко необходими системни компонента намаляват крайното ниво на опаковката Wh/kg и Wh/L.

Система за управление на батерията

BMS следи напрежението на клетката, температурата, тока и състоянието на зареждане, докато контролира функциите за защита на батерията. Електрониката, сензорните кабели и свързаният хардуер добавят маса и изискват физическо пространство.

Шини, контактори и предпазители

Високотоковите акумулаторни системи изискват правилно оразмерени електрически проводници и защитни устройства. Колкото по-висок е работният ток, толкова по-важни стават електрическото съпротивление, напречното сечение на проводника и генерирането на топлина.

Клетъчна компресия и механична поддръжка

Пауч клетките използват гъвкави ламинирани опаковки и следователно обикновено изискват проектирана поддържаща структура. Модулът трябва да предпазва клетката от прекомерно огъване, вибрации и механични повреди, като същевременно поддържа подходящо позициониране и компресия на клетката.

Топлинно управление

Батерийните системи с висока мощност или висока мощност може да изискват охлаждащи плочи, материали за термичен интерфейс, въздушни канали или други компоненти за управление на топлината. Тези компоненти заемат както тегло, така и обем.

Ограждане и опазване на околната среда

Цялата батерия може да се нуждае от защита срещу удар, вибрации, прах, влага и външни електрически опасности. Корпусът може да представлява значителна част от теглото на завършената система.

10. Номинална енергия срещу използваема енергия на батерията

Друга често срещана грешка е третирането на номиналната енергия на батерията и използваемата енергия като едно и също число.

Пакет с мощност 100kWh не осигурява непременно 100kWh енергия по време на нормална работа. BMS може да резервира енергия в горната и долната част на обхвата на състоянието на зареждане, за да защити батерията и да поддържа необходимия експлоатационен живот.

За предварително планиране използваемата енергия може да се оцени като:

Например, ако батерия от 100kWh работи над 80% използваем SOC прозорец:

Това е опростена инженерна оценка. Действително доставената енергия също зависи от поведението на напрежението на клетката, температурата, тока, стареенето, ограниченията на BMS и ефективността на системата.

11. Номинална енергия на опаковката спрямо използваема енергийна плътност на опаковката

Връщайки се към предишния пример за батерия от 5kWh, да предположим, че BMS позволява приблизително 80% полезен енергиен прозорец.

Опростената използваема енергия става:

Използване на пълната батерия от 26 kg, 16 L:

Този пример показва защо три числа не трябва да се бъркат:

• Енергийна плътност на голи клетки

• Номинална енергийна плътност на готовата опаковка

• Използваема енергийна плътност на готовата опаковка

Те отговарят на различни инженерни въпроси.

12. Плътността на енергията не е плътност на мощността

Високоенергийната клетка не е автоматично клетка с висока мощност.

Енергийната плътност ви казва колко енергия може да се съхрани. Енергийната способност описва колко бързо тази енергия може да бъде доставена или приета.

Например, две 70Ah пауч клетки може да имат сходни Wh/kg стойности, но много различни:

• Непрекъснат ток на разреждане

• Пиков ток на разреждане

• Възможност за бързо зареждане

• Вътрешно съпротивление

• Генериране на топлина

Поради това един UAV, високопроизводителен EV или морска система с висока мощност може да изисква клетка с малко по-ниска енергийна плътност, ако осигурява много по-силна способност за разреждане.

Ето защо изборът на клетки трябва да сравнява заедно енергията, мощността, живота на цикъла, размерите и топлинните характеристики.

13. Клетки за торбички с голям формат и дизайн на опаковката

Клетките с голям формат могат да опростят някои архитектури на батерии, тъй като всяка клетка съхранява повече енергия от малка цилиндрична клетка. Това може да намали броя на паралелните клетки и точките на електрическо свързване, необходими за достигане на целевия капацитет на пакета.

По-големите клетки обаче също изискват внимателно разглеждане на:

• Разпределение на топлината по клетъчната повърхност

• Температура на раздела и съпротивление на връзката

• Механична опора

• Компресия на клетките

• Клетъчна консистенция

• Обслужваемост

• Ограничаване на повреда

По-малко клетки не означават автоматично по-добър пакет батерии. Правилният размер на клетката зависи от електрическата и механичната архитектура на цялата система.

Misen доставя множество опции за клетъчни торбички с голям формат, вместо да ограничава клиентите до един капацитет. Примерите включват P70A 70Ah клетъчна торбичка,119Ah NMC пауч клетка иK103 103Ah NMC пауч клетка.

14. Как да сравняваме правилно енергийната плътност на клетката на торбичката

Сравненията на листове с данни могат да бъдат подвеждащи, ако измерванията не се основават на едни и същи условия. Преди да класирате две клетки по Wh/kg или Wh/L, проверете точно какво представлява всяка стойност.

За смислено сравнение потвърдете:

• Номинално напрежение: Използва ли се същата дефиниция на напрежение?

• Капацитет: При каква скорост на разреждане и температура е измерен капацитетът?

• Тегло на клетката: Включва ли раздели, изолация или допълнителен хардуер?

• Размери: Включени ли са или изключени раздели?

• Дебелина: При какъв SOC и механично налягане е измерена дебелината?

• Изчисляване на енергията: Изчислява ли се енергията, като се използва номинален V × Ah, или се измерва чрез интегриране на кривата на разреждане?

