Πώς να υπολογίσετε ένα πακέτο μπαταρίας κυψέλης θήκης: Σειρά, παράλληλη, τάση, χωρητικότητα και kWh

Ο υπολογισμός μιας μπαταρίας κυψέλης θήκης ξεκινά με μερικούς απλούς τύπους, αλλά ένας χρησιμοποιήσιμος σχεδιασμός απαιτεί κάτι περισσότερο από τον πολλαπλασιασμό της τάσης και της χωρητικότητας.

Οι συνδέσεις σειράς καθορίζουν την τάση του πακέτου. Οι παράλληλες συνδέσεις καθορίζουν τη χωρητικότητα του πακέτου και συμβάλλουν στην τρέχουσα ικανότητα. Η χημεία κυψέλης, τα όρια τάσης, ο ρυθμός εκφόρτισης, η εσωτερική αντίσταση, η θερμοκρασία, η μηχανική συμπίεση και το Σύστημα Διαχείρισης Μπαταριών (BMS) προσδιορίζουν στη συνέχεια εάν η υπολογισμένη διαμόρφωση μπορεί να λειτουργήσει με ασφάλεια στην προβλεπόμενη εφαρμογή.

Αυτός ο οδηγός εξηγεί πώς να υπολογίζετε σειρές και παράλληλες μετρήσεις, ονομαστική τάση, Ah, Wh και χρησιμοποιήσιμες kWh. ΕΝΑ η κυψέλη θήκης NMC 3,7V 70Ah P70A . Ως κύριο παράδειγμα χρησιμοποιείται

Οι υπολογισμοί είναι κατάλληλοι για προκαταρκτικό μέγεθος μπαταρίας. Τα σχέδια των τελικών μονάδων και πακέτων πρέπει να επαληθεύονται με βάση το πιο πρόσφατο φύλλο δεδομένων κυψέλης, το πλήρες προφίλ φόρτωσης και τα αποτελέσματα δοκιμών σε επίπεδο συσκευασίας.

Βασικά Takeaways

• Οι κυψέλες που συνδέονται σε σειρά αυξάνουν την τάση. δεν αυξάνουν την χωρητικότητα Ah.

• Οι κυψέλες που συνδέονται παράλληλα αυξάνουν την χωρητικότητα Ah. δεν αυξάνουν την τάση.

• Η ενέργεια του πακέτου σε Wh ισούται με την ονομαστική τάση του πακέτου πολλαπλασιαζόμενη επί τη χωρητικότητα του πακέτου.

• Διαιρέστε το Wh με το 1.000 για να μετατρέψετε το αποτέλεσμα σε kWh.

• Η ενέργεια της πινακίδας και η χρησιμοποιήσιμη ενέργεια δεν είναι το ίδιο.

• Το συνεχές ρεύμα πρέπει να ελέγχεται στη χαμηλότερη τάση λειτουργίας, όχι μόνο στην ονομαστική τάση.

• Οι μέγιστες τάσεις φόρτισης και εκφόρτισης πρέπει να προέρχονται από το επιλεγμένο φύλλο δεδομένων κυψέλης.

• Οι κυψέλες σακουλών απαιτούν μηχανική συγκράτηση, περιορισμό διόγκωσης και θερμικό σχεδιασμό ειδικά για τα κύτταρα.

• Οι τελικές ονομασίες BMS, ασφάλειας, επαφής και αγωγού δεν μπορούν να επιλεγούν από έναν κανόνα ποσοστού.

1. Καθορίστε πρώτα τις απαιτήσεις συστήματος μπαταρίας

Μια μπαταρία θα πρέπει να υπολογίζεται αντίστροφα από την εφαρμογή. Πριν επιλέξετε ένα κελί ή αποφασίσετε τη διαμόρφωση σειράς και παράλληλων παραμέτρων, καθορίστε τις ακόλουθες απαιτήσεις:

• Στόχος ονομαστικής τάσης συστήματος

• Μέγιστη επιτρεπόμενη τάση εισόδου

• Ελάχιστη τάση λειτουργίας

• Απαιτούμενη πινακίδα ή χρησιμοποιήσιμη ενέργεια

• Απαιτούμενος χρόνος λειτουργίας

• Συνεχής ισχύς και ρεύμα

• Ισχύς αιχμής, ρεύμα αιχμής και διάρκεια αιχμής

• Ισχύς φόρτισης και χρόνος φόρτισης

• Διαθέσιμες διαστάσεις εγκατάστασης

• Μέγιστο βάρος μπαταρίας

• Θερμοκρασία λειτουργίας και αποθήκευσης

• Αναμενόμενη διάρκεια ζωής

• Μέθοδος ψύξης

• Ισχύουσες απαιτήσεις πιστοποίησης και μεταφοράς

Ένα σύστημα που διαφημίζεται ως '48V,', για παράδειγμα, μπορεί να δέχεται πολύ διαφορετικές μέγιστες και ελάχιστες τάσεις ανάλογα με τον ελεγκτή κινητήρα, τον μετατροπέα, τον μετατροπέα DC/DC ή άλλο συνδεδεμένο εξοπλισμό. Η διαφημιζόμενη τάση του συστήματος από μόνη της δεν αρκεί για τον προσδιορισμό της σωστής μέτρησης σειρών.

