Kotti raku energiatihedus selgitatud: Wh/kg, Wh/L, element vs pakk ja kasutatav energia

Energiatihedus on üks esimesi spetsifikatsioone, mida insenerid liitiumakuelementide võrdlemisel vaatavad. Kuid selline arv nagu 270Wh/kg või 600Wh/L ei räägi kogu lugu.

Elektrisõiduki, energiasalvestussüsteemi, UAV, roboti või tööstusliku akupaki jaoks õige aku valimiseks peate mõistma kolme erinevat küsimust:

• Kui palju energiat rakk oma kaalu jaoks salvestab?

• Kui palju energiat see oma jaoks salvestab mahu ?

• Kui palju sellest energiast jääb pärast elementide integreerimist terviklikku akukomplekti?

Need küsimused vastavad gravimeetrilisele energiatihedusele (Wh/kg), , mahulisele energiatihedusele (Wh/L) ja kasutatavale pakienergiale.

Selles juhendis selgitatakse, kuidas iga mõõdikuid arvutatakse, miks raku ja paketi taseme energiatihedus erinevad ning kuidas võrrelda suureformaadilisi andmeid. liitiumkotielemendid tõeliste akuprojektide jaoks.

1. Mida tähendab aku energiatihedus?

Aku energiatihedus kirjeldab, kui palju elektrienergiat saab teatud kaalu- või ruumikoguses salvestada. Seda ei tohiks segi ajada ainult aku mahutavusega.

Näiteks 100Ah element ei ole automaatselt energiatihedam kui 70Ah element. Suurem rakk võib olla lihtsalt raskem või füüsiliselt suurem.

Erinevate elementide korrektseks võrdlemiseks hindavad insenerid tavaliselt elemendi energiat vatt-tundides ja seostavad selle energia massi või mahuga.

Raku nimienergia: Wh

Esimene arvutus on lihtne:

Illustreeriva 3,7 V 70 Ah liitiumioonelemendi jaoks:

Seetõttu salvestab element ligikaudu 259 Wh nominaalenergiat. See on nii Wh/kg kui ka Wh/L arvutamise lähtepunkt.

2. Mis on gravimeetriline energiatihedus (Wh/kg)?

Gravimeetriline energiatihedus mõõdab, kui palju energiat aku oma massi suhtes talletab. Seda väljendatakse vatt-tundides kilogrammi kohta.

Oletame, et näitlik element salvestab 259 Wh ja kaalub 0,95 kg:

Kõrgem Wh/kg väärtus tähendab, et sama kaaluga aku saab kanda rohkem energiat.

See on eriti oluline kaalutundlike rakenduste puhul, näiteks:

• Elektrisõidukid

• Elektrilised mootorrattad

• UAV-d ja droonid

• Robootika

• Laeva tõukejõusüsteemid

• Kaasaskantavad tööstusseadmed

Elektrisõidukite puhul võib aku massi vähendamine aidata suurendada sõiduulatust, kandevõimet ja sõiduki tõhusust. UAV puhul võib isegi suhteliselt väike muutus aku kaalus oluliselt mõjutada lennuaega ja kasulikku koormust.

3. Mis on mahuline energiatihedus (Wh/L)?

Mahuline energiatihedus mõõdab, kui palju energiat saab antud füüsilises mahus salvestada. Seda väljendatakse vatt-tundides liitri kohta.

Kui lahtri mõõtmed on 400 mm × 100 mm × 14 mm, on selle ligikaudne ristkülikukujuline maht:

Kui sama illustreeriv lahter salvestab 259 Wh:

Wh/L muutub eriti oluliseks siis, kui akuruumil on range mõõtmete piirang. Süsteem võib taluda veidi raskemat akut, kuid sellel pole siiski täiendavat füüsilist ruumi.

Näited hõlmavad elektrisõidukite akualuseid, mootorrattaid, roboteid, AGV-sid, kompaktseid energiasalvestuskappe ja spetsiaalseid tööstusseadmeid.

