הסבר על צפיפות אנרגיה של תא כיס: Wh/kg, Wh/L, Cell לעומת Pack ואנרגיה שמיש

צפיפות האנרגיה היא אחד המפרטים הראשונים שמהנדסים מסתכלים עליהם כאשר משווים בין תאי סוללת ליתיום. אבל מספר כמו 270Wh/kg או 600Wh/L לא מספר את כל הסיפור.

כדי לבחור את הסוללה המתאימה ל-EV, מערכת אחסון אנרגיה, מל'ט, רובוט או ערכת סוללות תעשייתיות, עליך להבין שלוש שאלות שונות:

• כמה אנרגיה אוגר התא עבור משקלו?

• כמה אנרגיה הוא אוגר לנפח שלו?

• כמה מהאנרגיה הזו נשאר זמין לאחר שילוב התאים בחבילת סוללות שלמה?

שאלות אלו מתאימות לצפיפות אנרגיה גרבימטרית (Wh/kg) , צפיפות אנרגיה נפחית (Wh/L) ואנרגיית מארז שמיש.

מדריך זה מסביר כיצד כל מדד מחושב, מדוע צפיפות האנרגיה ברמת התא וברמת החבילה שונות וכיצד להשוות בפורמט גדול תאי כיס ליתיום לפרויקטים אמיתיים של סוללה.

1. מה המשמעות של צפיפות האנרגיה של הסוללה?

צפיפות האנרגיה של הסוללה מתארת ​​כמה אנרגיה חשמלית ניתן לאחסן בתוך כמות מסוימת של משקל או שטח. אין לבלבל את זה עם קיבולת הסוללה בלבד.

לדוגמה, תא 100Ah אינו צפוף יותר באנרגיה באופן אוטומטי מתא 70Ah. התא הגדול יותר עשוי להיות פשוט יותר כבד או גדול יותר פיזית.

כדי להשוות תאים שונים בצורה נכונה, מהנדסים מעריכים בדרך כלל את האנרגיה של התא בוואט-שעה ואז מקשרים את האנרגיה הזו למסה או לנפח.

אנרגיית תאים נומינלית: Wh

החישוב הראשון הוא פשוט:

לתא ליתיום-יון 3.7V 70Ah להמחשה:

לכן התא אוגר כ-259Wh של אנרגיה נומינלית. זוהי נקודת ההתחלה לחישוב הן Wh/kg והן Wh/L.

2. מהי צפיפות אנרגיה גרבימטרית (Wh/kg)?

צפיפות האנרגיה הגרבימטרית מודדת כמה אנרגיה אוגרת סוללה ביחס למסה שלה. זה מתבטא בוואט-שעה לקילוגרם.

נניח שתא לדוגמה מאחסן 259Wh ומשקלו 0.95 ק'ג:

ערך Wh/kg גבוה יותר אומר שניתן לשאת יותר אנרגיה עבור אותו משקל סוללה.

זה חשוב במיוחד ביישומים רגישים למשקל כגון:

• רכבים חשמליים

• אופנועים חשמליים

• מל'טים ומזל'טים

• רובוטיקה

• מערכות הנעה ימיות

• ציוד תעשייתי נייד

עבור EV, הפחתת מסת הסוללה עשויה לסייע בשיפור הטווח, קיבולת המטען ויעילות הרכב. עבור מל'ט, אפילו שינוי קטן יחסית במשקל הסוללה יכול להשפיע באופן משמעותי על זמן הטיסה והמטען השמיש.

3. מהי צפיפות אנרגיה נפחית (Wh/L)?

צפיפות אנרגיה נפחית מודדת כמה אנרגיה ניתן לאגור בנפח פיזי נתון. הוא מתבטא בוואט-שעה לליטר.

אם תא בגודל 400 מ'מ × 100 מ'מ × 14 מ'מ, הנפח המלבני המשוער שלו הוא:

אם אותו תא להמחשה מאחסן 259Wh:

Wh/L הופך חשוב במיוחד כאשר לתא הסוללה יש מגבלת מימדים קפדנית. מערכת עשויה לסבול סוללה מעט כבדה יותר, אך עדיין אין לה מקום פיזי נוסף.

דוגמאות כוללות מגשי סוללות EV, אופנועים, רובוטים, AGVs, ארונות אחסון אנרגיה קומפקטיים וציוד תעשייתי מיוחד.

