Pouch Cell Energy Density Ipinaliwanag: Wh/kg, Wh/L, Cell vs Pack at Nagagamit na Enerhiya

Ang density ng enerhiya ay isa sa mga unang pagtutukoy na tinitingnan ng mga inhinyero kapag inihahambing ang mga cell ng baterya ng lithium. Ngunit ang isang numero tulad ng 270Wh/kg o 600Wh/L ay hindi nagsasabi ng buong kuwento.

Para piliin ang tamang baterya para sa isang EV, energy storage system, UAV, robot o pang-industriya na baterya pack, kailangan mong maunawaan ang tatlong magkakaibang tanong:

• Gaano karaming enerhiya ang iniimbak ng cell para sa timbang nito?

• Gaano karaming enerhiya ang iniimbak nito para sa dami nito?

• Gaano karami sa enerhiyang iyon ang nananatiling magagamit pagkatapos maisama ang mga cell sa isang kumpletong pack ng baterya?

Ang mga tanong na ito ay tumutugma sa gravimetric energy density (Wh/kg) , volumetric energy density (Wh/L) at magagamit na pack energy.

Ipinapaliwanag ng gabay na ito kung paano kinakalkula ang bawat sukatan, kung bakit magkaiba ang density ng enerhiya sa antas ng cell at antas ng pack, at kung paano ihambing ang malaking format. lithium pouch cell para sa mga totoong proyekto ng baterya.

1. Ano ang Kahulugan ng Densidad ng Enerhiya ng Baterya?

Ang density ng enerhiya ng baterya ay naglalarawan kung gaano karaming elektrikal na enerhiya ang maaaring maimbak sa loob ng isang tiyak na halaga ng timbang o espasyo. Hindi ito dapat malito sa kapasidad ng baterya lamang.

Halimbawa, ang 100Ah cell ay hindi awtomatikong mas siksik sa enerhiya kaysa sa isang 70Ah cell. Ang mas malaking cell ay maaaring mas mabigat o pisikal na mas malaki.

Upang maihambing nang tama ang iba't ibang mga cell, karaniwang sinusuri ng mga inhinyero ang enerhiya ng cell sa watt-hours at pagkatapos ay iniuugnay ang enerhiya na iyon sa alinman sa masa o volume.

Nominal Cell Energy: Wh

Ang unang pagkalkula ay diretso:

Para sa isang mapaglarawang 3.7V 70Ah lithium-ion cell:

Ang cell samakatuwid ay nag-iimbak ng humigit-kumulang 259Wh ng nominal na enerhiya. Ito ang panimulang punto para sa pagkalkula ng parehong Wh/kg at Wh/L.

2. Ano ang Gravimetric Energy Density (Wh/kg)?

Sinusukat ng gravimetric energy density kung gaano karaming enerhiya ang naiimbak ng isang baterya kaugnay ng masa nito. Ito ay ipinahayag sa watt-hours kada kilo.

Ipagpalagay na ang isang mapaglarawang cell ay nag-iimbak ng 259Wh at tumitimbang ng 0.95kg:

Ang mas mataas na halaga ng Wh/kg ay nangangahulugan na mas maraming enerhiya ang maaaring dalhin para sa parehong bigat ng baterya.

Ito ay partikular na mahalaga sa mga application na sensitibo sa timbang tulad ng:

• Mga de-kuryenteng sasakyan

• Mga de-kuryenteng motorsiklo

• Mga UAV at drone

• Robotics

• Marine propulsion system

• Portable na kagamitang pang-industriya

Para sa isang EV, ang pagbabawas ng masa ng baterya ay maaaring makatulong na mapabuti ang saklaw, kapasidad ng kargamento at kahusayan ng sasakyan. Para sa isang UAV, kahit na ang isang medyo maliit na pagbabago sa bigat ng baterya ay maaaring makabuluhang makaapekto sa oras ng paglipad at magagamit na kargamento.

3. Ano ang Volumetric Energy Density (Wh/L)?

Sinusukat ng density ng volumetric na enerhiya kung gaano karaming enerhiya ang maiimbak sa loob ng isang partikular na pisikal na volume. Ito ay ipinahayag sa watt-hours kada litro.

