Pussin solun energiatiheys selitettynä: Wh/kg, Wh/l, solu vs. pakkaus ja käyttöenergia

Energiatiheys on yksi ensimmäisistä teknisistä tiedoista, joita insinöörit tarkastelevat vertaillessaan litiumakkukennoja. Mutta luku, kuten 270Wh/kg tai 600Wh/l, ei kerro koko tarinaa.

Jotta voit valita oikean akun sähköautoon, energian varastointijärjestelmään, UAV:hen, robottiin tai teollisuusakkupakkaukseen, sinun on ymmärrettävä kolme eri kysymystä:

• Kuinka paljon energiaa solu varastoi painolleen?

• Kuinka paljon energiaa se varastoi tilavuuteensa?

• Kuinka paljon tästä energiasta jää käytettävissä sen jälkeen, kun kennot on integroitu täydelliseen akkupakkaukseen?

Nämä kysymykset vastaavat gravimetristä energiatiheyttä (Wh/kg), , tilavuusenergiatiheyttä (Wh/L) ja käytettävää pakkausenergiaa.

Tässä oppaassa kerrotaan, miten kukin mittari lasketaan, miksi solutason ja pakkaustason energiatiheys eroavat toisistaan ​​ja kuinka verrata suuria muotoja. litiumpussikennot todellisiin akkuprojekteihin.

1. Mitä akun energiatiheys tarkoittaa?

Akun energiatiheys kuvaa sitä, kuinka paljon sähköenergiaa voidaan varastoida tietyn painon tai tilan sisällä. Sitä ei pidä sekoittaa pelkkään akun kapasiteettiin.

Esimerkiksi 100 Ah:n kenno ei ole automaattisesti energiatiheämpi kuin 70Ah:n kenno. Suurempi solu voi yksinkertaisesti olla raskaampi tai fyysisesti suurempi.

Jotta eri kennoja voidaan verrata oikein, insinöörit yleensä arvioivat kennon energian wattitunteina ja yhdistävät sitten energian joko massaan tai tilavuuteen.

Nimellinen soluenergia: Wh

Ensimmäinen laskelma on yksinkertainen:

Havainnollistava 3,7 V 70 Ah litiumionikenno:

Kenno varastoi siis noin 259 Wh nimellisenergiaa. Tämä on lähtökohta laskettaessa sekä Wh/kg että Wh/L.

2. Mikä on gravimetrinen energiatiheys (Wh/kg)?

Gravimetrinen energiatiheys mittaa kuinka paljon energiaa akku varastoi suhteessa sen massaan. Se ilmaistaan ​​wattitunteina kilogrammaa kohti.

Oletetaan, että kuvaavassa kennossa on 259 Wh ja se painaa 0,95 kg:

Korkeampi Wh/kg-arvo tarkoittaa, että samalla akun painolla voidaan kuljettaa enemmän energiaa.

Tämä on erityisen tärkeää painoherkissä sovelluksissa, kuten:

• Sähköajoneuvot

• Sähkömoottoripyörät

• UAV:t ja droonit

• Robotiikka

• Laivojen propulsiojärjestelmät

• Kannettavat teollisuuslaitteet

Sähköautoissa akun massan vähentäminen voi parantaa kantamaa, hyötykuormakapasiteettia ja ajoneuvon tehokkuutta. UAV:lle jopa suhteellisen pieni muutos akun painossa voi vaikuttaa merkittävästi lentoaikaan ja hyötykuormaan.

3. Mikä on volumetrinen energiatiheys (Wh/L)?

Volumetrinen energiatiheys mittaa, kuinka paljon energiaa voidaan varastoida tietyssä fyysisessä tilavuudessa. Se ilmaistaan ​​wattitunteina litrassa.

Jos solun mitat ovat 400 mm × 100 mm × 14 mm, sen likimääräinen suorakaiteen muotoinen tilavuus on:

Jos samassa havainnollistavassa solussa on 259 Wh:

Wh/L tulee erityisen tärkeäksi, kun paristokotelolla on tiukka mittaraja. Järjestelmä voi sietää hieman raskaampaa akkua, mutta sillä ei silti ole ylimääräistä fyysistä tilaa.

Esimerkkejä ovat sähköajoneuvojen akkutelineet, moottoripyörät, robotit, automaattitrukit, kompaktit energian varastointikaapit ja erikoistuneet teollisuuslaitteet.

