Tasak cella energiasűrűsége magyarázattal: Wh/kg, Wh/L, cella vs. csomag és felhasználható energia

Az energiasűrűség az egyik első olyan specifikáció, amelyet a mérnökök megvizsgálnak a lítium akkumulátorcellák összehasonlításakor. De egy olyan szám, mint a 270 Wh/kg vagy 600 Wh/L, nem árulja el a teljes történetet.

A megfelelő akkumulátor kiválasztásához elektromos járműhöz, energiatároló rendszerhez, UAV-hoz, robothoz vagy ipari akkumulátorcsomaghoz három különböző kérdést kell megértenie:

• Mennyi energiát tárol a sejt a súlyához képest?

• Mennyi energiát tárol a térfogatához?

• Ebből az energiából mennyi marad rendelkezésre, miután a cellákat egy komplett akkumulátorcsomagba integrálták?

Ezek a kérdések felelnek meg. a gravimetrikus energiasűrűségnek (Wh/kg), , a térfogati energiasűrűségnek (Wh/L) és a felhasználható csomagenergiának .

Ez az útmutató elmagyarázza, hogyan kell kiszámítani az egyes mutatókat, miért különbözik a cellaszintű és a csomagszintű energiasűrűség, és hogyan lehet összehasonlítani a nagy formátumú adatokat. lítium tasakos cellák valódi akkumulátorprojektekhez.

1. Mit jelent az akkumulátor energiasűrűsége?

Az akkumulátor energiasűrűsége azt írja le, hogy mennyi elektromos energia tárolható egy bizonyos súlyon vagy helyen. Nem szabad összetéveszteni önmagában az akkumulátor kapacitásával.

Például egy 100 Ah-s cella nem automatikusan energiasűrűbb, mint egy 70 Ah-s cella. A nagyobb cella egyszerűen nehezebb vagy fizikailag nagyobb lehet.

A különböző cellák helyes összehasonlítása érdekében a mérnökök általában wattórában értékelik a cella energiáját, majd ezt az energiát tömeghez vagy térfogathoz viszonyítják.

Névleges cellaenergia: Wh

Az első számítás egyszerű:

Egy szemléltető 3,7 V-os 70 Ah-s lítium-ion cellához:

A cella tehát körülbelül 259 Wh névleges energiát tárol. Ez a kiindulási pont a Wh/kg és a Wh/L kiszámításához.

2. Mi a gravimetrikus energiasűrűség (Wh/kg)?

A gravimetrikus energiasűrűség azt méri, hogy az akkumulátor mennyi energiát tárol a tömegéhez képest. Ezt wattóra per kilogrammban fejezik ki.

Tegyük fel, hogy egy szemléltető cella 259 Wh-t tárol és 0,95 kg súlyú:

A magasabb Wh/kg érték azt jelenti, hogy több energia szállítható azonos súlyú akkumulátorral.

Ez különösen fontos a súlyérzékeny alkalmazásoknál, mint például:

• Elektromos járművek

• Elektromos motorkerékpárok

• UAV-k és drónok

• Robotika

• Tengeri meghajtó rendszerek

• Hordozható ipari berendezések

Az elektromos járművek esetében az akkumulátor tömegének csökkentése javíthatja a hatótávolságot, a hasznos teherbírást és a jármű hatékonyságát. Egy UAV esetében az akkumulátor súlyának viszonylag kis változása is jelentősen befolyásolhatja a repülési időt és a hasznos terhelhetőséget.

3. Mi a térfogati energiasűrűség (Wh/L)?

A térfogati energiasűrűség azt méri, hogy egy adott fizikai térfogaton belül mennyi energia tárolható. Wattóra per literben van kifejezve.

Ha egy cella mérete 400 mm × 100 mm × 14 mm, a hozzávetőleges téglalap alakú térfogata:

Ha ugyanaz a szemléltető cella 259 Wh-t tárol:

A Wh/L különösen akkor válik fontossá, ha az elemtartó rekesznek szigorú méretkorlátja van. Egy rendszer elviselhet egy kicsit nehezebb akkumulátort, de még mindig nem áll rendelkezésre további fizikai hely.

Ilyenek például az elektromos járművek akkumulátortálcái, motorkerékpárok, robotok, AGV-k, kompakt energiatároló szekrények és speciális ipari berendezések.