Kung ang isang cell ay may sukat na 400mm × 100mm × 14mm, ang tinatayang hugis-parihaba na volume nito ay:

Kung ang parehong naglalarawang cell ay nag-iimbak ng 259Wh:

Ang Wh/L ay nagiging lalong mahalaga kapag ang kompartamento ng baterya ay may mahigpit na limitasyon sa sukat. Maaaring tiisin ng isang system ang bahagyang mas mabigat na baterya ngunit wala pa ring available na karagdagang pisikal na espasyo.

Kasama sa mga halimbawa ang mga tray ng baterya ng EV, motorsiklo, robot, AGV, compact energy storage cabinet at espesyal na kagamitang pang-industriya.

4. Wh/kg vs Wh/L: Alin ang Mas Mahalaga?

Wala sa alinmang sukatan ang mas mahalaga sa pangkalahatan. Ang tamang priyoridad ay depende sa aplikasyon.

5. Bakit Maaaring Makamit ng Mga Pouch Cell ang High Energy Density

Gumagamit ang lithium pouch cell ng laminated flexible package kaysa sa matibay na metal na magagamit ng cylindrical at maraming prismatic cell. Maaari nitong bawasan ang ilang hindi aktibong packaging mass at bigyan ang mga tagagawa ng baterya ng higit na kalayaan upang idisenyo ang lapad, haba at kapal ng cell.

Ang patag na hugis ay makakatulong din sa mga taga-disenyo ng baterya na gumamit ng magagamit na espasyo nang mahusay dahil ang mga cell ay maaaring ayusin sa medyo compact na mga stack.

Gayunpaman, mahalagang huwag ipagpalagay na ang bawat pouch cell ay awtomatikong may mas mataas na density ng enerhiya kaysa sa bawat cylindrical o prismatic cell..

Ang aktwal na pagganap ay nakasalalay sa:

• Chemistry ng cell

• Pagbubuo ng elektrod

• Kapasidad ng cell

• Disenyo ng packaging

• Kinakailangan na rate ng paglabas

• Mga margin ng kaligtasan

• Mga target ng cycle-life

• Temperatura ng pagpapatakbo

• Proseso ng paggawa

Ang format ng cell ay isang bahagi lamang ng equation ng densidad ng enerhiya.

Para sa mga customer na naghahambing ng mataas na enerhiya na mga opsyon sa lithium-ion, ang Misen ay nagbibigay ng isang hanay ng NCM pouch cell para sa EV, mobility, robotics at pang-industriya na mga application ng baterya.

6. Mahalaga ang Chemistry na Kasinghalaga ng Cell Format

Ang dalawang pouch cell na may halos magkaparehong dimensyon ay maaaring magkaroon ng magkaibang densidad ng enerhiya, kakayahan ng kuryente, cycle ng buhay at thermal behavior. Ang dahilan ay ang panloob na kimika at disenyo ng cell ay iba.

Ito ang dahilan kung bakit ang pagpili ng baterya sa pamamagitan lamang ng pinakamataas na numero ng Wh/kg ay maaaring humantong sa maling resulta. Ang pinakamahusay na cell ay ang isa na nakakatugon sa kumpletong kinakailangan ng system.

7. Ang Cell Energy Density ay Hindi Pack Energy Density

Ito ay isa sa pinakamahalagang konsepto sa disenyo ng baterya.

Karaniwang inilalarawan ng detalye ng cell ng manufacturer ang hubad na cell . Ang isang tapos na battery pack ay naglalaman ng maraming karagdagang mga bahagi na hindi nag-iimbak ng elektrikal na enerhiya ngunit kinakailangan para sa ligtas at maaasahang operasyon.

Ang bawat karagdagang bahagi ay nagdaragdag ng masa at dami nang hindi nagdaragdag ng enerhiya ng cell. Bilang resulta, ang antas ng pack na Wh/kg at Wh/L ay palaging magiging mas mababa kaysa sa katumbas na mga numero ng bare-cell kapag sinusukat sa parehong batayan ng enerhiya.