4. Wh/kg vs Wh/L: kumpi on tärkeämpää?

Kumpikaan mittari ei ole yleisesti tärkeämpi. Oikea prioriteetti riippuu sovelluksesta.

5. Miksi pussisolut voivat saavuttaa korkean energiatiheyden?

Litiumpussikennossa käytetään laminoitua joustavaa pakkausta mieluummin kuin lieriömäisten ja monien prismaattisten kennojen käyttämää jäykkää metallia. Tämä voi vähentää inaktiivista pakkausmassaa ja antaa akkujen valmistajille enemmän vapautta suunnitella kennon leveyttä, pituutta ja paksuutta.

Litteä muoto voi myös auttaa akkusuunnittelijoita käyttämään käytettävissä olevaa tilaa tehokkaasti, koska kennot voidaan järjestää suhteellisen pieniin pinoihin.

On kuitenkin tärkeää olla olettamatta, että jokaisella pussikennolla on automaattisesti suurempi energiatiheys kuin jokaisella lieriömäisellä tai prismaattisella kennolla.

Todellinen suorituskyky riippuu:

• Solukemia

• Elektrodin koostumus

• Solun kapasiteetti

• Pakkaussuunnittelu

• Vaadittu tyhjennysnopeus

• Turvamarginaalit

• Elinikätavoitteet

• Käyttölämpötila

• Valmistusprosessi

Solun muoto on vain yksi osa energiatiheysyhtälöstä.

Asiakkaille, jotka vertailevat korkean energian litiumionivaihtoehtoja, Misen tarjoaa valikoiman NCM pussisolut sähköajoneuvoihin, liikkuvuuteen, robotiikkaan ja teollisuusakkusovelluksiin.

6. Kemialla on yhtä paljon merkitystä kuin solumuodolla

Kahdella lähes identtisellä mitoiltaan olevalla pussikennosta voi olla hyvin erilainen energiatiheys, tehokapasiteetti, syklin käyttöikä ja lämpökäyttäytyminen. Syynä on, että sisäinen kemia ja solujen suunnittelu ovat erilaisia.

Tästä syystä akun valitseminen vain korkeimman Wh/kg-luvun perusteella voi johtaa väärään tulokseen. Paras solu on se, joka täyttää koko järjestelmävaatimuksen.

7. Solun energiatiheys ei ole pakkausenergiatiheys

Tämä on yksi akun suunnittelun tärkeimmistä käsitteistä.

Valmistajan soluspesifikaatiossa kuvataan tavallisesti paljas solu . Valmis akkupaketti sisältää monia lisäosia, jotka eivät varastoi sähköenergiaa, mutta ovat välttämättömiä turvallisen ja luotettavan toiminnan kannalta.

Jokainen lisäkomponentti lisää massaa ja tilavuutta lisäämättä soluenergiaa. Tämän seurauksena pakkaustason Wh/kg ja Wh/L ovat aina pienempiä kuin vastaavat paljaskennoluvut samalla energiaperusteella mitattuna.

8. Yksinkertainen energiatiheyden esimerkki solusta pakkaukseen

Harkitse yksinkertaistettua akkua, jossa on 20 kennoa. Oletetaan, että jokaisessa solussa on:

• 250 Wh nimellisenergiaa

• Paino 0,95kg

• 0,55 litran kennotilavuus

Solut yhdessä tarjoavat:

Vain solutasolla:

Oletetaan nyt, että valmis pakkaus vaatii vielä 7 kg ja 5 litraa koteloonsa, BMS:ään, sähköliitäntöihin, rakennekomponentteihin ja lämmönhallintaan.

Valmiin akun tilavuus on noin:

• 26kg kokonaismassa

• Kokonaistilavuus 16l

• 5 kWh nimellisenergiaa

Pakkaustason nimellinen energiatiheys on siis noin:

Solut eivät ole muuttuneet. Ero johtuu kokonaan käyttökelpoisen akkujärjestelmän luomiseen tarvittavista komponenteista.

Huomautus: Tämä on vain havainnollistava laskelma. Todellinen akun arkkitehtuuri, yläraja ja käytettävä energia vaihtelevat merkittävästi sovelluksen ja suunnittelun mukaan.

9. Mikä vähentää pakkaustason energiatiheyttä?

Useat tarvittavat järjestelmäkomponentit vähentävät lopullista pakkaustasoa Wh/kg ja Wh/L.