• Температура: Тествани ли са клетките при сравними условия?

• Състояние на клетката: И двете клетки нови ли са и от сравними производствени партиди?

Без последователна граница на измерване, сравняването на две рекламирани числа за енергийна плътност може лесно да доведе до грешно заключение.

15. Най-високата енергийна плътност означава ли най-добрата батерия?

не

Енергийната плътност е само една проектна променлива. Клетка с много висока стойност Wh/kg може да не е най-добрият вариант, ако вашият проект изисква:

• Много висок непрекъснат ток

• Висока пикова мощност

• Изключително дълъг цикъл на живот

• Бързо зареждане

• Нискотемпературна работа

• Конкретна дебелина на клетката или отпечатък

• По-ниска цена на системата

• Различни изисквания за безопасност или сертифициране

Следователно изборът на батерия е по-скоро проблем за многопроменлива оптимизация, отколкото конкуренция за най-високия номер на спецификация.

16. Избор на правилната пауч клетка за вашето приложение

Преди да изберете клетка, определете изискванията на цялата акумулаторна система.

Ако сравнявате клетки за EV или друго високоенергийно приложение, можете също да изследвате Misen'sРешения за EV батериен модул.

17. Оптимизация на ниво клетка срещу оптимизация на ниво система

Клетката с най-добрия номер на листа с данни не произвежда непременно най-добрата пълна батерия.

Малко по-тежка клетка може да опрости охлаждането. По-голямата клетка може да намали сложността на шините и връзките. Нискоенергийният химичен състав може да осигури по-дълъг експлоатационен живот. По-тънка клетка може да позволи много по-добро оформление на модула.

Ето защо професионалният дизайн на батерията трябва да оптимизира цялата система , а не само голата клетка.

За проекти, изискващи избор на BMS, съвпадение на клетки, модулна структура, планиране на шини или разработване на персонализирана батерия, Misen също така предоставяOEM и ODM инженерна поддръжка на батерии.

Често задавани въпроси

Какво е добър Wh/kg за пауч клетка?

Няма единична стойност Wh/kg, която да определя добра клетка за торбичка. Подходящата цел зависи от химическия състав, изискването за разреждане, живота на цикъла, температурата, дизайна за безопасност и приложението. Клетките трябва да се сравняват при еквивалентни условия на изпитване.

Каква е разликата между Wh/kg и Wh/L?

Wh/kg измерва енергията спрямо теглото, докато Wh/L измерва енергията спрямо физическия обем. Wh/kg е особено важен за системи, чувствителни към теглото, докато Wh/L става критичен, когато наличното пространство на батерията е ограничено.

Как да изчисля енергийната плътност на клетъчната торбичка?

Първо изчислете номиналната енергия на клетката, като използвате напрежение × капацитет. Разделете тази енергия на теглото на клетката в килограми за Wh/kg или я разделете на обема на клетката в литри за Wh/L.

Защо енергийната плътност на батерията е по-ниска от енергийната плътност на клетката?

Готовият пакет съдържа компоненти като BMS, корпус, шини, окабеляване, охлаждаща структура, изолация, система за компресия и защитни устройства. Те увеличават теглото и обема на опаковката, без да увеличават клетъчната енергия.

Пауч клетката винаги ли е с по-висока енергийна плътност от цилиндричната клетка?

Не. Опаковката в торбичка може да намали масата на неактивната опаковка и да осигури гъвкави размери, но действителната енергийна плътност зависи от цялостния дизайн на клетката и химията. Отделните клетъчни модели трябва да се сравняват директно, вместо да се приема, че един формат винаги е по-добър.

По-високата енергийна плътност означава ли по-висок разряден ток?

Не е задължително. Енергийната плътност и мощността са различни спецификации. Една високоенергийна клетка може да бъде оптимизирана за време на работа, а не за изключително висок ток. Винаги проверявайте поотделно непрекъснатия ток, пиковия ток, вътрешното съпротивление и топлинните граници.

Какво е използваема енергия на батерията?

Използваема енергия е количеството номинална енергия, до която системата на батерията позволява достъп на приложението по време на нормална работа. Ограниченията на напрежението на BMS, границите на SOC, температурата, стареенето и ефективността на системата могат да повлияят на действителната използваема енергия.

Заключение

Енергийната плътност на клетъчната торбичка не може да бъде оценена от едно число.

Wh/kg ви казва колко ефективно една клетка съхранява енергия по тегло, докато Wh/L ви казва колко ефективно използва пространството. Но нито една стойност не представя директно производителността на завършен пакет батерии.

След като клетките са интегрирани със структурна опора, шини, BMS електроника, термично управление и защитен корпус, енергийната плътност на ниво пакет намалява. Използваемата енергия, налична при ежедневна работа, може отново да бъде по-ниска поради ограничения на SOC и други системни ограничения.

Следователно за проекти за EV, ESS, UAV, роботика и промишлени батерии най-добрият подход е да се оцени:

• Wh/kg

• Wh/L

• Непрекъснат и пиков ток

• Цикъл живот

• Размери на клетката

• Температурен диапазон

• Изисквания за интеграция на пакета

• Обща използваема енергия на системата

Можете да разгледате пълната гама на Misen отпауч клетки с голям формат или се свържете с нашия екип за избор на клетки и инженерна поддръжка на батерийни пакети.