8. Isang Simpleng Halimbawa ng Densidad ng Enerhiya ng Cell-to-Pack

Isaalang-alang ang isang pinasimpleng baterya gamit ang 20 cell. Ipagpalagay na ang bawat cell ay mayroong:

• 250Wh nominal na enerhiya

• 0.95kg timbang

• 0.55L na dami ng cell

Ang mga cell na magkasama ay nagbibigay ng:

Sa antas ng cell-only:

Ngayon, ipagpalagay na ang tapos na pack ay nangangailangan ng karagdagang 7kg at 5L para sa enclosure nito, BMS, mga de-koryenteng koneksyon, mga structural na bahagi at thermal management.

Ang natapos na baterya ay nagiging humigit-kumulang:

• 26kg kabuuang masa

• 16L kabuuang volume

• 5kWh nominal na enerhiya

Samakatuwid, ang nominal na density ng enerhiya sa antas ng pack ay tinatayang:

Ang mga cell ay hindi nagbago. Ang pagkakaiba ay ganap na nagmumula sa mga sangkap na kinakailangan upang lumikha ng isang magagamit na sistema ng baterya.

Tandaan: Ito ay isang mapaglarawang pagkalkula lamang. Malaki ang pagkakaiba ng arkitektura ng real battery pack, overhead at magagamit na enerhiya ayon sa aplikasyon at disenyo.

9. Ano ang Binabawasan ang Pack-Level Energy Density?

Binabawasan ng ilang kinakailangang bahagi ng system ang panghuling antas ng pack na Wh/kg at Wh/L.

Sistema ng Pamamahala ng Baterya

Sinusubaybayan ng BMS ang boltahe ng cell, temperatura, kasalukuyang at estado ng singil habang kinokontrol ang mga function ng proteksyon ng baterya. Ang mga electronics, sensing wire at nauugnay na hardware ay nagdaragdag ng masa at nangangailangan ng pisikal na espasyo.

Mga Busbar, Contactor at Fuse

Ang mga high-current na sistema ng baterya ay nangangailangan ng wastong laki ng mga electrical conductor at proteksyon na device. Kung mas mataas ang operating kasalukuyang, mas mahalaga ang electrical resistance, conductor cross-section at heat generation.

Cell Compression at Mechanical Support

Gumagamit ang mga pouch cell ng flexible laminated packaging at samakatuwid ay karaniwang nangangailangan ng engineered support structure. Dapat protektahan ng module ang cell mula sa sobrang baluktot, vibration at mekanikal na pinsala habang pinapanatili ang naaangkop na pagpoposisyon at compression ng cell.

Pamamahala ng Thermal

Ang mga sistema ng baterya na may mataas na lakas o mataas na enerhiya ay maaaring mangailangan ng mga cooling plate, thermal interface na materyales, air channel o iba pang bahagi ng thermal management. Ang mga sangkap na ito ay sumasakop sa parehong timbang at dami.

Enclosure at Environmental Protection

Ang isang kumpletong baterya ay maaaring mangailangan ng proteksyon laban sa epekto, panginginig ng boses, alikabok, kahalumigmigan at mga panlabas na panganib sa kuryente. Ang enclosure ay maaaring kumatawan sa isang makabuluhang bahagi ng bigat ng natapos na sistema.

10. Nominal Energy vs Nagagamit na Enerhiya ng Baterya

Ang isa pang karaniwang pagkakamali ay ang pagtrato sa nominal na enerhiya ng baterya at magagamit na enerhiya bilang parehong numero.

Ang isang pack na may rating na 100kWh ay hindi kinakailangang magbigay ng 100kWh ng enerhiya sa panahon ng normal na operasyon. Ang BMS ay maaaring magreserba ng enerhiya sa itaas at ibaba ng state-of-charge range upang protektahan ang baterya at suportahan ang kinakailangang buhay ng serbisyo.