2. Κατανοήστε τις προδιαγραφές κυψέλης

Ο υπολογισμός πρέπει να χρησιμοποιεί τις εγκεκριμένες προδιαγραφές του επιλεγμένου κελιού. Οι πιο σημαντικές εισροές περιλαμβάνουν:

Παράμετρος κελιού	Γιατί έχει σημασία
Ονομαστική τάση	Χρησιμοποιείται για προκαταρκτικούς υπολογισμούς τάσης και ενέργειας πακέτου
Συνιστώμενη τάση διακοπής φόρτισης	Χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της εξόδου του φορτιστή και της μέγιστης κανονικής τάσης πακέτου
Τάση τέλους εκφόρτισης	Χρησιμοποιείται για την αξιολόγηση του κατώτερου ορίου τάσης
Ονομαστική ή τυπική χωρητικότητα	Καθορίζει προκαταρκτικά Αχ και ενέργεια
Διαβάθμιση συνεχούς εκφόρτισης	Βοηθά στον προσδιορισμό της τρέχουσας ικανότητας
Μέγιστη βαθμολογία αποφόρτισης και διάρκεια	Χρησιμοποιείται για γεγονότα μικρού φορτίου όπως επιτάχυνση ή εκκίνηση κινητήρα
DC εσωτερική αντίσταση	Βοηθά στην εκτίμηση της πτώσης τάσης και της αντίστασης θερμότητας υπό φορτίο
Θερμοκρασία φόρτισης και εκφόρτισης	Καθορίζει την επιτρεπόμενη λειτουργία και την υποβάθμιση ρεύματος
Διαστάσεις και βάρος	Απαιτείται για τη διάταξη της μονάδας και τους υπολογισμούς της ενεργειακής πυκνότητας σε επίπεδο πακέτου
Μηχανική προφόρτιση και επίδομα διόγκωσης	Απαιτείται για το σχεδιασμό της μονάδας κυψέλης θήκης
Συνθήκες δοκιμής κύκλου ζωής	Απαιτείται για τη σωστή σύγκριση των προσδοκιών διάρκειας ζωής

Οι κυψέλες με την ίδια χημεία μπορούν ακόμα να έχουν διαφορετικά όρια τάσης, ονομασίες ρεύματος και εύρη θερμοκρασίας. Μην εφαρμόζετε μία καθολική ρύθμιση τάσης σε κάθε κυψέλη θήκης NMC, LFP ή LTO.

Η Misen παρέχει πολλαπλές χημικές μπαταρίες κυψελών θήκης και χωρητικότητες για ηλεκτρική κινητικότητα, AGV, ρομποτική, βιομηχανικός εξοπλισμός, θαλάσσια συστήματα και έργα αποθήκευσης ενέργειας.

3. Επιλογή της χημείας των κυττάρων

Η χημεία επηρεάζει τον υπολογισμό της τάσης, τον αριθμό των κυψελών σε σειρά, την ενεργειακή πυκνότητα, τον στόχο ζωής κύκλου, την ικανότητα ισχύος και τη θερμική στρατηγική.

Χημεία	Τυπική προκαταρκτική ονομαστική τάση	Κοινή προτεραιότητα επιλογής
Κυψέλη θήκης NMC	Περίπου 3,6–3,73 V, ανάλογα με την κυψέλη	Υψηλή ενεργειακή πυκνότητα και συμπαγή, ελαφριά συστήματα μπαταριών
Κυψέλη θήκης LiFePO4	Συνήθως γύρω στα 3,2V	Διάρκεια ζωής κύκλου, θερμική σταθερότητα και βιομηχανικές ή σταθερές εφαρμογές
Κυψέλη θήκης LTO	Συνήθως γύρω στα 2,3–2,4V	Υψηλή ισχύς, γρήγορη φόρτιση, λειτουργία σε χαμηλή θερμοκρασία και μεγάλη διάρκεια ζωής

Αυτές είναι προκαταρκτικές τιμές αναφοράς, όχι καθολικές ρυθμίσεις σχεδίασης. Χρησιμοποιείτε πάντα την ονομαστική τάση, το όριο φόρτισης και το όριο εκφόρτισης που αναφέρονται στην επιλεγμένη προδιαγραφή κυψέλης.

4. Κυψέλη αναφοράς: P70A 3,7V 70Ah NMC Pouch Cell

Για το κύριο παράδειγμα υπολογισμού, χρησιμοποιούμε το μεγάλο σχήμα Κυψέλη θήκης P70A NMC.

Για απλούς προκαταρκτικούς υπολογισμούς, οι αγοραίες αξίες είναι:

• Ονομαστική τάση: 3,7V

• Κατηγορία ονομαστικής χωρητικότητας: 70Ah

• Προκαταρκτική ονομαστική ενέργεια: 3,7V × 70Ah = 259Wh

• Μέγιστος ρυθμός συνεχούς εκφόρτισης: έως 3C στους 25°C υπό τις καθορισμένες συνθήκες

• Κατά προσέγγιση ρεύμα που αντιστοιχεί σε 3C: 70Ah × 3C = 210A

Τα λεπτομερή δεδομένα κυψέλης παρέχουν πιο συγκεκριμένες συνθήκες δοκιμής:

• Ονομαστική τάση: 3,73 V στους 0,33 C ή 3,70 V στους 0,5 C

• Τυπική χωρητικότητα: τουλάχιστον 68,7 Ah στους 0,33 C ή τουλάχιστον 67,8 Ah στους 0,5 C

• Υπολογιζόμενη ενέργεια: περίπου 256,3 Wh με βάση 3,73 V × 68,7 Ah

• Συνιστώμενη τάση διακοπής φόρτισης: 4,3 V

• Τάση τέλους εκφόρτισης: 2,75 V υπό την αναφερόμενη κατάσταση κανονικής θερμοκρασίας

• Εσωτερική αντίσταση AC: όχι περισσότερο από 1,2 mΩ υπό τις καθορισμένες συνθήκες δοκιμής

• Εσωτερική αντίσταση DC: όχι περισσότερο από 3,0 mΩ υπό τις καθορισμένες συνθήκες δοκιμής

Οι τιμές 3,7V και 70Ah διευκολύνουν την παρακολούθηση των βασικών τύπων. Για τελικούς υπολογισμούς μηχανικής, προδιαγραφές προμήθειας και εγγυήσεις απόδοσης, χρησιμοποιήστε την ισχύουσα τιμή του δελτίου δεδομένων και τη συνθήκη δοκιμής.