Akun hallintajärjestelmä

BMS valvoo kennojännitettä, lämpötilaa, virtaa ja lataustilaa samalla kun ohjaa akun suojaustoimintoja. Elektroniikka, anturijohdot ja niihin liittyvät laitteistot lisäävät massaa ja vaativat fyysistä tilaa.

Kiskot, kontaktorit ja sulakkeet

Suurvirtaakkujärjestelmät vaativat oikeankokoiset sähköjohtimet ja suojalaitteet. Mitä suurempi käyttövirta, sitä tärkeämmäksi sähkövastus, johtimen poikkileikkaus ja lämmöntuotanto ovat.

Solujen pakkaus ja mekaaninen tuki

Pussikennot käyttävät joustavaa laminoitua pakkausta ja vaativat siksi normaalisti suunnitellun tukirakenteen. Moduulin on suojattava kennoa liialliselta taipumiselta, tärinältä ja mekaanisilta vaurioilta säilyttäen samalla kennon sopiva asento ja puristus.

Lämmönhallinta

Tehokkaat tai korkean energian akkujärjestelmät voivat vaatia jäähdytyslevyjä, lämpörajapintamateriaaleja, ilmakanavia tai muita lämmönhallintakomponentteja. Nämä komponentit vievät sekä painon että tilavuuden.

Kotelo ja ympäristönsuojelu

Täydellinen akku saattaa tarvita suojaa iskuilta, tärinältä, pölyltä, kosteudelta ja ulkoisilta sähköisiltä vaaroilta. Kotelo voi edustaa merkittävää osaa valmiin järjestelmän painosta.

10. Nimellisenergia vs. käytettävä akun energia

Toinen yleinen virhe on akun nimellisenergian ja käyttöenergian käsitteleminen samana lukuna.

100 kWh:n pakkaus ei välttämättä tuota 100 kWh energiaa normaalikäytössä. BMS voi varata energiaa lataustilan ylä- ja alaosaan akun suojaamiseksi ja vaaditun käyttöiän ylläpitämiseksi.

Käyttökelpoinen energia voidaan alustavassa suunnittelussa arvioida seuraavasti:

Jos esimerkiksi 100 kWh:n akkua käytetään 80 %:n käyttökelpoisen SOC-ikkunan aikana:

Tämä on yksinkertaistettu tekninen arvio. Todellinen toimitettu energia riippuu myös kennon jännitteen käyttäytymisestä, lämpötilasta, virrasta, ikääntymisestä, BMS-rajoista ja järjestelmän tehokkuudesta.

11. Pakkauksen nimellisenergia vs. käyttöpakkauksen energiatiheys

Palatakseni edelliseen 5 kWh:n akkuesimerkkiin, oletetaan, että BMS sallii noin 80 %:n käyttöenergiaikkunan.

Yksinkertaistettu käyttöenergia tulee:

Täydellisen 26 kg, 16 litran akun käyttäminen:

Tämä esimerkki osoittaa, miksi kolmea numeroa ei pidä sekoittaa:

• Paljassolujen energiatiheys

• Valmiin pakkauksen nimellinen energiatiheys

• Käyttökelpoinen valmiin pakkauksen energiatiheys

He vastaavat erilaisiin teknisiin kysymyksiin.

12. Energiatiheys ei ole tehotiheys

Suurienerginen kenno ei ole automaattisesti suuritehoinen kenno.

Energiatiheys kertoo kuinka paljon energiaa voidaan varastoida. Tehokyky kuvaa, kuinka nopeasti energia voidaan toimittaa tai vastaanottaa.

Esimerkiksi kahdella 70 Ah:n pussikennolla voi olla samanlaiset Wh/kg-arvot, mutta hyvin erilaiset:

• Jatkuva purkausvirta

• Huippupurkausvirta

• Pikalatausmahdollisuus

• Sisäinen vastus

• Lämmöntuotanto

UAV, suorituskykyinen sähköauto tai suuritehoinen merijärjestelmä saattaa siksi vaatia hieman alhaisemman energiatiheyden kennon, jos se tarjoaa paljon vahvemman purkauskyvyn.

Tästä syystä kennojen valinnassa tulisi verrata energiaa, tehoa, käyttöikää, mittoja ja lämpötehokkuutta yhdessä.