4. Wh/kg לעומת Wh/L: מה חשוב יותר?

אף אחד מהמדדים אינו חשוב יותר באופן אוניברסלי. העדיפות הנכונה תלויה באפליקציה.

5. מדוע תאי פאוץ' יכולים להשיג צפיפות אנרגיה גבוהה

תא כיס ליתיום משתמש באריזה גמישה למינציה ולא בקופסת המתכת הנוקשה המשמשת תאים גליליים ותאים מנסרים רבים. זה יכול להפחית כמה מסת אריזה לא פעילה ונותן ליצרני סוללות יותר חופש לעצב את רוחב התא, אורך ועוביו.

הצורה השטוחה יכולה גם לעזור למעצבי סוללות להשתמש בשטח הפנוי ביעילות מכיוון שניתן לסדר את התאים בערימות קומפקטיות יחסית.

עם זאת, חשוב לא להניח שלכל תא כיס יש אוטומטית צפיפות אנרגיה גבוהה יותר מכל תא גלילי או מנסרתי.

הביצועים בפועל תלויים ב:

• כימיה של תאים

• ניסוח אלקטרודה

• קיבולת תאים

• עיצוב אריזה

• קצב פריקה נדרש

• שולי בטיחות

• יעדי מחזור חיים

• טמפרטורת הפעלה

• תהליך ייצור

פורמט התא הוא רק חלק אחד ממשוואת צפיפות האנרגיה.

עבור לקוחות המשווים אפשרויות ליתיום-יון בעלות אנרגיה גבוהה, Misen מספקת מגוון של תאי כיס NCM ליישומי EV, ניידות, רובוטיקה וסוללה תעשייתית.

6. הכימיה חשובה כמו פורמט התא

שני תאי כיס בעלי ממדים כמעט זהים יכולים להיות בעלי צפיפות אנרגיה, יכולת כוח, חיי מחזור והתנהגות תרמית שונים מאוד. הסיבה היא שהכימיה הפנימית ועיצוב התא שונים.

זו הסיבה שבחירה בסוללה רק לפי מספר ה-Wh/kg הגבוה ביותר יכולה להוביל לתוצאה שגויה. התא הטוב ביותר הוא זה שעונה על דרישת המערכת המלאה.

7. צפיפות אנרגית התא אינה צפיפות אנרגית חבילה

זהו אחד המושגים החשובים ביותר בעיצוב סוללות.

מפרט תא של יצרן מתאר בדרך כלל את התא החשוף . מארז סוללות מוגמר מכיל רכיבים נוספים רבים שאינם אוגרים אנרגיה חשמלית אך נחוצים לפעולה בטוחה ואמינה.

כל רכיב נוסף מוסיף מסה ונפח מבלי להוסיף אנרגיית התא. כתוצאה מכך, רמת החבילה Wh/kg ו-Wh/L יהיו תמיד נמוכים מהנתונים המתאימים של תאים חשופים כאשר הם נמדדים על בסיס אנרגיה זהה.

8. דוגמה פשוטה לצפיפות אנרגיה של תא לאריזה

שקול סוללה פשוטה באמצעות 20 תאים. נניח שלכל תא יש:

• 250Wh אנרגיה נומינלית

• משקל 0.95 ק'ג

• נפח תא 0.55L

התאים יחד מספקים:

ברמת התא בלבד:

כעת נניח שהחבילה המוגמרת דורשת 7 ק'ג ו-5 ליטר נוספים עבור המארז שלה, BMS, חיבורי חשמל, רכיבים מבניים וניהול תרמי.

הסוללה המוגמרת הופכת לערך:

• משקל כולל של 26 ק'ג

• נפח כולל של 16 ליטר

• 5kWh אנרגיה נומינלית

לכן צפיפות האנרגיה הנומינלית ברמת החבילה היא בערך:

התאים לא השתנו. ההבדל נובע כולו מהרכיבים הנדרשים ליצירת מערכת סוללות שמישה.

הערה: זהו חישוב להמחשה בלבד. ארכיטקטורת ערכת סוללות אמיתית, תקורה ואנרגיה שמישה משתנים באופן משמעותי לפי יישום ועיצוב.

9. מה מפחית את צפיפות האנרגיה ברמת החבילה?

מספר רכיבי מערכת הכרחיים מפחיתים את רמת החבילה הסופית Wh/kg וWh/L.