5. Πώς οι συνδέσεις σειράς αυξάνουν την τάση

Όταν τα κελιά συνδέονται σε σειρά, ο θετικός ακροδέκτης ενός κελιού ή παράλληλης ομάδας συνδέεται με τον αρνητικό ακροδέκτη της επόμενης.

Οι συνδέσεις σειράς αυξάνουν την τάση, ενώ η χωρητικότητα Ah παραμένει αμετάβλητη.

Nominal pack voltage = Αριθμός κυψελών σε σειρά × Ονομαστική τάση κυψέλης

Χρήση των τιμών P70A που αντιμετωπίζουν την αγορά σε μια διαμόρφωση 14S:

14 × 3,7 V = 51,8 V ονομαστική

Επομένως, ένα πακέτο 14S1P έχει:

• Ονομαστική τάση: 51,8V

• Χωρητικότητα: 70Ah

• Συνολικός αριθμός κελιών: 14

Πρέπει επίσης να ελεγχθεί το πλήρες εύρος τάσης.

Χρησιμοποιώντας τη συνιστώμενη τάση διακοπής φόρτισης P70A:

14 × 4,3 V = 60,2 V

Χρησιμοποιώντας την αναφερόμενη τάση τέλους εκφόρτισης 2,75 V:

14 × 2,75 V = 38,5 V

Το προκαταρκτικό εύρος τάσης είναι επομένως περίπου 38,5 V έως 60,2 V υπό τις ισχύουσες συνθήκες.

Μια μπαταρία 14S NMC μπορεί να διατίθεται στο εμπόριο ως σύστημα κατηγορίας 48V, αλλά αυτό δεν την καθιστά αυτόματα συμβατή με κάθε ελεγκτή ή μετατροπέα 48 V. Όλος ο συνδεδεμένος εξοπλισμός πρέπει να ελέγχεται ως προς το πλήρες εύρος τάσης της μπαταρίας.

Για μια πιο λεπτομερή εξήγηση, βλ NMC Pouch Cell Voltage: Όρια και ρυθμίσεις BMS.

6. Πώς οι παράλληλες συνδέσεις αυξάνουν τη χωρητικότητα

Όταν τα κελιά συνδέονται παράλληλα, όλοι οι θετικοί ακροδέκτες συνδέονται μεταξύ τους και όλοι οι αρνητικοί ακροδέκτες συνδέονται μεταξύ τους.

Οι παράλληλες συνδέσεις αυξάνουν την χωρητικότητα Ah, ​​ενώ η τάση παραμένει ίση με ένα στοιχείο ή μια ομάδα σειράς.

Χωρητικότητα συσκευασίας = Αριθμός παράλληλων κελιών × Χωρητικότητα κυψέλης

Χρησιμοποιώντας τέσσερις κυψέλες P70A παράλληλα:

4 × 70Ah = 280Ah

Επομένως, μια ομάδα 4P έχει:

• Ονομαστική τάση: 3,7V

• Χωρητικότητα: 280Ah

• Συνολικός αριθμός κελιών: 4

Οι παράλληλες συνδέσεις μπορούν επίσης να αυξήσουν την τρέχουσα ικανότητα. Για προκαταρκτικό μέγεθος:

Δυνατότητα ρεύματος παράλληλης ομάδας ≈ Αριθμός παράλληλων κελιών × Εγκεκριμένο ρεύμα μονού κυψέλης

Εάν ένα στοιχείο P70A κατηγορίας 70Ah υποστηρίζει περίπου 210Α στους 3C υπό τις καθορισμένες συνθήκες δοκιμής, μια παράλληλη ομάδα τεσσάρων κυψελών έχει θεωρητική ικανότητα ρεύματος σε επίπεδο κυψέλης περίπου 840Α.

Ωστόσο, αυτό δεν είναι αυτόματα το ρεύμα ασφαλούς συσκευασίας.

Το τελικό όριο ρεύματος καθορίζεται από το χαμηλότερο εγκεκριμένο όριο μεταξύ:

• Κύτταρα

• Καρτέλες κυττάρων

• Δίαυλος ή εύκαμπτοι σύνδεσμοι

• Συγκολλημένες ή βιδωμένες αρθρώσεις

• BMS

• Επαφές

• Ασφάλειες

• Καλώδια και σύνδεσμοι

• Σύστημα ψύξης

• Επιτρεπόμενη αύξηση θερμοκρασίας

Η παράλληλη κατανομή ρεύματος εξαρτάται επίσης από την αντίσταση κυψέλης, την αντίσταση σύνδεσης, τη συμμετρία ζυγού, τη θερμοκρασία και την αντιστοίχιση κυψελών. Ένας θεωρητικός πολλαπλασιασμός πρέπει πάντα να ακολουθείται από ηλεκτρική και θερμική επικύρωση.

7. Πώς να υπολογίσετε ένα πακέτο σειράς-παράλληλων

Μια διαμόρφωση 14S4P περιέχει 14 ομάδες συνδεδεμένες σε σειρά, με τέσσερα κελιά συνδεδεμένα παράλληλα μέσα σε κάθε ομάδα.