4. Wh/kg vs Wh/L: kumb on tähtsam?

Kumbki mõõdik pole üldiselt olulisem. Õige prioriteet sõltub rakendusest.

5. Miks võivad kotirakud saavutada suure energiatiheduse?

Liitiumkotielemendis kasutatakse lamineeritud painduvat pakendit, mitte jäika metalli, mida kasutavad silindrilised ja paljud prismaelemendid. See võib vähendada osa mitteaktiivse pakendi massi ja annab akutootjatele rohkem vabadust elemendi laiuse, pikkuse ja paksuse kujundamisel.

Lame kuju võib aidata ka akudisaineritel olemasolevat ruumi tõhusalt kasutada, kuna rakke saab paigutada suhteliselt kompaktsetesse virnadesse.

Siiski on oluline mitte eeldada, et igal kotielemendil on automaatselt suurem energiatihedus kui igal silindrilisel või prismaatilisel rakul..

Tegelik jõudlus sõltub:

• Raku keemia

• Elektroodi koostis

• Rakkude mahutavus

• Pakendi disain

• Nõutav tühjenduskiirus

• Ohutusmarginaalid

• Tsükli eluea eesmärgid

• Töötemperatuur

• Tootmisprotsess

Lahtri formaat on vaid üks osa energiatiheduse võrrandist.

Klientidele, kes võrdlevad suure energiatarbega liitiumioonvalikuid, pakub Misen erinevaid võimalusi NCM kottelemendid elektrisõidukite, mobiilsuse, robootika ja tööstuslike akude rakenduste jaoks.

6. Keemia on sama oluline kui rakuvorming

Kahel peaaegu identsete mõõtmetega kottielemendil võib olla väga erinev energiatihedus, võimsus, tsükli eluiga ja termiline käitumine. Põhjus on selles, et sisemine keemia ja raku disain on erinevad.

Seetõttu võib aku valimine ainult kõrgeima Wh/kg arvu järgi viia vale tulemuseni. Parim rakk on see, mis vastab kogu süsteemi nõudele.

7. Rakkude energiatihedus ei ole pakendi energiatihedus

See on aku disaini üks olulisemaid kontseptsioone.

Tootja lahtri spetsifikatsioon kirjeldab tavaliselt tühja lahtrit . Valmis akupakett sisaldab palju lisakomponente, mis ei salvesta elektrienergiat, kuid on vajalikud ohutuks ja usaldusväärseks tööks.

Iga lisakomponent lisab massi ja mahtu ilma rakuenergiat lisamata. Selle tulemusel on pakenditaseme Wh/kg ja Wh/L alati madalamad kui vastavad tühjad elemendid, mõõdetuna samal energiapõhisel alusel.

8. Lihtne elemendist pakendini energiatiheduse näide

Kaaluge lihtsustatud akut, mis kasutab 20 elementi. Oletame, et igal lahtril on:

• 250Wh nimienergiat

• kaal 0,95 kg

• 0,55 l raku maht

Rakud koos annavad:

Ainult raku tasandil:

Oletagem nüüd, et valmispakk vajab ümbrise, BMSi, elektriühenduste, konstruktsioonikomponentide ja soojusjuhtimise jaoks täiendavalt 7 kg ja 5 liitrit.

Valmis aku on ligikaudu:

• 26kg kogumass

• Kogumaht 16L

• 5 kWh nimienergiat

Pakendi taseme nominaalne energiatihedus on seega ligikaudu:

Rakud pole muutunud. Erinevus tuleneb täielikult kasutatava akusüsteemi loomiseks vajalikest komponentidest.

Märkus. See on ainult illustratiivne arvutus. Tegelik akuarhitektuur, üldkulud ja kasutatav energia varieeruvad olenevalt rakendusest ja disainist oluliselt.

9. Mis vähendab pakenditaseme energiatihedust?

Mitmed vajalikud süsteemikomponendid vähendavad lõplikku pakenditaset Wh/kg ja Wh/L.