מערכת ניהול סוללות

ה-BMS מנטר את מתח התא, הטמפרטורה, הזרם ומצב הטעינה תוך שליטה בפונקציות הגנת הסוללה. האלקטרוניקה, חוטי החישה והחומרה הנלווית מוסיפים מסה ודורשים מרחב פיזי.

פסים, מגע ונתיכים

מערכות סוללות עם זרם גבוה דורשות מוליכים חשמליים והתקני הגנה בגודל מתאים. ככל שזרם ההפעלה גבוה יותר, ההתנגדות החשמלית, חתך המוליך ויצירת החום הופכים חשובים יותר.

דחיסת תאים ותמיכה מכנית

תאי פאוץ' משתמשים באריזה למינציה גמישה ולכן דורשים בדרך כלל מבנה תמיכה מהונדס. המודול חייב להגן על התא מפני כיפוף יתר, רטט ונזק מכני תוך שמירה על מיקום התא ודחיסה מתאימים.

ניהול תרמי

מערכות סוללה בעלות הספק גבוה או אנרגיה גבוהה עשויות לדרוש לוחות קירור, חומרי ממשק תרמי, תעלות אוויר או רכיבי ניהול תרמיים אחרים. רכיבים אלה תופסים הן משקל והן נפח.

מתחם והגנת הסביבה

סוללה שלמה עשויה להזדקק להגנה מפני פגיעות, רעידות, אבק, לחות ומפגעי חשמל חיצוניים. המארז יכול לייצג חלק משמעותי ממשקל המערכת המוגמרת.

10. אנרגיה נומינלית לעומת אנרגיית סוללה שמיש

טעות נפוצה נוספת היא התייחסות לאנרגיית סוללה נומינלית ואנרגיה שמיש כאותו מספר.

חבילה שמדורגת 100kWh לא בהכרח מספקת 100kWh של אנרגיה במהלך פעולה רגילה. ה-BMS עשוי לשמור אנרגיה בחלק העליון והתחתון של טווח מצב הטעינה כדי להגן על הסוללה ולתמוך בחיי השירות הנדרשים.

לתכנון ראשוני, ניתן להעריך את האנרגיה המשמשת כ:

לדוגמה, אם סוללה של 100kWh מופעלת על פני חלון SOC שמיש של 80%:

זוהי הערכה הנדסית פשוטה. האנרגיה הנמסרת בפועל תלויה גם בהתנהגות מתח התא, טמפרטורה, זרם, הזדקנות, מגבלות BMS ויעילות המערכת.

11. אנרגיית חבילה נומינלית לעומת צפיפות אנרגית חבילה שמישה

אם נחזור לדוגמא הקודמת של סוללת 5kWh, נניח שה-BMS מאפשר חלון אנרגיה שמיש של כ-80%.

האנרגיה השימושית הפשוטה הופכת:

שימוש בסוללה שלמה של 26 ק'ג, 16 ל':

דוגמה זו מראה מדוע אין לבלבל בין שלושה מספרים:

• צפיפות אנרגיה של תאים חשופים

• צפיפות אנרגיה נומינלית של חבילה מוגמרת

• צפיפות אנרגיה שמיש של חבילה מוגמרת

הם עונים על שאלות הנדסיות שונות.

12. צפיפות אנרגיה אינה צפיפות הספק

תא בעל אנרגיה גבוהה אינו אוטומטית תא בעל הספק גבוה.

צפיפות האנרגיה אומרת לך כמה אנרגיה ניתן לאגור. יכולת הספק מתארת ​​באיזו מהירות ניתן לספק או לקבל אנרגיה זו.

לדוגמה, שני תאי פאוץ' של 70Ah עשויים להיות בעלי ערכי Wh/kg דומים אך שונים מאוד:

• זרם פריקה מתמשך

• זרם פריקה שיא

• יכולת טעינה מהירה

• התנגדות פנימית

• ייצור חום

מל'ט, EV ביצועים או מערכת ימית בעלת הספק גבוה עשויים לדרוש תא בצפיפות אנרגיה מעט נמוכה יותר אם הוא מספק יכולת פריקה חזקה בהרבה.

זו הסיבה שבחירה בתאים צריכה להשוות אנרגיה, כוח, חיי מחזור, ממדים וביצועים תרמיים יחד.