Ο συνολικός αριθμός κυττάρων είναι:

Συνολικά κελιά = Αριθμός σειρών × Παράλληλος αριθμός

14 × 4 = 56 κελιά

Για το παράδειγμα P70A:

• Αριθμός σειρών: 14

• Παράλληλη μέτρηση: 4

• Σύνολο κελιών: 56

• Ονομαστική τάση πακέτου: 51,8V

• Χωρητικότητα συσκευασίας: 280Ah

Ο όρος '14S4P' θα πρέπει να υποστηρίζεται από ένα ηλεκτρικό διάγραμμα που δείχνει τις παράλληλες ομάδες, τα σημεία ανίχνευσης BMS, την κύρια διαδρομή ρεύματος και τις συσκευές προστασίας. Μην βασίζεστε μόνο στο γραπτό όνομα διαμόρφωσης όταν εξετάζετε ένα σχέδιο προμηθευτή.

Ορισμένα συστήματα μπαταριών χρησιμοποιούν χωριστά προστατευμένες σειρές συνδεδεμένες παράλληλα σε επίπεδο πακέτου. Αυτή η ρύθμιση μπορεί να παρέχει πλεονασμό, αλλά απαιτεί προσεκτικό συντονισμό μεταξύ των μονάδων BMS, των επαφών, των ασφαλειών και των συστημάτων επικοινωνίας. Η σωστή τοπολογία εξαρτάται από τις απαιτήσεις ασφάλειας, σέρβις και απομόνωσης σφαλμάτων του έργου.

8. Πώς να υπολογίσετε τα Wh και kWh

Η ενέργεια της μπαταρίας εκφράζεται συνήθως σε βατώρες ή κιλοβατώρες.

Ενέργεια πακέτου (Wh) = Ονομαστική τάση πακέτου × Χωρητικότητα πακέτου

Το ίδιο αποτέλεσμα μπορεί να υπολογιστεί απευθείας από τον αριθμό των κυττάρων:

Ενέργεια πακέτου (Wh) = S × P × Ονομαστική τάση κυψέλης × Χωρητικότητα κυψέλης

Για το παράδειγμα 14S4P P70A:

• Ονομαστική τάση πακέτου: 51,8V

• Χωρητικότητα συσκευασίας: 280Ah

51,8V × 280Ah = 14.504Wh

Μετατροπή Wh σε kWh:

14.504 Wh ÷ 1.000 = 14.504 kWh

Η προκαταρκτική ενέργεια της πινακίδας είναι επομένως περίπου:

14,50 kWh

Χρησιμοποιώντας τις πιο συντηρητικές τιμές δοκιμής φύλλου δεδομένων των 3,73V και 68,7Ah:

14 × 4 × 3,73 V × 68,7 Ah = περίπου 14,35 kWh

Η διαφορά δείχνει γιατί μια κατηγορία χωρητικότητας που αντιμετωπίζει η αγορά και μια ελάχιστη χωρητικότητα που ελέγχεται από φύλλο δεδομένων δεν πρέπει να αντιμετωπίζονται ως πανομοιότυπα. Για εγγυημένη απόδοση της συσκευασίας, χρησιμοποιήστε την ισχύουσα τιμή προδιαγραφής.

Μπορείτε να μάθετε περισσότερα σχετικά με τη διαφορά μεταξύ της ενέργειας σε επίπεδο κυψέλης και σε επίπεδο πακέτου Επεξήγηση για την ενεργειακή πυκνότητα κυψελών θήκης: Wh/kg, Wh/L και χρησιμοποιήσιμη ενέργεια πακέτου.

9. Πίνακας υπολογισμού πακέτου Quick P70A

Οι ακόλουθες τιμές χρησιμοποιούν 3,7V και 70Ah για προκαταρκτικό μέγεθος.

Διαμόρφωση	Πλήθος κυψελών	Ονομαστική τάση	Χωρητικότητα	Ενέργεια πινακίδας	Ενέργειας κατά προσέγγιση σε ένα 80% χρησιμοποιήσιμο παράθυρο SOC
14S1P	14	51,8 V	70 Αχ	3,63 kWh	2,90 kWh
14S2P	28	51,8 V	140 Αχ	7,25 kWh	5,80 kWh
14S3P	42	51,8 V	210 Αχ	10,88 kWh	8,70 kWh
14S4P	56	51,8 V	280 Ah	14,50 kWh	11,60 kWh

Αυτές οι τιμές είναι προκαταρκτικές. Η πραγματική παραδοτέα ενέργεια εξαρτάται από το εγκεκριμένο παράθυρο τάσης, το ρεύμα φορτίου, τη θερμοκρασία, τη γήρανση των κυττάρων, τις ρυθμίσεις BMS και τις απώλειες του συστήματος.

10. Ενέργεια πινακίδας έναντι χρησιμοποιήσιμης ενέργειας

Η ενέργεια της πινακίδας χαρακτηρίζεται από την ονομαστική τάση και χωρητικότητα. Η χρησιμοποιήσιμη ενέργεια είναι η ποσότητα που μπορεί να έχει πρόσβαση η εφαρμογή μέσα στο επιλεγμένο παράθυρο λειτουργίας.

Για μια πρώιμη εκτίμηση:

Χρησιμοποιήσιμη ενέργεια ≈ Ενέργεια πινακίδας × Παράθυρο χρησιμοποιήσιμου SOC

Εάν ένα πακέτο 14S4P P70A έχει 14,50 kWh προκαταρκτικής ενέργειας πινακίδας και λειτουργεί μέσω ενός παραθύρου SOC 80%:

14,50 kWh × 0,80 = περίπου 11,60 kWh

Αυτή είναι μια εκτίμηση, όχι μια εγγυημένη απόδοση.