Akuhaldussüsteem

BMS jälgib elemendi pinget, temperatuuri, voolu ja laetuse olekut, kontrollides samal ajal aku kaitsefunktsioone. Elektroonika, andurjuhtmed ja nendega seotud riistvara lisavad massi ja nõuavad füüsilist ruumi.

Siinid, kontaktorid ja kaitsmed

Tugeva vooluga akusüsteemid nõuavad õige suurusega elektrijuhte ja kaitseseadmeid. Mida suurem on töövool, seda olulisemaks muutub elektritakistus, juhi ristlõige ja soojuse teke.

Rakkude kokkusurumine ja mehaaniline tugi

Kotielemendid kasutavad painduvat lamineeritud pakendit ja vajavad seetõttu tavaliselt projekteeritud tugistruktuuri. Moodul peab kaitsma elementi liigse painde, vibratsiooni ja mehaaniliste kahjustuste eest, säilitades samal ajal elemendi sobiva asetuse ja kokkusurumise.

Soojusjuhtimine

Suure võimsusega või suure energiatarbega akusüsteemid võivad vajada jahutusplaate, termilise liidese materjale, õhukanaleid või muid soojusjuhtimise komponente. Need komponendid võtavad enda alla nii kaalu kui ka mahu.

Korpus ja keskkonnakaitse

Täielik aku võib vajada kaitset löökide, vibratsiooni, tolmu, niiskuse ja väliste elektriohtude eest. Korpus võib moodustada olulise osa valmis süsteemi kaalust.

10. Nominaalne energia vs kasutatav akuenergia

Teine levinud viga on aku nimienergia ja kasutatava energia käsitlemine sama arvuna.

100 kWh võimsusega pakett ei pruugi normaalse töö ajal pakkuda 100 kWh energiat. BMS võib aku kaitsmiseks ja nõutava kasutusea toetamiseks varustada energiat laetuse vahemiku ülemises ja alumises osas.

Eelplaneerimisel võib kasutatavat energiat hinnata järgmiselt:

Näiteks kui 100 kWh aku töötab üle 80% kasutatava SOC akna:

See on lihtsustatud tehniline hinnang. Tegelik tarnitud energia sõltub ka elemendi pinge käitumisest, temperatuurist, voolust, vananemisest, BMS-i piiridest ja süsteemi tõhususest.

11. Paki nominaalne energia vs kasutatav paki energiatihedus

Eelmise 5 kWh aku näite juurde naastes oletame, et BMS võimaldab ligikaudu 80% kasutatavast energiast.

Lihtsustatud kasutatav energia muutub:

Kasutades kogu 26 kg, 16 l akut:

See näide näitab, miks kolme numbrit ei tohiks segi ajada:

• Paljasrakkude energiatihedus

• Valmis paki nominaalne energiatihedus

• Kasutatav valmispakendi energiatihedus

Nad vastavad erinevatele inseneriküsimustele.

12. Energiatihedus ei ole võimsustihedus

Suure energiatarbega element ei ole automaatselt suure võimsusega element.

Energiatihedus näitab, kui palju energiat saab salvestada. Toitevõime kirjeldab, kui kiiresti saab seda energiat tarnida või vastu võtta.

Näiteks võivad kahel 70Ah kottielemendil olla sarnased Wh/kg väärtused, kuid väga erinevad:

• Pidev tühjendusvool

• Tipplahendusvool

• Kiirlaadimise võimalus

• Sisemine takistus

• Soojuse genereerimine

UAV, jõudluselektroonika või suure võimsusega laevasüsteem võib seetõttu vajada veidi väiksema energiatihedusega elementi, kui see tagab palju tugevama tühjendusvõime.

Seetõttu tuleks elementide valikul võrrelda energiat, võimsust, tsükli eluiga, mõõtmeid ja soojuslikku jõudlust.