4. Wh/kg vs Wh/L: melyik a fontosabb?

Egyik mérőszám sem általánosan fontosabb. A helyes prioritás az alkalmazástól függ.

5. Miért érhetnek el a tasakos cellák magas energiasűrűséget?

A lítium tasakos cellák laminált rugalmas csomagolást használnak, nem pedig a merev fémet, amelyet hengeres és sok prizmás cella használ. Ez csökkentheti az inaktív csomagolás tömegét, és nagyobb szabadságot biztosít az akkumulátorgyártóknak a cella szélességének, hosszának és vastagságának megtervezésében.

A lapos forma az akkumulátor tervezőit is segítheti a rendelkezésre álló hely hatékony kihasználásában, mivel a cellákat viszonylag kompakt kötegekbe lehet rendezni.

Fontos azonban, hogy ne feltételezzük, hogy minden tasak cella automatikusan nagyobb energiasűrűséggel rendelkezik, mint minden hengeres vagy prizma alakú cella.

A tényleges teljesítmény a következőktől függ:

• Sejtkémia

• Elektróda készítmény

• Sejtkapacitás

• Csomagolás tervezés

• Szükséges kisülési sebesség

• Biztonsági határok

• Ciklus-élettartam-célok

• Üzemi hőmérséklet

• Gyártási folyamat

A cellaformátum csak egy része az energia-sűrűség egyenletnek.

A nagy energiájú lítium-ion opciókat összehasonlító ügyfelek számára a Misen számos lehetőséget kínál NCM tasakcellák elektromos járművekhez, mobilitáshoz, robotikához és ipari akkumulátorokhoz.

6. A kémia ugyanolyan fontos, mint a sejtformátum

Két közel azonos méretű tasakcella nagyon eltérő energiasűrűséggel, teljesítménytel, ciklusélettartammal és termikus viselkedéssel rendelkezhet. Ennek az az oka, hogy a belső kémia és a sejtkialakítás eltérő.

Emiatt rossz eredményhez vezethet, ha csak a legmagasabb Wh/kg-szám alapján választ akkumulátort. A legjobb cella az, amelyik kielégíti a teljes rendszerkövetelményt.

7. A sejtenergia-sűrűség nem a csomag energiasűrűsége

Ez az egyik legfontosabb koncepció az akkumulátor tervezésében.

A gyártó cellaspecifikációja általában a csupasz cellát írja le . A kész akkumulátorcsomag számos további alkatrészt tartalmaz, amelyek nem tárolnak elektromos energiát, de szükségesek a biztonságos és megbízható működéshez.

Minden további komponens tömeget és térfogatot ad a sejtenergia hozzáadása nélkül. Ennek eredményeként a csomagszintű Wh/kg és Wh/L mindig alacsonyabb lesz, mint a megfelelő csupasz cella értékek, ha ugyanazon az energiaalapon mérik.

8. Egy egyszerű cella-csomag energiasűrűségi példa

Vegyünk egy egyszerűsített akkumulátort, amely 20 cellát tartalmaz. Tegyük fel, hogy minden cella rendelkezik:

• 250 Wh névleges energia

• 0,95 kg súlyú

• 0,55 liter cellatérfogat

A sejtek együttesen biztosítják:

Csak cella szinten:

Tegyük fel, hogy a kész csomag további 7 kg-ot és 5 litert igényel a házhoz, a BMS-hez, az elektromos csatlakozásokhoz, a szerkezeti elemekhez és a hőkezeléshez.

A kész akkumulátor körülbelül:

• 26 kg össztömeg

• 16L teljes térfogat

• 5 kWh névleges energia

A csomagszintű névleges energiasűrűség tehát megközelítőleg:

A sejtek nem változtak. A különbség teljes mértékben a használható akkumulátorrendszer létrehozásához szükséges alkatrészekből adódik.

Megjegyzés: Ez csak szemléltető számítás. Az akkumulátorcsomag valódi architektúrája, a rezsi és a felhasználható energia jelentősen eltér az alkalmazástól és a kialakítástól függően.

9. Mi csökkenti a csomagszintű energiasűrűséget?

Számos szükséges rendszerelem csökkenti a végső kiszerelési szintet Wh/kg és Wh/L.