Η πραγματική χρησιμοποιήσιμη ενέργεια επηρεάζεται από:

• Καμπύλη εκκένωσης κυττάρων

• Όρια φόρτισης και εκφόρτισης

• Ποσοστό εκφόρτισης

• Πτώση τάσης

• Θερμοκρασία περιβάλλοντος και κυψέλης

• Παραλλαγή από κύτταρο σε κύτταρο

• Κατάσταση Υγείας

• Στρατηγική αποκοπής BMS

• Απώλειες καλωδίων και επαφών

• Απόδοση μετατροπέα DC/DC, ελεγκτή κινητήρα ή μετατροπέα

Εάν η χρησιμοποιήσιμη ενέργεια πρέπει να επιτευχθεί ακόμα κοντά στο τέλος της διάρκειας ζωής της μπαταρίας, η έγκαιρη προσαρμογή του μεγέθους μπορεί επίσης να λάβει υπόψη τον στόχο χωρητικότητας στο τέλος του κύκλου ζωής και την απόδοση μετατροπής:

Απαιτούμενη ενέργεια πινακίδας ≈ Χρήσιμη ενέργεια στόχος ÷ (χρήσιμο παράθυρο SOC × κλάσμα χωρητικότητας τέλους ζωής × απόδοση συστήματος)

Αυτή η φόρμουλα είναι χρήσιμη για προκαταρκτικό μέγεθος. Η τελική απόδοση πρέπει να επικυρωθεί από τα δεδομένα εκφόρτισης κυψέλης και τη δοκιμή σε επίπεδο συσκευασίας.

11. Υπολογίστε το ρεύμα από την ισχύ

Οι σχεδιαστές πακέτων μπαταριών συχνά ξεκινούν με μια απαιτούμενη τιμή ισχύος σε kW αντί για μια τρέχουσα τιμή σε αμπέρ.

Η σχέση είναι:

Ισχύς = Τάση × Ρεύμα

Επομένως:

Ρεύμα = Ισχύς ÷ Τάση

Για φορτίο 10 kW στην ονομαστική τάση ενός πακέτου 14S P70A:

10.000W ÷ 51,8V = περίπου 193A

Εάν ο ελεγκτής προσπαθήσει να διατηρήσει 10 kW καθώς η τάση της μπαταρίας πέφτει στα 38,5 V:

10.000W ÷ 38,5V = περίπου 260A

Αυτό δείχνει γιατί το ρεύμα δεν πρέπει να υπολογίζεται μόνο στην ονομαστική τάση. Για φορτία σταθερής ισχύος, το ρεύμα αυξάνεται καθώς πέφτει η τάση της μπαταρίας.

Οι κυψέλες, το BMS, οι ζυγοί, οι επαφές, οι ασφάλειες και τα καλώδια πρέπει να αξιολογούνται με τον χειρότερο σχετικό συνδυασμό τάσης, ισχύος, θερμοκρασίας και διάρκειας.

12. Βελτίωση τάσης και παραγωγή θερμότητας

Η τάση του στοιχείου υπό φορτίο είναι χαμηλότερη από τη χαλαρή τάση ανοιχτού κυκλώματος. Μια απλοποιημένη εκτίμηση πτώσης τάσης είναι:

Υποχώρηση τάσης ≈ Ρεύμα × αντίσταση DC

Η πραγματική αντίσταση συσκευασίας περιλαμβάνει περισσότερα από την αντίσταση των κυττάρων. Περιλαμβάνει επίσης:

• Καρτέλες

• Λεωφορεία

• Αρθρώσεις

• Ασφάλειες

• Επαφές

• Καλώδια

• Συνδέσεις

• Διαφορές παράλληλης κατανομής ρεύματος

Μια απλοποιημένη εκτίμηση της θερμότητας αντίστασης είναι:

Απώλεια ισχύος ≈ Ρεύμα² × Αντίσταση

Επομένως, η θερμότητα αυξάνεται κατά προσέγγιση με το τετράγωνο του ρεύματος σε ένα μοντέλο απλοποιημένης αντίστασης, όχι εκθετικά. Η πραγματική παραγωγή θερμότητας και η αύξηση της θερμοκρασίας εξαρτώνται επίσης από το SOC, τη θερμοκρασία του στοιχείου, τις αλλαγές αντίστασης, τις συνθήκες ψύξης και τον κύκλο λειτουργίας.

Το ACIR που μετράται στο 1kHz δεν θα πρέπει να χρησιμοποιείται αυτόματα για την πρόβλεψη της πτώσης τάσης φορτίου. Το DCIR που μετράται υπό καθορισμένες συνθήκες φορτίου είναι γενικά πιο σχετικό για προκαταρκτικούς υπολογισμούς βύθισης τάσης και θερμότητας.

13. Αντιστοίχιση κελιών και κοινή χρήση παράλληλου ρεύματος

Οι μαθηματικοί υπολογισμοί υποθέτουν ότι κάθε κύτταρο έχει την ίδια απόδοση. Οι πραγματικές κυψέλες έχουν διαφορές στη χωρητικότητα, την εσωτερική αντίσταση, την τάση ανοιχτού κυκλώματος, την αυτοεκφόρτιση και τη γήρανση.

Τα κύτταρα που προορίζονται για ένα πακέτο θα πρέπει κανονικά να αντιστοιχίζονται με:

• Χημεία και μοντέλο

• Παρτίδα παραγωγής όπου είναι πρακτικό

• Ικανότητα

• Αντοχή AC και DC

• Τάση ανοιχτού κυκλώματος

• Κράτος επιβάρυνσης

• Αυτοεκφόρτιση

• Ηλικία και ιστορικό χρήσης

Κυψέλες σε σημαντικά διαφορετικά επίπεδα SOC δεν πρέπει να συνδέονται απευθείας παράλληλα. Η διαφορά τάσης μπορεί να προκαλέσει υψηλό ρεύμα εξισορρόπησης που περιορίζεται κυρίως από την αντίσταση κυψέλης και σύνδεσης.