13. תאי פאוץ' בפורמט גדול ועיצוב מארז

תאי כיס בפורמט גדול יכולים לפשט חלק מהארכיטקטורות של סוללות מכיוון שכל תא אוגר יותר אנרגיה מאשר תא גלילי קטן. זה יכול להפחית את מספר התאים המקבילים ונקודות החיבור החשמליות הנדרשות כדי להגיע לקיבולת חבילת יעד.

עם זאת, תאים גדולים יותר דורשים התייחסות מדוקדקת של:

• פיזור חום על פני התא

• טמפרטורת הכרטיסיות והתנגדות החיבור

• תמיכה מכנית

• דחיסת תאים

• עקביות תאים

• שְׁמִישׁוּת

• בלימת כישלון

פחות תאים לא אומר אוטומטית ערכת סוללות טובה יותר. גודל התא הנכון תלוי בארכיטקטורה החשמלית והמכאנית של המערכת השלמה.

Misen מספקת מספר אפשרויות לתא פאוץ' בפורמט גדול במקום להגביל את הלקוחות לקיבולת אחת. דוגמאות כוללות את תא פאוץ P70A 70Ah,119Ah תא כיס NMC ותא פאוץ' K103 103Ah NMC.

14. כיצד להשוות את צפיפות האנרגיה של תא פאוץ' בצורה נכונה

השוואות גליונות נתונים עלולות להיות מטעות אם המדידות אינן מבוססות על אותם תנאים. לפני דירוג שני תאים לפי Wh/kg או Wh/L, בדוק בדיוק מה כל ערך מייצג.

להשוואה משמעותית, אשר:

• מתח נומינלי: האם נעשה שימוש באותה הגדרת מתח?

• קיבולת: באיזה קצב פריקה וטמפרטורה נמדדה קיבולת?

• משקל התא: האם הוא כולל כרטיסיות, בידוד או חומרה נוספת?

• מידות: האם כרטיסיות כלולות או לא נכללות?

• עובי: באיזה SOC ולחץ מכני נמדד עובי?

• חישוב אנרגיה: האם אנרגיה מחושבת באמצעות V × Ah נומינלי או נמדדת על ידי שילוב עקומת הפריקה?

• טמפרטורה: האם התאים נבדקו בתנאים דומים?

• מצב התא: האם שני התאים חדשים ומקבוצות ייצור דומות?

ללא גבול מדידה עקבי, השוואה בין שני מספרי צפיפות אנרגיה שפורסמו יכולה להפיק בקלות את המסקנה השגויה.

15. האם צפיפות האנרגיה הגבוהה ביותר פירושה הסוללה הטובה ביותר?

לֹא.

צפיפות האנרגיה היא רק משתנה עיצובי אחד. ייתכן שתא עם נתון ואט/ק'ג גבוה מאוד לא יהיה האפשרות הטובה ביותר אם הפרויקט שלך דורש:

• זרם רציף גבוה מאוד

• כוח שיא גבוה

• חיי מחזור ארוכים במיוחד

• טעינה מהירה

• פעולה בטמפרטורה נמוכה

• עובי תא או טביעת רגל ספציפיים

• עלות מערכת נמוכה יותר

• דרישות בטיחות או הסמכה שונות

לכן בחירת הסוללה היא בעיית אופטימיזציה מרובה משתנים ולא תחרות על מספר המפרט הגבוה ביותר.

16. בחירת תא הנרתיק המתאים ליישום שלך

לפני בחירת תא, הגדר את הדרישות של מערכת הסוללות השלמה.

אם אתה משווה תאים עבור EV או יישום אחר בעל אנרגיה גבוהה, אתה יכול גם לחקור את מיזןפתרונות מודול סוללות EV.

17. אופטימיזציה ברמת התא לעומת אופטימיזציה ברמת המערכת

התא עם מספר גליון הנתונים הטוב ביותר אינו מייצר בהכרח את הסוללה השלמה הטובה ביותר.

תא מעט כבד יותר עשוי לפשט את הקירור. תא גדול יותר עשוי להפחית את מורכבות פס החיבור והחיבור. כימיה באנרגיה נמוכה עשויה לספק חיי שירות ארוכים יותר. תא דק יותר עשוי לאפשר פריסת מודול טובה בהרבה.

לכן עיצוב סוללה מקצועי צריך לייעל את המערכת כולה , לא רק את התא החשוף.