13. Suurikokoiset pussisolut ja pakkaussuunnittelu

Suurikokoiset pussikennot voivat yksinkertaistaa joitain akkuarkkitehtuureja, koska jokainen kenno varastoi enemmän energiaa kuin pieni sylinterimäinen kenno. Tämä voi vähentää rinnakkaisten kennojen ja sähköliitäntäpisteiden määrää, jotka vaaditaan paketin tavoitekapasiteetin saavuttamiseksi.

Suuremmat solut vaativat kuitenkin myös huolellista harkintaa:

• Lämmön jakautuminen solun pinnalla

• Kielekkeen lämpötila ja liitäntävastus

• Mekaaninen tuki

• Solujen pakkaus

• Solun konsistenssi

• Huollettavuus

• Epäonnistumisen estäminen

Vähemmän kennoja ei automaattisesti tarkoita parempaa akkua. Oikea kennokoko riippuu koko järjestelmän sähköisestä ja mekaanisesta arkkitehtuurista.

Misen toimittaa useita suurikokoisia pussisoluvaihtoehtoja sen sijaan, että rajoittaisi asiakkaita yhteen kapasiteettiin. Esimerkkejä ovat mm P70A 70Ah pussikenno,119Ah NMC pussikenno jaK103 103Ah NMC pussikenno.

14. Pussin solujen energiatiheyden vertailu oikein

Tietolehtien vertailut voivat olla harhaanjohtavia, jos mittaukset eivät perustu samoihin olosuhteisiin. Ennen kuin asetat kaksi solua paremmuusjärjestykseen Wh/kg tai Wh/L, tarkista tarkasti, mitä kukin arvo edustaa.

Jos haluat merkityksellisen vertailun, vahvista:

• Nimellisjännite: Onko käytössä sama jännitemääritelmä?

• Kapasiteetti: Millä purkausnopeudella ja lämpötilalla kapasiteetti mitattiin?

• Solun paino: Sisältääkö se kielekkeitä, eristystä tai lisälaitteita?

• Mitat: Ovatko välilehdet mukana vai pois?

• Paksuus: Millä SOC:lla ja mekaanisella paineella paksuus mitattiin?

• Energian laskeminen: Lasketaanko energia käyttämällä nimellisarvoa V × Ah vai mitataanko integroimalla purkauskäyrä?

• Lämpötila: Testattiinko solut vertailukelpoisissa olosuhteissa?

• Solun kunto: Ovatko molemmat kennot uusia ja vastaavista tuotantoeristä?

Ilman johdonmukaista mittausrajaa kahden mainostetun energiatiheysluvun vertailu voi helposti tuottaa väärän johtopäätöksen.

15. Tarkoittaako korkein energiatiheys parasta akkua?

Ei.

Energiatiheys on vain yksi suunnittelumuuttuja. Kenno, jonka Wh/kg on erittäin korkea, ei ehkä ole paras vaihtoehto, jos projektisi vaatii:

• Erittäin korkea jatkuva virta

• Korkea huipputeho

• Erittäin pitkä syklin käyttöikä

• Nopea lataus

• Toiminta matalassa lämpötilassa

• Tietty solun paksuus tai jalanjälki

• Pienemmät järjestelmäkustannukset

• Erilaiset turvallisuus- tai sertifiointivaatimukset

Akun valinta on siksi usean muuttujan optimointiongelma pikemminkin kuin kilpailu korkeimmasta määritysmäärästä.

16. Oikean pussisolun valitseminen sovelluksellesi

Ennen kuin valitset kennon, määritä koko akkujärjestelmän vaatimukset.

Jos vertaat kennoja sähköautoon tai muuhun korkean energian käyttöön, voit myös tutustua MiseninEV-akkumoduuliratkaisut.

17. Solutason optimointi vs. järjestelmätason optimointi

Kenno, jolla on paras tietolehtinumero, ei välttämättä tuota parasta täydellistä akkua.

Hieman raskaampi kenno voi yksinkertaistaa jäähdytystä. Suurempi kenno voi vähentää kiskon ja liitännän monimutkaisuutta. Vähäenergiaisempi kemia voi tarjota pidemmän käyttöiän. Ohuempi solu voi mahdollistaa paljon paremman moduuliasettelun.

Siksi ammattimaisen akun suunnittelun tulisi optimoida koko järjestelmä , ei vain paljas kenno.