13. Suureformaadilised kotielemendid ja pakendi disain

Suureformaadilised kottielemendid võivad mõningaid akuarhitektuure lihtsustada, kuna iga element salvestab rohkem energiat kui väike silindriline element. See võib vähendada paketi sihtvõimsuse saavutamiseks vajalike paralleelsete elementide ja elektriühenduspunktide arvu.

Kuid suuremad rakud nõuavad ka hoolikat kaalumist:

• Soojuse jaotus raku pinnal

• Taki temperatuur ja ühenduse takistus

• Mehaaniline tugi

• Rakkude kokkusurumine

• Rakkude konsistents

• Hoolduskõlblikkus

• Rikke ohjeldamine

Vähem elemente ei tähenda automaatselt paremat akut. Õige raku suurus sõltub kogu süsteemi elektrilisest ja mehaanilisest arhitektuurist.

Misen pakub mitut suureformaadilist kottelementi, selle asemel, et piirata kliente ühe võimsusega. Näited hõlmavad P70A 70Ah kottelement,119Ah NMC kottelement jaK103 103Ah NMC kottelement.

14. Kuidas võrrelda kotirakkude energiatihedust õigesti

Andmelehtede võrdlused võivad olla eksitavad, kui mõõtmised ei põhine samadel tingimustel. Enne kahe lahtri järjestamist Wh/kg või Wh/L järgi kontrollige täpselt, mida iga väärtus tähistab.

Mõtteka võrdluse jaoks kinnitage:

• Nimipinge: kas kasutatakse sama pinge määratlust?

• Võimsus: millise tühjenduskiiruse ja temperatuuri juures mõõdeti mahtuvust?

• Rakkude kaal: kas see sisaldab sakke, isolatsiooni või täiendavat riistvara?

• Mõõtmed: kas vahelehed on kaasatud või välistatud?

• Paksus: millise SOC ja mehaanilise rõhu juures paksust mõõdeti?

• Energia arvutamine: kas energia arvutamisel kasutatakse nimiväärtust V × Ah või mõõdetakse tühjenduskõvera integreerimise teel?

• Temperatuur: kas rakke testiti võrreldavates tingimustes?

• Lahtri seisund: kas mõlemad rakud on uued ja võrreldavad tootmispartiid?

Ilma järjepideva mõõtmispiirita võib kahe reklaamitud energiatiheduse numbri võrdlemine kergesti anda vale järelduse.

15. Kas kõrgeim energiatihedus tähendab parimat akut?

Ei.

Energiatihedus on ainult üks disainimuutuja. Väga kõrge Wh/kg näitajaga rakk ei pruugi olla parim valik, kui teie projekt nõuab:

• Väga suur pidev vool

• Kõrge tippvõimsus

• Äärmiselt pikk tsükli eluiga

• Kiire laadimine

• Töötamine madalal temperatuuril

• Konkreetne lahtri paksus või jalajälg

• Madalam süsteemi maksumus

• Erinevad ohutus- või sertifitseerimisnõuded

Aku valimine on seega pigem mitme muutujaga optimeerimisprobleem, mitte võistlemine kõrgeima spetsifikatsiooninumbri pärast.

16. Rakenduse jaoks õige kotielemendi valimine

Enne elemendi valimist määratlege kogu akusüsteemi nõuded.

Kui võrdlete elemente EV või mõne muu suure energiatarbega rakenduse jaoks, võite uurida ka MiseniEV akumoodulite lahendused.

17. Rakkude tasemel optimeerimine vs süsteemitaseme optimeerimine

Parima andmelehe numbriga element ei pruugi toota parimat täielikku akut.

Veidi raskem element võib jahutamist lihtsustada. Suurem rakk võib vähendada siini ja ühenduse keerukust. Madalama energiatarbega keemia võib pakkuda pikemat kasutusiga. Õhem lahter võib võimaldada palju paremat mooduli paigutust.

Seetõttu peaks aku professionaalne disain optimeerima kogu süsteemi , mitte ainult tühja elementi.