Οι κυψέλες διαφορετικής χωρητικότητας δεν διαιρούν αυτόματα το ρεύμα ανάλογα με τη χωρητικότητα. Η κατανομή του ρεύματος επηρεάζεται έντονα από την εσωτερική αντίσταση, την αντίσταση διασύνδεσης, τη θερμοκρασία και τη διάταξη ζυγών. Για ένα νέο πακέτο παραγωγής, η χρήση αντιστοιχισμένων κυψελών του ίδιου εγκεκριμένου μοντέλου είναι η προτιμώμενη προσέγγιση.

Ένα κύκλωμα εξισορρόπησης BMS δεν μπορεί να αντισταθμίσει γρήγορα τις μεγάλες διαφορές στη χωρητικότητα ή την αντίσταση μέσα σε ένα πακέτο κυψελών θήκης υψηλής χωρητικότητας. Η ταξινόμηση των κυττάρων παραμένει σημαντική πριν από τη συναρμολόγηση.

14. Μηχανολογικός Σχεδιασμός για Σακουλάκια

Οι κυψέλες θήκης δεν διαθέτουν άκαμπτο μεταλλικό κουτί. Η δομή της μονάδας πρέπει να διαχειρίζεται την επέκταση των κυψελών, να παρέχει ομοιόμορφη υποστήριξη, να προστατεύει το πολυστρωματικό φιλμ και να διατηρεί αξιόπιστη θερμική επαφή.

Δεν υπάρχει καθολικό όριο διόγκωσης ή πίεση προφόρτισης που να μπορεί να εφαρμοστεί σε κάθε κελί θήκης.

Για το P70A, οι διαθέσιμες προδιαγραφές υποδεικνύουν:

• Αρχική προφόρτιση: 400–500 N

• Καθορισμένος συντελεστής διόγκωσης: 6%

• Δεν επιτρέπεται η μακροχρόνια λειτουργία χωρίς μηχανικό περιορισμό

• Η πίεση πρέπει να κατανέμεται ομοιόμορφα στην επιφάνεια του κυττάρου

Αυτές οι τιμές ισχύουν για το P70A και δεν θα πρέπει να αντιγράφονται αυτόματα σε άλλο μοντέλο κυψέλης θήκης.

Ο σχεδιασμός της ενότητας θα πρέπει να λάβει υπόψη:

• Ακραίες πλάκες και ακαμψία πλαισίου

• Μέθοδος προφόρτισης

• Επιθέματα συμπίεσης ή διόγκωσης

• Ανοχή πάχους κυψέλης

• Επέκταση στο τέλος του κύκλου ζωής

• Ηλεκτρική μόνωση

• Προστασία γλωττίδας και σφραγίδας

• Επαφή ψυκτικής επιφάνειας

• Ανοχές κατασκευής και σέρβις

Για περισσότερες πληροφορίες, βλ Γιατί τα κύτταρα θήκης απαιτούν συμπίεση στο σχέδιο της μπαταρίας.

15. Θερμική Διαχείριση

Οι απαιτήσεις ψύξης δεν μπορούν να επιλεγούν μόνο από το C-rate. Ένα σύστημα 1C σε ένα καλά συσκευασμένο περίβλημα μπορεί να έχει πιο δύσκολες θερμικές συνθήκες από ένα σύστημα υψηλότερου ρεύματος με σύντομους κύκλους λειτουργίας και αποτελεσματική δομή ψύξης.

Ο θερμικός σχεδιασμός πρέπει να λαμβάνει υπόψη:

• Αντοχή σε συνεχές ρεύμα κυψέλης

• Συνεχές ρεύμα

• Ρεύμα αιχμής και διάρκεια

• Ρεύμα φόρτισης

• Γεωμετρία ενότητας

• Διάσταση κελιών

• Κατεύθυνση μεταφοράς θερμότητας

• Θερμοκρασία περιβάλλοντος

• Μέγιστη επιτρεπόμενη θερμοκρασία κυψέλης

• Μέγιστη διαφορά θερμοκρασίας κυττάρου σε κυψέλη

• Συνθήκες αστοχίας του συστήματος ψύξης

Πιθανές στρατηγικές περιλαμβάνουν φυσική μεταφορά, εξαναγκασμένο αέρα, αγώγιμες πλάκες ψύξης και υγρή ψύξη. Η σωστή λύση θα πρέπει να επιλεγεί από ένα μοντέλο παραγωγής θερμότητας και να επιβεβαιωθεί με δοκιμή θερμοκρασίας σε επίπεδο μονάδας.

Οι αισθητήρες θερμοκρασίας θα πρέπει να τοποθετούνται σε αντιπροσωπευτικές τοποθεσίες, συμπεριλαμβανομένων πιθανών θερμών σημείων και περιοχών όπου η αντίσταση σύνδεσης μπορεί να δημιουργήσει πρόσθετη θερμότητα.

16. BMS και Ηλεκτρική Προστασία

Το BMS πρέπει να υποστηρίζει τον ακριβή αριθμό σειρών και το εγκεκριμένο εύρος τάσης κυψέλης. Για ένα πακέτο 14S, το BMS πρέπει να παρακολουθεί 14 ομάδες κυψελών που είναι συνδεδεμένες σε σειρά.

Η επιλογή BMS θα πρέπει να λάβει υπόψη:

• Κυτταρική χημεία

• Αριθμός σειρών

• Κανονικός στόχος φόρτισης-τάσης

• Όριο προστασίας από υπέρταση

• Κατώφλι προστασίας από υπόταση

• Συνεχές ρεύμα

• Ρεύμα αιχμής και διάρκεια

• Ανίχνευση βραχυκυκλώματος

• Θερμοκρασία φόρτισης και εκφόρτισης

• Ποσότητα και τοποθέτηση αισθητήρα

• Στρατηγική εξισορρόπησης

• Ακρίβεια μέτρησης τάσης και ρεύματος

• Έλεγχος επαφών

• Καταγραφή και ανάκτηση σφαλμάτων

Το όριο υπέρτασης BMS είναι μια ρύθμιση προστασίας έκτακτης ανάγκης και όχι ο κανονικός στόχος του φορτιστή. Ο φορτιστής πρέπει να ρυθμίζει σωστά την τάση και το ρεύμα χωρίς να εξαρτάται από την αποσύνδεση ρουτίνας BMS.