Akkumulátorkezelő rendszer

A BMS figyeli a cella feszültségét, hőmérsékletét, áramát és töltöttségi állapotát, miközben vezérli az akkumulátor védelmi funkcióit. Az elektronika, az érzékelő vezetékek és a kapcsolódó hardver tömeget növel, és fizikai helyet igényel.

Gyűjtők, kontaktorok és biztosítékok

A nagyáramú akkumulátorrendszerek megfelelő méretű elektromos vezetőket és védőberendezéseket igényelnek. Minél nagyobb az üzemi áram, annál fontosabbá válik az elektromos ellenállás, a vezeték keresztmetszete és a hőtermelés.

Sejttömörítés és mechanikai támogatás

A tasakos cellák rugalmas laminált csomagolást használnak, ezért általában tervezett tartószerkezetre van szükségük. A modulnak meg kell védenie a cellát a túlzott hajlítástól, vibrációtól és mechanikai sérülésektől, miközben meg kell őriznie a megfelelő cellapozíciót és összenyomást.

Hőkezelés

A nagy teljesítményű vagy nagyenergiájú akkumulátorrendszerekhez hűtőlemezekre, termikus interfész anyagokra, légcsatornákra vagy egyéb hőkezelési komponensekre lehet szükség. Ezek az alkatrészek súlyt és térfogatot is elfoglalnak.

Bezárás és környezetvédelem

A komplett akkumulátor ütés, rezgés, por, nedvesség és külső elektromos veszélyek elleni védelemre szorulhat. A ház a kész rendszer súlyának jelentős részét képviselheti.

10. Névleges energia vs. felhasználható akkumulátor energia

Egy másik gyakori hiba, hogy a névleges akkumulátorenergiát és a felhasználható energiát azonos számként kezelik.

A 100 kWh névleges teljesítményű csomag normál működés közben nem feltétlenül ad 100 kWh energiát. A BMS tartalékolhat energiát a töltési állapot tartományának tetején és alján, hogy megvédje az akkumulátort és fenntartsa a szükséges élettartamot.

Az előzetes tervezéshez a felhasználható energia a következőképpen becsülhető meg:

Például, ha egy 100 kWh-s akkumulátort 80%-ban használható SOC ablakon keresztül működtetnek:

Ez egy egyszerűsített műszaki becslés. A tényleges leadott energia a cellafeszültség viselkedésétől, a hőmérséklettől, az áramerősségtől, az öregedéstől, a BMS-korlátoktól és a rendszer hatékonyságától is függ.

11. Névleges csomagenergia vs. felhasználható csomagenergia-sűrűség

Visszatérve az előző 5 kWh-s akkumulátoros példához, tegyük fel, hogy a BMS körülbelül 80%-os felhasználható energia ablakot tesz lehetővé.

Az egyszerűsített felhasználható energia a következőképpen alakul:

A teljes 26 kg-os, 16 literes akkumulátorral:

Ez a példa megmutatja, miért nem szabad összetéveszteni három számot:

• A csupasz sejt energiasűrűsége

• A kész csomag névleges energiasűrűsége

• Használható kész energiasűrűség

Különféle mérnöki kérdésekre válaszolnak.

12. Az energiasűrűség nem teljesítménysűrűség

A nagy energiájú cella nem automatikusan nagy teljesítményű cella.

Az energiasűrűség megmutatja, hogy mennyi energiát lehet tárolni. A teljesítmény képesség azt írja le, hogy az energia milyen gyorsan szállítható vagy fogadható el.

Például két 70 Ah-s tasakcellának hasonló Wh/kg értékei lehetnek, de nagyon eltérőek:

• Folyamatos kisülési áram

• Csúcs kisülési áram

• Gyors töltési lehetőség

• Belső ellenállás

• Hőtermelés

Az UAV, a teljesítmény EV vagy a nagy teljesítményű tengeri rendszer ezért valamivel alacsonyabb energiasűrűségű cellát igényelhet, ha az sokkal erősebb kisülési képességet biztosít.

Ez az oka annak, hogy a cellák kiválasztásánál össze kell hasonlítani az energiát, a teljesítményt, a ciklus élettartamát, a méreteket és a hőteljesítményt.

