Objašnjenje gustoće energije ćelije u vrećici: Wh/kg, Wh/L, ćelija u odnosu na pakiranje i upotrebljiva energija

Gustoća energije jedna je od prvih specifikacija koje inženjeri gledaju kada uspoređuju ćelije litijskih baterija. Ali broj kao što je 270Wh/kg ili 600Wh/L ne govori cijelu priču.

Kako biste odabrali pravu bateriju za EV, sustav za pohranu energije, UAV, robot ili industrijski paket baterija, morate razumjeti tri različita pitanja:

• Koliko energije stanica skladišti za svoju težinu?

• Koliko energije skladišti za svoj volumen?

• Koliko te energije ostaje dostupno nakon što su ćelije integrirane u kompletan paket baterija?

Ova pitanja odgovaraju gravimetrijskoj gustoći energije (Wh/kg) , volumetrijskoj gustoći energije (Wh/L) i iskoristivoj energiji pakiranja.

Ovaj vodič objašnjava kako se izračunava svaka metrika, zašto su gustoće energije na razini ćelije i paketa različite i kako usporediti velike formate litijeve vrećice za stvarne projekte baterija.

1. Što znači gustoća energije baterije?

Gustoća energije baterije opisuje koliko se električne energije može pohraniti unutar određene težine ili prostora. Ne treba ga brkati samo s kapacitetom baterije.

Na primjer, ćelija od 100 Ah nije automatski energetski gušća od ćelije od 70 Ah. Veća ćelija može jednostavno biti teža ili fizički veća.

Kako bi ispravno usporedili različite ćelije, inženjeri obično procjenjuju energiju ćelije u vat-satima i zatim povezuju tu energiju s masom ili volumenom.

Nominalna energija ćelije: Wh

Prvi izračun je jednostavan:

Za ilustrativnu 3,7 V 70 Ah litij-ionsku ćeliju:

Ćelija stoga pohranjuje približno 259 Wh nominalne energije. Ovo je početna točka za izračun i Wh/kg i Wh/L.

2. Što je gravimetrijska gustoća energije (Wh/kg)?

Gravimetrijska gustoća energije mjeri koliko energije baterija pohranjuje u odnosu na svoju masu. Izražava se u vat-satima po kilogramu.

Pretpostavimo da ilustrativna ćelija pohranjuje 259 Wh i teži 0,95 kg:

Veća vrijednost Wh/kg znači da se može prenijeti više energije za istu težinu baterije.

Ovo je osobito važno u aplikacijama osjetljivim na težinu kao što su:

• Električna vozila

• Električni motocikli

• UAV-ovi i dronovi

• Robotika

• Brodski pogonski sustavi

• Prijenosna industrijska oprema

Za EV, smanjenje mase baterije može pomoći u poboljšanju dometa, nosivosti i učinkovitosti vozila. Za UAV, čak i relativno mala promjena u težini baterije može značajno utjecati na vrijeme leta i korisnu nosivost.

3. Što je volumetrijska gustoća energije (Wh/L)?

Volumetrijska gustoća energije mjeri koliko se energije može pohraniti unutar određenog fizičkog volumena. Izražava se u vat-satima po litri.

Ako ćelija ima dimenzije 400 mm × 100 mm × 14 mm, njen približni pravokutni volumen je:

Ako ista ilustrativna ćelija pohranjuje 259 Wh:

Wh/L postaje osobito važno kada odjeljak za baterije ima strogo ograničenje dimenzija. Sustav može tolerirati nešto veću bateriju, ali i dalje nema dostupnog dodatnog fizičkog prostora.

Primjeri uključuju police za baterije za EV, motocikle, robote, AGV-ove, kompaktne ormare za pohranu energije i specijaliziranu industrijsku opremu.

4. Wh/kg u odnosu na Wh/L: Što je važnije?

Nijedna metrika nije univerzalno važnija. Točan prioritet ovisi o aplikaciji.

5. Zašto Pouch ćelije mogu postići visoku gustoću energije

Ćelije s litijskom vrećicom koriste laminirano fleksibilno pakiranje umjesto krutih metalnih limenki koje koriste cilindrične i mnoge prizmatične ćelije. To može smanjiti dio neaktivne mase pakiranja i daje proizvođačima baterija više slobode u dizajniranju širine, duljine i debljine ćelija.

Ravni oblik također može pomoći dizajnerima baterija da učinkovito iskoriste raspoloživi prostor jer se ćelije mogu posložiti u relativno kompaktne hrpe.

Međutim, važno je ne pretpostaviti da svaka vrećica automatski ima veću gustoću energije od svake cilindrične ili prizmatične ćelije.