Δεν υπάρχει επίσης κανένας γενικός κανόνας ότι κάθε BMS, επαφέας ή ασφάλεια θα πρέπει να ονομάζονται ακριβώς στο 125% του αναμενόμενου ρεύματος. Το κατάλληλο περιθώριο σχεδιασμού εξαρτάται από το εξάρτημα, τη θερμοκρασία, τον κύκλο λειτουργίας, τη διάρκεια ζωής και το ισχύον πρότυπο.

Η επιλογή της ασφάλειας πρέπει να λαμβάνει υπόψη:

• Συνεχές ρεύμα φορτίου

• Προστασία καλωδίων και ζυγών

• Ονομαστική τάση DC

• Μέγιστο διαθέσιμο ρεύμα σφάλματος

• Αξιολόγηση διακοπής DC

• Καμπύλη χρόνου-ρεύματος

• Δεν έχω απόδοση

• Συντονισμός με το BMS και τους επαφές

Τα συστήματα υψηλής τάσης ή υψηλής ισχύος ενδέχεται επίσης να απαιτούν κύριους επαφές, κυκλώματα προφόρτισης, αποσυνδέσεις σέρβις, παρακολούθηση μόνωσης και συντονισμένη απομόνωση σφαλμάτων.

17. Μια πρακτική ροή εργασίας υπολογισμού πακέτου μπαταριών

Ένας αξιόπιστος προκαταρκτικός υπολογισμός μπορεί να ακολουθήσει αυτή τη σειρά:

1. Καθορίστε το πλήρες εύρος τάσης του εξοπλισμού.

2. Καθορίστε την απαιτούμενη χρησιμοποιήσιμη ενέργεια, τη συνεχή ισχύ και το φορτίο αιχμής.

3. Επιλέξτε τη χημεία και το μοντέλο κυττάρου.

4. Χρησιμοποιήστε τα εγκεκριμένα όρια τάσης κυψέλης και τις συνθήκες δοκιμής χωρητικότητας.

5. Υπολογίστε το πλήθος σειρών από το απαιτούμενο εύρος τάσης.

6. Υπολογίστε την παράλληλη μέτρηση τόσο από τις ενεργειακές όσο και από τις τρέχουσες απαιτήσεις.

7. Υπολογίστε τον συνολικό αριθμό κυψελών, την ονομαστική τάση, τα Ah, ​​Wh και kWh.

8. Υπολογίστε τη χρησιμοποιήσιμη ενέργεια εντός του προβλεπόμενου παραθύρου SOC.

9. Ελέγξτε την απαίτηση ρεύματος στη χαμηλότερη τάση λειτουργίας.

10. Ελέγξτε την πτώση τάσης, την παραγωγή θερμότητας και την κατανομή ρεύματος.

11. Επιλέξτε το BMS, τους αγωγούς, τους επαφές και τις συσκευές προστασίας.

12. Σχεδιάστε τη μηχανική δομή συγκράτησης, μόνωσης και ψύξης.

13. Κατασκευάστε και δοκιμάστε ένα πρωτότυπο υπό τις προβλεπόμενες συνθήκες φορτίου και θερμοκρασίας.

14. Συμπληρώστε την απαιτούμενη πιστοποίηση ασφάλειας, μεταφοράς και εφαρμογής.

Ένα υπολογιστικό φύλλο μπορεί να παράγει τον πρώτο υπολογισμό, αλλά απαιτείται δοκιμή για να επιβεβαιωθεί το τελικό σύστημα μπαταρίας.

18. Πληροφορίες που πρέπει να παρέχετε όταν ζητάτε διάλυμα κυττάρων σακούλας

Για να αξιολογήσετε μια κυψέλη θήκης ή ένα προσαρμοσμένο έργο μπαταρίας, παρέχετε όσο το δυνατόν περισσότερες από τις ακόλουθες πληροφορίες:

• Εφαρμογή

• Στόχος ονομαστικής τάσης

• Μέγιστη και ελάχιστη τάση συστήματος

• Απαιτούμενη χρησιμοποιήσιμη ενέργεια ή χρόνος λειτουργίας

• Συνεχής ισχύς ή ρεύμα

• Μέγιστη ισχύς/ρεύμα και διάρκεια

• Χρόνος φόρτισης ή ρεύμα φόρτισης

• Μέγιστες διαστάσεις

• Μέγιστο βάρος

• Θερμοκρασία λειτουργίας

• Αναμενόμενη διάρκεια ζωής

• Μέθοδος ψύξης

• Απαιτήσεις επικοινωνίας BMS

• Απαιτήσεις πιστοποίησης

• Πρωτότυπο και ετήσια ποσότητα παραγγελίας

Το Misen υποστηρίζει επιλογή κελιών, βαθμολόγηση, διαμόρφωση μονάδας και ανάπτυξη προσαρμοσμένων λύσεων μπαταρίας για ηλεκτρική κινητικότητα, AGV, ρομποτική, βιομηχανικό εξοπλισμό, θαλάσσια συστήματα και εφαρμογές αποθήκευσης ενέργειας.