Projekteihin, jotka vaativat BMS-valintaa, kennojen sovittamista, moduulirakennetta, virtakiskosuunnittelua tai räätälöityä akkukehitystä, Misen tarjoaa myösOEM- ja ODM-akkujen suunnittelutuki.

Usein kysytyt kysymykset

Mikä on hyvä Wh/kg pussikennolle?

Ei ole olemassa yhtä Wh/kg-arvoa, joka määrittelee hyvän pussikennon. Sopiva tavoite riippuu kemiasta, purkausvaatimuksesta, syklin kestosta, lämpötilasta, turvallisuussuunnittelusta ja sovelluksesta. Soluja on verrattava vastaavissa testiolosuhteissa.

Mitä eroa on Wh/kg:n ja Wh/L:n välillä?

Wh/kg mittaa energiaa suhteessa painoon, kun taas Wh/L mittaa energiaa suhteessa fyysiseen tilavuuteen. Wh/kg on erityisen tärkeä painoherkissä järjestelmissä, kun taas Wh/L on kriittinen, kun käytettävissä oleva akkutila on rajallinen.

Kuinka lasken pussisolun energiatiheyden?

Laske ensin kennon nimellisenergia käyttämällä jännite × kapasiteetti. Jaa tämä energia solun painolla kilogrammoina (Wh/kg) tai jaa se solun tilavuudella litroina (Wh/L).

Miksi akun energiatiheys on pienempi kuin solun energiatiheys?

Valmis pakkaus sisältää komponentteja, kuten BMS:n, kotelon, virtakiskot, johdot, jäähdytysrakenteen, eristyksen, puristusjärjestelmän ja suojalaitteet. Ne lisäävät pakkauksen painoa ja tilavuutta lisäämättä solun energiaa.

Onko pussikenno aina energiatiheämpi kuin sylinterimäinen kenno?

Ei. Pussipakkaus voi vähentää inaktiivista pakkausmassaa ja tarjota joustavia mittoja, mutta todellinen energiatiheys riippuu kennon täydellisestä suunnittelusta ja kemiasta. Yksittäisiä solumalleja tulisi verrata suoraan sen sijaan, että oletetaan, että yksi muoto on aina parempi.

Tarkoittaako suurempi energiatiheys suurempaa purkausvirtaa?

Ei välttämättä. Energiatiheys ja tehokapasiteetti ovat eri määritelmiä. Suurienerginen kenno voidaan optimoida ajon aikana äärimmäisen suuren virran sijaan. Tarkista aina jatkuva virta, huippuvirta, sisäinen vastus ja lämpörajat erikseen.

Mikä on käyttökelpoinen akkuenergia?

Käytettävä energia on nimellisenergian määrä, jonka akkujärjestelmä sallii sovelluksen käyttää normaalin toiminnan aikana. BMS-jänniterajat, SOC-rajat, lämpötila, vanheneminen ja järjestelmän tehokkuus voivat kaikki vaikuttaa todelliseen käyttöenergiaan.

Johtopäätös

Pussisolujen energiatiheyttä ei voida arvioida yhdestä numerosta.

Wh/kg kertoo kuinka tehokkaasti kenno varastoi energiaa painon mukaan, kun taas Wh/L kertoo kuinka tehokkaasti se käyttää tilaa. Kumpikaan arvo ei kuitenkaan edusta suoraan valmiin akun suorituskykyä.

Kun kennot on integroitu rakennetuilla, virtakisoilla, BMS-elektroniikan, lämmönhallinnan ja suojakotelon kanssa, pakkaustason energiatiheys pienenee. Päivittäisessä käytössä käytettävissä oleva käyttöenergia voi olla jälleen pienempi SOC-rajojen ja muiden järjestelmärajoitusten vuoksi.

EV-, ESS-, UAV-, robotiikka- ja teollisuusakkuprojekteissa paras lähestymistapa on siksi arvioida:

• Wh/kg

• Wh/L

• Jatkuva ja huippuvirta

• Pyörän elämä

• Solun mitat

• Lämpötila-alue

• Pakkauksen integrointivaatimukset

• Järjestelmän käytettävissä oleva kokonaisenergia

Voit selata Misenin koko valikoimaasuurikokoisia pussisoluja tai ota yhteyttä tiimiimme kennojen valintaa ja akun suunnittelutukea varten.