Stvarna izvedba ovisi o:

• Kemija stanica

• Formulacija elektrode

• Kapacitet ćelije

• Dizajn pakiranja

• Potrebna brzina pražnjenja

• Sigurnosne granice

• Ciljevi životnog ciklusa

• Radna temperatura

• Proces proizvodnje

Format ćelije samo je jedan dio jednadžbe gustoće energije.

Za kupce koji uspoređuju visokoenergetske litij-ionske opcije, Misen nudi niz NCM vrećice za EV, mobilnost, robotiku i industrijske baterije.

6. Kemija je važna koliko i format ćelije

Dvije vrećice s gotovo identičnim dimenzijama mogu imati vrlo različitu gustoću energije, sposobnost napajanja, vijek trajanja i toplinsko ponašanje. Razlog je što su unutarnja kemija i dizajn stanica različiti.

Zbog toga odabir baterije samo prema najvećem broju Wh/kg može dovesti do pogrešnog rezultata. Najbolja ćelija je ona koja zadovoljava sve zahtjeve sustava.

7. Gustoća energije stanice nije gustoća energije paketa

Ovo je jedan od najvažnijih koncepata u dizajnu baterija.

Proizvođačeva specifikacija ćelije obično opisuje golu ćeliju . Gotova baterija sadrži mnoge dodatne komponente koje ne pohranjuju električnu energiju, ali su neophodne za siguran i pouzdan rad.

Svaka dodatna komponenta dodaje masu i volumen bez dodavanja stanične energije. Kao rezultat toga, razina pakiranja Wh/kg i Wh/L uvijek će biti niža od odgovarajućih vrijednosti golih ćelija kada se mjere na istoj energetskoj osnovi.

8. Jednostavan primjer gustoće energije od ćelije do paketa

Razmotrite pojednostavljenu bateriju koja koristi 20 ćelija. Pretpostavimo da svaka ćelija ima:

• 250Wh nominalne energije

• Težina 0,95 kg

• Volumen ćelije 0,55L

Stanice zajedno osiguravaju:

Na razini samo ćelije:

Sada pretpostavimo da je gotovom paketu potrebno dodatnih 7 kg i 5 L za kućište, BMS, električne priključke, strukturne komponente i upravljanje toplinom.

Gotova baterija postaje otprilike:

• 26 kg ukupne mase

• Ukupna zapremina 16L

• 5kWh nominalne energije

Nazivna gustoća energije na razini pakiranja je stoga približno:

Stanice se nisu promijenile. Razlika dolazi isključivo od komponenti potrebnih za stvaranje upotrebljivog baterijskog sustava.

Napomena: Ovo je samo ilustrativni izračun. Stvarna arhitektura paketa baterija, potrošnja i korisna energija značajno se razlikuju ovisno o primjeni i dizajnu.

9. Što smanjuje gustoću energije na razini paketa?

Nekoliko potrebnih komponenti sustava smanjuje konačnu razinu pakiranja Wh/kg i Wh/L.

Sustav upravljanja baterijom

BMS prati napon ćelije, temperaturu, struju i stanje napunjenosti dok kontrolira funkcije zaštite baterije. Elektronika, senzorske žice i pripadajući hardver dodaju masu i zahtijevaju fizički prostor.

Sabirnice, kontaktori i osigurači

Visokostrujni baterijski sustavi zahtijevaju odgovarajuće dimenzionirane električne vodiče i zaštitne uređaje. Što je veća radna struja, to su važniji električni otpor, presjek vodiča i stvaranje topline.

Kompresija stanica i mehanička podrška

Ćelije s vrećicama koriste fleksibilno laminirano pakiranje i stoga obično zahtijevaju konstruiranu potpornu strukturu. Modul mora zaštititi ćeliju od pretjeranog savijanja, vibracija i mehaničkih oštećenja, a istovremeno održavati odgovarajući položaj i kompresiju ćelije.

Upravljanje toplinom

Baterijski sustavi velike snage ili visoke energije mogu zahtijevati rashladne ploče, materijale toplinskog sučelja, zračne kanale ili druge komponente za upravljanje toplinom. Ove komponente zauzimaju i težinu i volumen.

Ograđivanje i zaštita okoliša

Kompletna baterija može trebati zaštititi od udaraca, vibracija, prašine, vlage i vanjskih električnih opasnosti. Kućište može predstavljati značajan dio težine gotovog sustava.

10. Nominalna energija u odnosu na iskoristivu energiju baterije

Još jedna uobičajena pogreška je tretiranje nominalne energije baterije i korisne energije kao istog broja.

Paket snage 100 kWh ne mora nužno osigurati 100 kWh energije tijekom normalnog rada. BMS može rezervirati energiju na vrhu i dnu raspona stanja napunjenosti kako bi zaštitio bateriju i podržao potrebni vijek trajanja.