עבור פרויקטים הדורשים בחירת BMS, התאמת תאים, מבנה מודול, תכנון פסים או פיתוח ערכת סוללות מותאמת אישית, Misen מספקת גםתמיכה בהנדסת סוללות OEM ו-ODM.

שאלות נפוצות

מהו Wh/kg טוב עבור תא פאוץ'?

אין ערך Wh/kg יחיד שמגדיר תא פאוץ' טוב. היעד המתאים תלוי בכימיה, דרישת פריקה, חיי מחזור, טמפרטורה, עיצוב בטיחות ויישום. יש להשוות תאים בתנאי בדיקה מקבילים.

מה ההבדל בין Wh/kg לWh/L?

Wh/kg מודד אנרגיה ביחס למשקל, בעוד Wh/L מודד אנרגיה ביחס לנפח הפיזי. Wh/kg חשוב במיוחד עבור מערכות רגישות למשקל, בעוד Wh/L הופך קריטי כאשר שטח הסוללה הפנוי מוגבל.

כיצד אוכל לחשב את צפיפות האנרגיה של תא הכיס?

תחילה חשב את אנרגיית התא הנומינלית באמצעות מתח × קיבולת. חלקו את האנרגיה הזו במשקל התא בקילוגרמים עבור Wh/kg, או חלקו אותה בנפח התא בליטרים עבור Wh/L.

מדוע צפיפות האנרגיה של ערכת הסוללות נמוכה מצפיפות האנרגיה של התא?

חבילה מוגמרת מכילה רכיבים כגון BMS, מארז, פסים, חיווט, מבנה קירור, בידוד, מערכת דחיסה והתקני הגנה. הם מגדילים את משקל החבילה והנפח מבלי להגדיל את אנרגיית התא.

האם תא פאוץ' תמיד צפוף יותר באנרגיה מאשר תא גלילי?

לא. אריזת פאוץ' יכולה להפחית מסת אריזה לא פעילה ולספק ממדים גמישים, אך צפיפות האנרגיה בפועל תלויה בעיצוב התא ובכימיה המלאים. יש להשוות מודלים של תאים בודדים ישירות במקום להניח שפורמט אחד תמיד עדיף.

האם צפיפות אנרגיה גבוהה יותר פירושה זרם פריקה גבוה יותר?

לא בהכרח. צפיפות אנרגיה ויכולת כוח הם מפרטים שונים. תא בעל אנרגיה גבוהה עשוי להיות מותאם לזמן ריצה ולא לזרם גבוה במיוחד. בדוק תמיד בנפרד זרם רציף, זרם שיא, התנגדות פנימית ומגבלות תרמיות.

מהי אנרגיית סוללה שימושית?

אנרגיה שמיש היא כמות האנרגיה הנומינלית שמערכת הסוללות מאפשרת לאפליקציה לגשת אליה במהלך פעולה רגילה. מגבלות מתח BMS, מגבלות SOC, טמפרטורה, הזדקנות ויעילות המערכת יכולים כולם להשפיע על אנרגיה שמיש בפועל.

מַסְקָנָה

לא ניתן להעריך את צפיפות האנרגיה של תא הכיס ממספר בודד.

Wh/Kg אומר לך באיזו יעילות תא אוגר אנרגיה לפי משקל, בעוד Wh/L אומר לך באיזו יעילות הוא משתמש בחלל. אבל אף אחד מהערכים לא מייצג ישירות את הביצועים של ערכת סוללות מוגמרת.

ברגע שהתאים משולבים עם תמיכה מבנית, פסי אוטובוס, אלקטרוניקה BMS, ניהול תרמי ומארז מגן, צפיפות האנרגיה ברמת החבילה יורדת. האנרגיה השמישה הזמינה בפעולה היומיומית עשויה להיות נמוכה יותר בגלל מגבלות SOC ומגבלות מערכת אחרות.

עבור פרויקטים של EV, ESS, מל'ט, רובוטיקה וסוללה תעשייתית, הגישה הטובה ביותר היא אפוא להעריך:

• ואט/ק'ג

• Wh/L

• זרם רציף ושיא

• חיי מחזור

• מידות התא

• טווח טמפרטורות

• דרישות אינטגרציה של חבילה

• אנרגיית מערכת שמישה כוללת

אתה יכול לעיין במגוון המלא של מיזן שלתאי פאוץ' בפורמט גדול או צור קשר עם הצוות שלנו לבחירת תאים ותמיכה בהנדסת ערכת סוללות.