Σύναψη

Οι βασικοί τύποι πακέτων μπαταριών είναι απλοί:

Ονομαστική τάση πακέτου = Αριθμός σειρών × Ονομαστική τάση κυψέλης

Χωρητικότητα συσκευασίας = Παράλληλη μέτρηση × Χωρητικότητα κυψέλης

Ενέργεια πακέτου (Wh) = Τάση συσκευασίας × Χωρητικότητα συσκευασίας

Ενέργεια πακέτου (kWh) = Ενέργεια πακέτου σε Wh ÷ 1.000

Χρησιμοποιώντας μια κυψέλη 3,7V 70Ah P70A ως προκαταρκτικό παράδειγμα, μια διαμόρφωση 14S4P παρέχει:

• Ονομαστική τάση 51,8 V

• Ονομαστική χωρητικότητα 280 Ah

• 14,50 kWh προκαταρκτική ενέργεια πινακίδας

• Περίπου 11,60 kWh σε ένα υποτιθέμενο 80% χρησιμοποιήσιμο παράθυρο SOC

Αυτοί οι αριθμοί είναι μόνο η αρχή της διαδικασίας σχεδιασμού. Η τελική απόδοση εξαρτάται από τα όρια τάσης, τις συνθήκες εκφόρτισης, τη θερμοκρασία, την αντιστοίχιση κυψελών, την κατανομή ρεύματος, τη μηχανική συμπίεση, τη θερμική διαχείριση, τις ρυθμίσεις BMS και τις απώλειες συστήματος.

Για έργα που απαιτούν κυψέλη θήκης NMC υψηλής ενέργειας, αναθεωρήστε το Το P70A 3,7V 70Ah θέτει τις προδιαγραφές κυψελών θήκης και στέλνει Misen τις απαιτήσεις τάσης, ενέργειας, ρεύματος, χώρου και θερμοκρασίας για μια αξιολόγηση βάσει έργου.

FAQ

Πώς υπολογίζετε τις kWh μιας μπαταρίας θήκης;

Πολλαπλασιάστε την ονομαστική τάση του πακέτου με την χωρητικότητα του πακέτου σε Ah για να λάβετε Wh. Διαιρέστε το αποτέλεσμα Wh με 1.000 για να λάβετε kWh.

Για παράδειγμα:

51,8V × 280Ah = 14,504Wh = 14,504kWh.

Η σύνδεση κυψελών σε σειρά αυξάνει την χωρητικότητα Ah;

Όχι. Οι συνδέσεις σειράς αυξάνουν την τάση. Η χωρητικότητα Ah παραμένει ίση με ένα κελί ή μια παράλληλη ομάδα.

Η παράλληλη σύνδεση κυψελών αυξάνει την τάση;

Όχι. Οι παράλληλες συνδέσεις αυξάνουν την χωρητικότητα Ah και συμβάλλουν στην τρέχουσα ικανότητα. Η τάση παραμένει ίση με ένα κελί ή σειρά σειράς.

Πόσα κελιά υπάρχουν σε μια μπαταρία 14S4P;

Ένα πακέτο 14S4P περιέχει 14 ομάδες συνδεδεμένες σε σειρά με τέσσερα κελιά σε κάθε παράλληλη ομάδα:

14 × 4 = 56 κελιά.

Είναι μια μπαταρία 14S P70A συμβατή με κάθε σύστημα 48V;

Όχι αυτόματα. Χρησιμοποιώντας τις τιμές αναφοράς P70A, ένα πακέτο 14S έχει ονομαστική τάση περίπου 51,8 V, συνιστώμενο υπολογισμό διακοπής φόρτισης 60,2 V και υπολογισμό τέλους εκφόρτισης 38,5 V υπό τις ισχύουσες συνθήκες. Ο συνδεδεμένος εξοπλισμός πρέπει να υποστηρίζει ολόκληρο το εύρος λειτουργίας.

Πόσο συνεχές ρεύμα μπορεί να παρέχει ένα στοιχείο P70A;

Η διαθέσιμη προδιαγραφή παραθέτει έναν μέγιστο ρυθμό συνεχούς εκφόρτισης 3C στους 25°C υπό τις αναφερόμενες συνθήκες. Με βάση την κατηγορία χωρητικότητας 70Ah που αντιμετωπίζει η αγορά, αυτή αντιστοιχεί περίπου σε 210A ανά κυψέλη. Τα τελικά όρια ρεύματος πρέπει να ακολουθούν τις ισχύουσες συνθήκες του δελτίου δεδομένων και τη θερμική επικύρωση σε επίπεδο συσκευασίας.

Μπορούν οι κυψέλες θήκης διαφορετικής χωρητικότητας να συνδεθούν παράλληλα;

Δεν συνιστάται για νέα συσκευασία παραγωγής. Τα κύτταρα θα πρέπει κανονικά να χρησιμοποιούν την ίδια εγκεκριμένη χημεία και μοντέλο και θα πρέπει να ταιριάζουν για χωρητικότητα, αντίσταση, τάση, SOC και συνθήκες γήρανσης.

Είναι η χρησιμοποιήσιμη kWh ίδια με την πινακίδα τύπου kWh;

Όχι. Η πινακίδα τύπου kWh υπολογίζεται από την ονομαστική τάση και χωρητικότητα. Η χρησιμοποιήσιμη ενέργεια εξαρτάται από το επιτρεπόμενο SOC και το παράθυρο τάσης, το ρεύμα, τη θερμοκρασία, τη γήρανση, τις ρυθμίσεις BMS και την απόδοση του συστήματος.

Πόσος χώρος διόγκωσης πρέπει να επιτρέπεται για ένα κελί θήκης;

Δεν υπάρχει καθολικό ποσοστό για κάθε κελί θήκης. Ο μηχανικός σχεδιασμός πρέπει να ακολουθεί τις απαιτήσεις προφόρτισης, ανοχής πάχους και διόγκωσης στο τέλος του κύκλου ζωής της επιλεγμένης κυψέλης. Η διαθέσιμη προδιαγραφή P70A υποδεικνύει συντελεστή διόγκωσης 6% και αρχική προφόρτιση 400–500 N.