Para sa paunang pagpaplano, ang nagagamit na enerhiya ay maaaring tantyahin bilang:

Halimbawa, kung ang isang 100kWh na baterya ay pinapatakbo sa isang 80% na magagamit na SOC window:

Ito ay isang pinasimpleng pagtatantya ng engineering. Ang aktwal na inihatid na enerhiya ay nakasalalay din sa pag-uugali ng boltahe ng cell, temperatura, kasalukuyang, pagtanda, mga limitasyon ng BMS at kahusayan ng system.

11. Nominal Pack Energy vs Usable Pack Energy Density

Bumabalik sa nakaraang 5kWh na halimbawa ng baterya, ipagpalagay na ang BMS ay nagbibigay-daan sa humigit-kumulang 80% na magagamit na window ng enerhiya.

Ang pinasimple na magagamit na enerhiya ay nagiging:

Gamit ang kumpletong 26kg, 16L na baterya:

Ipinapakita ng halimbawang ito kung bakit hindi dapat malito ang tatlong numero:

• Densidad ng enerhiya ng bare-cell

• Nominal na tapos-pack na density ng enerhiya

• Magagamit na tapos-pack na density ng enerhiya

Sinasagot nila ang iba't ibang mga katanungan sa engineering.

12. Ang Densidad ng Enerhiya ay Hindi Densidad ng Power

Ang isang high-energy cell ay hindi awtomatikong isang high-power cell.

Sinasabi sa iyo ng density ng enerhiya kung gaano karaming enerhiya ang maaaring maimbak. Inilalarawan ng power capability kung gaano kabilis maihatid o matanggap ang enerhiyang iyon.

Halimbawa, ang dalawang 70Ah pouch cell ay maaaring may magkatulad na mga halaga ng Wh/kg ngunit ibang-iba:

• Patuloy na paglabas ng kasalukuyang

• Peak discharge kasalukuyang

• Fast-charge na kakayahan

• Panloob na pagtutol

• Pagbuo ng init

Ang isang UAV, performance EV o high-power marine system ay maaaring mangailangan ng bahagyang mas mababang energy-density cell kung ito ay nagbibigay ng mas malakas na kakayahan sa paglabas.

Ito ang dahilan kung bakit ang pagpili ng cell ay dapat na ihambing ang enerhiya, kapangyarihan, buhay ng ikot, mga sukat at pagganap ng thermal nang magkasama.

13. Malaking Format na Pouch Cell at Disenyo ng Pack

Ang malalaking format na pouch cell ay maaaring gawing simple ang ilang mga arkitektura ng baterya dahil ang bawat cell ay nag-iimbak ng mas maraming enerhiya kaysa sa isang maliit na cylindrical na cell. Maaari nitong bawasan ang bilang ng mga parallel na cell at mga electrical connection point na kinakailangan upang maabot ang target na kapasidad ng pack.

Gayunpaman, ang mga malalaking selula ay nangangailangan din ng maingat na pagsasaalang-alang sa:

• Pamamahagi ng init sa ibabaw ng cell

• Temperatura ng tab at paglaban ng koneksyon

• Suporta sa mekanikal

• Pag-compress ng cell

• Pagkakapare-pareho ng cell

• Kakayahang serbisyo

• Pagpigil sa pagkabigo

Ang mas kaunting mga cell ay hindi awtomatikong nangangahulugan ng isang mas mahusay na pack ng baterya. Ang tamang laki ng cell ay depende sa electrical at mechanical architecture ng kumpletong system.

Nagbibigay ang Misen ng maramihang malalaking format na opsyon sa pouch cell sa halip na limitahan ang mga customer sa iisang kapasidad. Kasama sa mga halimbawa ang P70A 70Ah pouch cell,119Ah NMC pouch cell atK103 103Ah NMC pouch cell.

14. Paano Tamang Paghambingin ang Pouch Cell Energy Density

Ang mga paghahambing ng datasheet ay maaaring mapanlinlang kung ang mga sukat ay hindi nakabatay sa parehong mga kundisyon. Bago i-rank ang dalawang cell ayon sa Wh/kg o Wh/L, suriin kung ano mismo ang kinakatawan ng bawat value.