13. Nagy formátumú tasakos cellák és csomagolás kialakítása

A nagy formátumú tasakcellák leegyszerűsíthetnek néhány akkumulátor-architektúrát, mivel mindegyik cella több energiát tárol, mint egy kis hengeres cella. Ez csökkentheti a párhuzamos cellák és elektromos csatlakozási pontok számát, amelyek szükségesek a célcsomag-kapacitás eléréséhez.

A nagyobb sejtek azonban gondos mérlegelést igényelnek:

• Hőeloszlás a sejtfelületen

• A fül hőmérséklete és csatlakozási ellenállása

• Mechanikai támaszték

• Sejttömörítés

• Sejtkonzisztencia

• Szervizelhetőség

• Hibaelhárítás

A kevesebb cella nem jelent automatikusan jobb akkumulátort. A helyes cellaméret a teljes rendszer elektromos és mechanikai felépítésétől függ.

A Misen több nagy formátumú tasakcella opciót kínál, ahelyett, hogy egyetlen kapacitásra korlátozná az ügyfeleket. Ilyen például a P70A 70Ah tasak cella,119Ah NMC tasak cella ésK103 103Ah NMC tasak cella.

14. Hogyan hasonlítsuk össze helyesen a tasak sejt energiasűrűségét

Az adatlapok összehasonlítása félrevezető lehet, ha a mérések nem azonos feltételeken alapulnak. Mielőtt két cellát Wh/kg vagy Wh/L alapján rangsorolna, ellenőrizze, hogy az egyes értékek pontosan mit jelentenek.

Az értelmes összehasonlítás érdekében erősítse meg:

• Névleges feszültség: ugyanazt a feszültségdefiníciót használják?

• Kapacitás: Milyen kisülési sebesség és hőmérséklet mellett mérték a kapacitást?

• Cella súlya: Tartalmaz füleket, szigetelést vagy további hardvert?

• Dimenziók: A füleket tartalmazza vagy kizárja?

• Vastagság: Milyen SOC és mechanikai nyomás mellett mértük a vastagságot?

• Energiaszámítás: Az energiát a névleges V × Ah használatával számítják ki, vagy a kisülési görbe integrálásával mérik?

• Hőmérséklet: A cellákat összehasonlítható körülmények között tesztelték?

• Cella állapota: Mindkét cella új és hasonló gyártási tételekből származik?

Következetes mérési határ nélkül két hirdetett energiasűrűség-szám összehasonlítása könnyen téves következtetésre vezethet.

15. A legnagyobb energiasűrűség a legjobb akkumulátort jelenti?

Nem.

Az energiasűrűség csak egy tervezési változó. Előfordulhat, hogy egy nagyon magas Wh/kg értékkel rendelkező cella nem a legjobb megoldás, ha projektje megköveteli:

• Nagyon nagy folyamatos áram

• Magas csúcsteljesítmény

• Rendkívül hosszú ciklusélettartam

• Gyors töltés

• Alacsony hőmérsékletű működés

• Egy adott cellavastagság vagy lábnyom

• Alacsonyabb rendszerköltség

• Különböző biztonsági vagy tanúsítási követelmények

Az akkumulátor kiválasztása ezért többváltozós optimalizálási probléma, nem pedig verseny a legmagasabb specifikációs számért.

16. A megfelelő tasak cella kiválasztása az alkalmazáshoz

A cella kiválasztása előtt határozza meg a teljes akkumulátorrendszer követelményeit.

Ha elektromos járművekhez vagy más nagy energiájú alkalmazásokhoz hasonlítja össze a cellákat, felfedezheti a Misen-féleEV akkumulátor modul megoldások.

17. Cellaszintű optimalizálás vs rendszerszintű optimalizálás

A legjobb adatlapszámú cella nem feltétlenül állítja elő a legjobb komplett akkumulátort.

Egy kicsit nehezebb cella leegyszerűsítheti a hűtést. Egy nagyobb cella csökkentheti a gyűjtősín és a csatlakozás bonyolultságát. Az alacsonyabb energiájú kémia hosszabb élettartamot biztosíthat. A vékonyabb cella sokkal jobb modulelrendezést tesz lehetővé.

Éppen ezért a professzionális akkumulátortervezésnek az egész rendszert optimalizálnia kell , nem csak a csupasz cellát.