Projektide jaoks, mis nõuavad BMS-i valikut, rakkude sobitamist, mooduli struktuuri, siini planeerimist või kohandatud akuploki arendust, pakub Misen kaOEM- ja ODM-aku inseneri tugi.

Korduma kippuvad küsimused

Milline on hea Wh/kg kottelemendi jaoks?

Ei ole ühtegi Wh/kg väärtust, mis määratleks hea kottelemendi. Sobiv sihtmärk sõltub keemiast, tühjendusnõudest, tsükli kestusest, temperatuurist, ohutuskonstruktsioonist ja rakendusest. Rakke tuleks võrrelda samaväärsetes katsetingimustes.

Mis vahe on Wh/kg ja Wh/L vahel?

Wh/kg mõõdab energiat kaalu suhtes, Wh/L aga energiat füüsilise mahu suhtes. Wh/kg on eriti oluline kaalutundlike süsteemide puhul, samas kui Wh/L muutub kriitiliseks, kui saadaolev akuruum on piiratud.

Kuidas arvutada kottrakkude energiatihedust?

Kõigepealt arvutage elemendi nimienergia, kasutades pinge × võimsust. Jagage see energia raku massi järgi kilogrammides Wh/kg kohta või jagage see elemendi mahuga liitrites Wh/L jaoks.

Miks on aku energiatihedus madalam kui elemendi energiatihedus?

Valmis pakend sisaldab selliseid komponente nagu BMS, korpus, siinid, juhtmestik, jahutuskonstruktsioon, isolatsioon, survesüsteem ja kaitseseadmed. Need suurendavad pakendi kaalu ja mahtu ilma raku energiat suurendamata.

Kas kottelement on alati energiatihedam kui silindriline rakk?

Ei. Kotipakend võib vähendada mitteaktiivse pakendi massi ja pakkuda paindlikke mõõtmeid, kuid tegelik energiatihedus sõltub raku täielikust disainist ja keemiast. Üksikuid lahtrimudeleid tuleks võrrelda otse, mitte eeldada, et üks vorming on alati parem.

Kas suurem energiatihedus tähendab suuremat tühjendusvoolu?

Mitte tingimata. Energiatihedus ja võimsus on erinevad spetsifikatsioonid. Kõrge energiatarbega elementi võib optimeerida pigem tööaja kui ülikõrge voolu jaoks. Kontrollige alati eraldi pidevvoolu, tippvoolu, sisetakistust ja soojuspiiranguid.

Mis on kasutatav akuenergia?

Kasutatav energia on nominaalenergia hulk, millele akusüsteem võimaldab rakendusel tavapärase töö ajal juurde pääseda. BMS-i pingepiirangud, SOC-piirangud, temperatuur, vananemine ja süsteemi tõhusus võivad kõik mõjutada tegelikku kasutatavat energiat.

Järeldus

Kotirakkude energiatihedust ei saa hinnata ühe arvu järgi.

Wh/kg näitab teile, kui tõhusalt element energiat kaalu järgi salvestab, Wh/L aga , kui tõhusalt see ruumi kasutab. Kuid kumbki väärtus ei näita otseselt valmis aku jõudlust.

Kui elemendid on integreeritud struktuurse toe, siinide, BMS-elektroonika, soojusjuhtimise ja kaitseümbrisega, väheneb paketi tasemel energiatihedus. SOC piirangute ja muude süsteemipiirangute tõttu võib igapäevases töös saadaolev kasutatav energia olla taas väiksem.

EV, ESS, UAV, robootika ja tööstusakude projektide puhul on parim lähenemisviis seega hinnata:

• Wh/kg

• Wh/L

• Pidev ja tippvool

• Tsükli eluiga

• Lahtri mõõtmed

• Temperatuurivahemik

• Pakkide integreerimise nõuded

• Kogu kasutatav süsteemienergia

Saate sirvida Miseni kogu valikutsuureformaadilised kottelemendid või võtke ühendust meie meeskonnaga, et saada elementide valiku ja akupaki inseneriabi.