Para sa makabuluhang paghahambing, kumpirmahin:

• Nominal na boltahe: Ginagamit ba ang parehong kahulugan ng boltahe?

• Kapasidad: Sa ilalim ng anong rate ng paglabas at temperatura nasukat ang kapasidad?

• Timbang ng cell: Kasama ba dito ang mga tab, pagkakabukod o karagdagang hardware?

• Mga Dimensyon: Kasama ba o hindi kasama ang mga tab?

• Kapal: Sa anong SOC at mekanikal na presyon sinukat ang kapal?

• Pagkalkula ng enerhiya: Kinakalkula ba ang enerhiya gamit ang nominal na V × Ah o sinusukat sa pamamagitan ng pagsasama ng discharge curve?

• Temperatura: Sinuri ba ang mga cell sa ilalim ng maihahambing na mga kondisyon?

• Kondisyon ng cell: Ang parehong mga cell ay bago at mula sa maihahambing na mga pangkat ng produksyon?

Kung walang pare-parehong hangganan ng pagsukat, ang paghahambing ng dalawang na-advertise na mga numero ng density ng enerhiya ay madaling makagawa ng maling konklusyon.

15. Ang Pinakamataas ba na Densidad ng Enerhiya ay Ibig Sabihin ang Pinakamahusay na Baterya?

Hindi.

Ang density ng enerhiya ay isa lamang na variable ng disenyo. Ang isang cell na may napakataas na Wh/kg figure ay maaaring hindi ang pinakamahusay na opsyon kung ang iyong proyekto ay nangangailangan ng:

• Napakataas na tuloy-tuloy na kasalukuyang

• Mataas na peak power

• Napakahabang cycle ng buhay

• Mabilis na pag-charge

• Mababang-temperatura na operasyon

• Isang partikular na kapal o footprint ng cell

• Mas mababang gastos ng system

• Iba't ibang mga kinakailangan sa kaligtasan o sertipikasyon

Samakatuwid, ang pagpili ng baterya ay isang multi-variable na problema sa pag-optimize sa halip na isang kumpetisyon para sa pinakamataas na numero ng detalye.

16. Pagpili ng Tamang Pouch Cell para sa Iyong Application

Bago pumili ng cell, tukuyin ang mga kinakailangan ng kumpletong sistema ng baterya.

Kung naghahambing ka ng mga cell para sa isang EV o iba pang application na may mataas na enerhiya, maaari mo ring tuklasin ang Misen'sMga solusyon sa module ng baterya ng EV.

17. Cell-Level Optimization kumpara sa System-Level Optimization

Ang cell na may pinakamahusay na numero ng datasheet ay hindi nangangahulugang gumagawa ng pinakamahusay na kumpletong baterya.

Ang isang bahagyang mas mabigat na cell ay maaaring gawing simple ang paglamig. Maaaring mabawasan ng mas malaking cell ang pagiging kumplikado ng busbar at koneksyon. Ang isang mas mababang-enerhiya na kimika ay maaaring magbigay ng mas mahabang buhay ng serbisyo. Maaaring payagan ng mas manipis na cell ang isang mas magandang layout ng module.

Iyon ang dahilan kung bakit dapat na i-optimize ng propesyonal na disenyo ng baterya ang buong sistema , hindi lamang ang hubad na cell.

Para sa mga proyektong nangangailangan ng pagpili ng BMS, pagtutugma ng cell, istraktura ng module, pagpaplano ng busbar o pag-develop ng customized na battery pack, nagbibigay din ang MisenOEM at ODM na suporta sa engineering ng baterya.

Mga Madalas Itanong

Ano ang magandang Wh/kg para sa pouch cell?

Walang iisang Wh/kg value na tumutukoy sa isang magandang pouch cell. Ang naaangkop na target ay nakasalalay sa kimika, kinakailangan sa paglabas, buhay ng ikot, temperatura, disenyo ng kaligtasan at aplikasyon. Ang mga cell ay dapat ihambing sa ilalim ng katumbas na mga kondisyon ng pagsubok.

Ano ang pagkakaiba sa pagitan ng Wh/kg at Wh/L?