Za preliminarno planiranje, korisna energija može se procijeniti kao:

Na primjer, ako baterija od 100 kWh radi preko 80% iskoristivog SOC prozora:

Ovo je pojednostavljena inženjerska procjena. Stvarno isporučena energija također ovisi o ponašanju napona ćelije, temperaturi, struji, starenju, BMS ograničenjima i učinkovitosti sustava.

11. Nominalna energija paketa u odnosu na upotrebljivu gustoću energije paketa

Vraćajući se na prethodni primjer baterije od 5kWh, pretpostavimo da BMS dopušta približno 80% iskoristivog energetskog prozora.

Pojednostavljena upotrebljiva energija postaje:

Korištenje cijele baterije od 26 kg, 16 L:

Ovaj primjer pokazuje zašto se tri broja ne smiju miješati:

• Gustoća energije golih stanica

• Nominalna gustoća energije gotovog pakiranja

• Upotrebljiva energetska gustoća gotovog pakiranja

Odgovaraju na različita inženjerska pitanja.

12. Gustoća energije nije gustoća snage

Ćelija visoke energije nije automatski ćelija velike snage.

Gustoća energije govori koliko se energije može pohraniti. Sposobnost napajanja opisuje koliko brzo ta energija može biti isporučena ili prihvaćena.

Na primjer, dvije vrećice od 70 Ah mogu imati slične vrijednosti Wh/kg, ali vrlo različite:

• Kontinuirana struja pražnjenja

• Vršna struja pražnjenja

• Mogućnost brzog punjenja

• Unutarnji otpor

• Stvaranje topline

Bespilotna letjelica, učinkovito električno vozilo ili pomorski sustav velike snage stoga može zahtijevati ćeliju nešto niže gustoće energije ako pruža mnogo veću sposobnost pražnjenja.

Zbog toga bi odabir ćelija trebao zajedno usporediti energiju, snagu, životni ciklus, dimenzije i toplinsku izvedbu.

13. Vrećice velikog formata i dizajn pakiranja

Torbičaste ćelije velikog formata mogu pojednostaviti neke arhitekture baterija jer svaka ćelija pohranjuje više energije nego mala cilindrična ćelija. To može smanjiti broj paralelnih ćelija i električnih priključnih točaka potrebnih za postizanje ciljanog kapaciteta paketa.

Međutim, veće ćelije također zahtijevaju pažljivo razmatranje:

• Raspodjela topline po površini ćelije

• Tab temperatura i otpor spoja

• Mehanička podrška

• Kompresija stanica

• Konzistencija stanica

• Mogućnost servisiranja

• Zadržavanje kvara

Manje ćelija ne znači automatski i bolju bateriju. Ispravna veličina ćelije ovisi o električnoj i mehaničkoj arhitekturi kompletnog sustava.

Misen isporučuje više opcija vrećica velikog formata umjesto da ograničava kupce na jedan kapacitet. Primjeri uključuju P70A 70Ah džepna ćelija,119Ah NMC džepna ćelija iK103 103Ah NMC džepna ćelija.

14. Kako ispravno usporediti gustoću energije pouch ćelija

Usporedbe tablica podataka mogu dovesti u zabludu ako se mjerenja ne temelje na istim uvjetima. Prije rangiranja dviju ćelija prema Wh/kg ili Wh/L, provjerite što svaka vrijednost točno predstavlja.

Za smislenu usporedbu potvrdite:

• Nazivni napon: Koristi li se ista definicija napona?

• Kapacitet: Pod kojom brzinom pražnjenja i temperaturom je izmjeren kapacitet?

• Težina ćelije: uključuje li jezičke, izolaciju ili dodatni hardver?

• Dimenzije: Jesu li kartice uključene ili isključene?

• Debljina: Pri kojem je SOC i mehaničkom tlaku izmjerena debljina?

• Izračun energije: izračunava li se energija pomoću nominalnog V × Ah ili se mjeri integriranjem krivulje pražnjenja?

• Temperatura: Jesu li ćelije testirane u usporedivim uvjetima?

• Stanje ćelije: Jesu li obje ćelije nove i iz usporedivih proizvodnih serija?

Bez dosljedne granice mjerenja, usporedba dva reklamirana broja gustoće energije može lako dovesti do pogrešnog zaključka.

15. Znači li najveća gustoća energije najbolju bateriju?

Ne.

Gustoća energije samo je jedna varijabla dizajna. Ćelija s vrlo visokim Wh/kg možda nije najbolja opcija ako vaš projekt zahtijeva:

• Vrlo visoka kontinuirana struja

• Visoka vršna snaga

• Izuzetno dug životni ciklus

• Brzo punjenje

• Rad na niskim temperaturama

• Određena debljina ćelije ili otisak

• Niži trošak sustava

• Različiti sigurnosni ili certifikacijski zahtjevi

Odabir baterije je stoga problem optimizacije s više varijabli, a ne natjecanje za najveći broj specifikacija.