BMS-választást, cellaillesztést, modulszerkezetet, gyűjtősín-tervezést vagy testreszabott akkumulátorcsomag-fejlesztést igénylő projektekhez a Misen is biztosítOEM és ODM akkumulátor mérnöki támogatás.

Gyakran Ismételt Kérdések

Mi a jó Wh/kg egy tasakos cellához?

Nincs egyetlen Wh/kg érték, amely meghatározná a jó tasakcellát. A megfelelő cél a kémiától, a kisülési követelményektől, a ciklus élettartamától, a hőmérséklettől, a biztonsági tervezéstől és az alkalmazástól függ. A sejteket egyenértékű vizsgálati körülmények között kell összehasonlítani.

Mi a különbség a Wh/kg és a Wh/L között?

A Wh/kg a tömeghez viszonyított energiát, míg a Wh/L a fizikai térfogathoz viszonyított energiát méri. A Wh/kg különösen fontos a súlyérzékeny rendszerekben, míg a Wh/L akkor válik kritikussá, ha az akkumulátor kapacitása korlátozott.

Hogyan számíthatom ki a tasak cella energiasűrűségét?

Először számítsa ki a névleges cellaenergiát a feszültség × kapacitás használatával. Osszuk el ezt az energiát a cella tömegével, kilogrammban Wh/kg-ban, vagy osszuk el a cella térfogatával literben Wh/L esetén.

Miért kisebb az akkumulátor energiasűrűsége, mint a cella energiasűrűsége?

A kész csomag olyan komponenseket tartalmaz, mint a BMS, burkolat, sínek, vezetékek, hűtőszerkezet, szigetelés, kompressziós rendszer és védelmi eszközök. Növelik a csomag súlyát és térfogatát anélkül, hogy növelnék a sejtenergiát.

Egy tasak cella mindig energiasűrűbb, mint egy hengeres cella?

Nem. A tasakos csomagolás csökkentheti az inaktív csomagolás tömegét és rugalmas méreteket biztosít, de a tényleges energiasűrűség a teljes cella kialakításától és kémiától függ. Az egyes cellamodelleket közvetlenül kell összehasonlítani, nem pedig azt feltételezni, hogy az egyik formátum mindig jobb.

A nagyobb energiasűrűség nagyobb kisülési áramot jelent?

Nem feltétlenül. Az energiasűrűség és a teljesítményképesség különböző specifikációk. A nagyenergiájú cella futási időre optimalizálható, nem pedig rendkívül nagy áramerősségre. Mindig külön ellenőrizze a folyamatos áramot, a csúcsáramot, a belső ellenállást és a termikus határértékeket.

Mi a felhasználható akkumulátor energia?

A felhasználható energia az a névleges energia mennyisége, amelyhez az akkumulátorrendszer normál működés közben hozzáférhet az alkalmazásnak. A BMS feszültséghatárai, az SOC határértékek, a hőmérséklet, az öregedés és a rendszer hatékonysága mind befolyásolhatják a ténylegesen felhasználható energiát.

Következtetés

A tasak cella energiasűrűsége nem értékelhető egyetlen számból.

A Wh/kg azt mutatja meg, hogy egy cella tömeg szerint milyen hatékonyan tárolja az energiát, a Wh/L pedig azt, hogy milyen hatékonyan használja fel a helyet. De egyik érték sem jelenti közvetlenül a kész akkumulátor teljesítményét.

Miután a cellákat integrálták szerkezeti alátámasztással, gyűjtősínekkel, BMS elektronikával, hőkezeléssel és védőburkolattal, a csomagszintű energiasűrűség csökken. A napi működés során rendelkezésre álló felhasználható energia ismét alacsonyabb lehet az SOC-korlátok és egyéb rendszerkorlátok miatt.

EV, ESS, UAV, robotika és ipari akkumulátorprojektek esetében ezért a legjobb megközelítés a következők értékelése:

• Wh/kg

• Wh/L

• Folyamatos és csúcsáram

• Ciklusélettartam

• A cella méretei

• Hőmérséklet tartomány

• Csomagintegrációs követelmények

• Teljes felhasználható rendszerenergia

A Misen teljes kínálatában böngészhetnagy formátumú tasakcellák , vagy lépjen kapcsolatba csapatunkkal a cellaválasztás és az akkumulátorcsomag mérnöki támogatása érdekében.