Ang Wh/kg ay sumusukat ng enerhiya na may kaugnayan sa timbang, habang ang Wh/L ay sumusukat ng enerhiya na may kaugnayan sa pisikal na volume. Ang Wh/kg ay partikular na mahalaga para sa mga system na sensitibo sa timbang, habang ang Wh/L ay nagiging kritikal kapag limitado ang magagamit na espasyo ng baterya.

Paano ko makalkula ang pouch cell energy density?

Unang kalkulahin ang nominal na enerhiya ng cell gamit ang boltahe × kapasidad. Hatiin ang enerhiyang ito sa timbang ng cell sa kilo para sa Wh/kg, o hatiin ito sa dami ng cell sa litro para sa Wh/L.

Bakit mas mababa ang density ng enerhiya ng pack ng baterya kaysa sa density ng enerhiya ng cell?

Ang tapos na pack ay naglalaman ng mga bahagi tulad ng BMS, enclosure, busbars, wiring, cooling structure, insulation, compression system at mga protection device. Pinapataas nila ang bigat at dami ng pack nang hindi tumataas ang enerhiya ng cell.

Ang pouch cell ba ay palaging mas siksik sa enerhiya kaysa sa cylindrical cell?

Hindi. Maaaring bawasan ng packaging ng pouch ang hindi aktibong packaging mass at magbigay ng mga flexible na sukat, ngunit ang aktwal na density ng enerhiya ay nakasalalay sa kumpletong disenyo ng cell at chemistry. Ang mga indibidwal na modelo ng cell ay dapat direktang ihambing sa halip na ipagpalagay na ang isang format ay palaging mas mataas.

Ang mas mataas na density ng enerhiya ay nangangahulugan ng mas mataas na kasalukuyang naglalabas?

Hindi naman kailangan. Ang density ng enerhiya at kakayahan ng kapangyarihan ay magkaibang mga pagtutukoy. Ang isang high-energy cell ay maaaring i-optimize para sa runtime kaysa sa napakataas na kasalukuyang. Palaging suriin nang hiwalay ang tuluy-tuloy na kasalukuyang, peak current, internal resistance at thermal limit.

Ano ang nagagamit na enerhiya ng baterya?

Ang nagagamit na enerhiya ay ang halaga ng nominal na enerhiya na pinapayagan ng sistema ng baterya na ma-access ng application sa panahon ng normal na operasyon. Ang mga limitasyon ng boltahe ng BMS, mga limitasyon ng SOC, temperatura, pagtanda at kahusayan ng system ay maaaring makaapekto sa aktwal na magagamit na enerhiya.

Konklusyon

Hindi masusuri ang density ng enerhiya ng pouch cell mula sa isang numero.

Sinasabi sa iyo ng Wh/kg kung gaano kahusay ang pag-iimbak ng isang cell ng enerhiya ayon sa timbang, habang sinasabi sa iyo ng Wh/L kung gaano ito kahusay gumamit ng espasyo. Ngunit alinman sa halaga ay hindi direktang kumakatawan sa pagganap ng isang tapos na pack ng baterya.

Kapag ang mga cell ay isinama sa suporta sa istruktura, mga busbar, BMS electronics, pamamahala ng thermal at isang proteksiyon na enclosure, bumababa ang density ng enerhiya sa antas ng pack. Ang magagamit na enerhiya na magagamit sa pang-araw-araw na operasyon ay maaaring mas mababa muli dahil sa mga limitasyon ng SOC at iba pang mga hadlang sa system.

Para sa mga proyekto ng EV, ESS, UAV, robotics at pang-industriya na baterya, ang pinakamahusay na diskarte ay ang pagsusuri:

• Wh/kg

• Wh/L

• Tuloy-tuloy at peak current

• Ikot ng buhay

• Mga sukat ng cell

• Saklaw ng temperatura

• Mga kinakailangan sa pagsasama ng pack

• Kabuuang magagamit na enerhiya ng system

Maaari mong i-browse ang buong hanay ng Misen ngmalalaking format na pouch cell o makipag-ugnayan sa aming team para sa pagpili ng cell at battery pack engineering support.