16. Odabir prave vrećice za vašu primjenu

Prije odabira ćelije definirajte zahtjeve kompletnog baterijskog sustava.

Ako uspoređujete ćelije za EV ili drugu visokoenergetsku primjenu, također možete istražiti MisenovuRješenja baterijskog modula za EV.

17. Optimizacija na razini ćelije nasuprot optimizaciji na razini sustava

Ćelija s najboljim brojem podatkovne tablice ne daje nužno najbolju kompletnu bateriju.

Malo teža ćelija može pojednostaviti hlađenje. Veća ćelija može smanjiti složenost sabirnice i veze. Kemijski sastav s nižom energijom može osigurati duži vijek trajanja. Tanja ćelija može omogućiti puno bolji raspored modula.

Zato profesionalni dizajn baterija treba optimizirati cijeli sustav , a ne samo golu ćeliju.

Za projekte koji zahtijevaju odabir BMS-a, usklađivanje ćelija, strukturu modula, planiranje sabirnica ili prilagođeni razvoj paketa baterija, Misen također nudiOEM i ODM inženjerska podrška za baterije.

Često postavljana pitanja

Što je dobar Wh/kg za vrećicu?

Ne postoji niti jedna vrijednost Wh/kg koja definira dobru ćeliju vrećice. Odgovarajući cilj ovisi o kemiji, zahtjevu za pražnjenjem, životnom ciklusu, temperaturi, sigurnosnom dizajnu i primjeni. Stanice treba usporediti pod jednakim uvjetima ispitivanja.

Koja je razlika između Wh/kg i Wh/L?

Wh/kg mjeri energiju u odnosu na težinu, dok Wh/L mjeri energiju u odnosu na fizički volumen. Wh/kg je posebno važan za sustave osjetljive na težinu, dok Wh/L postaje kritičan kada je raspoloživi prostor baterije ograničen.

Kako mogu izračunati gustoću energije vrećice?

Prvo izračunajte nominalnu energiju ćelije koristeći napon × kapacitet. Podijelite ovu energiju s težinom ćelije u kilogramima za Wh/kg ili je podijelite s volumenom ćelije u litrama za Wh/L.

Zašto je gustoća energije baterije niža od gustoće energije ćelije?

Gotov paket sadrži komponente kao što su BMS, kućište, sabirnice, ožičenje, rashladna struktura, izolacija, sustav kompresije i zaštitni uređaji. Povećavaju težinu i volumen paketa bez povećanja stanične energije.

Je li vrećica uvijek energetski gušća od cilindrične ćelije?

Ne. Pakiranje u vrećicu može smanjiti neaktivnu masu pakiranja i pružiti fleksibilne dimenzije, ali stvarna gustoća energije ovisi o kompletnom dizajnu ćelije i kemiji. Pojedinačne modele ćelija treba uspoređivati ​​izravno, a ne pretpostaviti da je jedan format uvijek bolji.

Znači li veća gustoća energije veću struju pražnjenja?

Nije nužno. Gustoća energije i sposobnost snage različite su specifikacije. Ćelija visoke energije može biti optimizirana za vrijeme rada, a ne za ekstremno visoku struju. Uvijek zasebno provjerite trajnu struju, vršnu struju, unutarnji otpor i toplinska ograničenja.

Što je iskoristiva energija baterije?

Iskoristiva energija je količina nominalne energije kojoj baterijski sustav dopušta aplikaciji pristup tijekom normalnog rada. Ograničenja napona BMS-a, ograničenja SOC-a, temperatura, starenje i učinkovitost sustava mogu utjecati na stvarnu upotrebljivu energiju.

Zaključak

Gustoća energije vrećice ne može se procijeniti iz jednog broja.

Wh/kg vam govori koliko učinkovito ćelija pohranjuje energiju prema težini, dok vam Wh/L govori koliko učinkovito koristi prostor. Ali niti jedna vrijednost izravno ne predstavlja performanse gotovog paketa baterija.

Nakon što su ćelije integrirane sa strukturnom potporom, sabirnicama, BMS elektronikom, toplinskim upravljanjem i zaštitnim kućištem, gustoća energije na razini paketa se smanjuje. Iskoristiva energija dostupna u svakodnevnom radu može opet biti niža zbog SOC ograničenja i drugih ograničenja sustava.

Za EV, ESS, UAV, robotiku i projekte industrijskih baterija, najbolji pristup je stoga procijeniti:

• Wh/kg

• Wh/L

• Kontinuirana i vršna struja

• Ciklus života

• Dimenzije ćelije

• Raspon temperature

• Zahtjevi integracije paketa

• Ukupna iskoristiva energija sustava

Možete pregledati cijeli Misenov asortimanvrećice velikog formata ili se obratite našem timu za odabir ćelija i inženjersku podršku za paket baterija.