パウチセルのエネルギー密度の説明: Wh/kg、Wh/L、セルとパック、および使用可能なエネルギー

エネルギー密度は、エンジニアがリチウム電池セルを比較する際に最初に検討する仕様の 1 つです。ただし、 などの数値は 270Wh/kg や 600Wh/L すべてを物語るものではありません。

EV、エネルギー貯蔵システム、UAV、ロボット、または産業用バッテリー パックに適切なバッテリーを選択するには、次の 3 つの異なる質問を理解する必要があります。

• 細胞はその 重量に対してどのくらいのエネルギーを蓄えますか?

• そのに対してどのくらいのエネルギーが蓄えられるか 体積?

• セルが完全なバッテリーパックに組み込まれた後、そのエネルギーのうちどのくらいが利用可能なままになるのでしょうか?

これらの質問は、 重量エネルギー密度 (Wh/kg)、, 体積エネルギー密度 (Wh/L) 、および 使用可能なパック エネルギーに対応します。.

このガイドでは、各指標の計算方法、セルレベルとパックレベルのエネルギー密度が異なる理由、およびラージフォーマットの比較方法について説明します。 リチウムパウチセル。実際のバッテリープロジェクト用の

1. バッテリーのエネルギー密度とは何を意味しますか?

バッテリーのエネルギー密度は、一定の重量または空間内にどれだけの電気エネルギーを蓄えることができるかを表します。バッテリー容量だけと混同しないでください。

たとえば、100Ah セルが自動的に 70Ah セルよりもエネルギー密度が高くなるわけではありません。大きなセルは単に重いか、物理的に大きいだけである可能性があります。

異なるセルを正しく比較するために、エンジニアは通常、セルのエネルギーをワット時で評価し、そのエネルギーを質量または体積に関連付けます。

公称セルエネルギー:Wh

最初の計算は簡単です。

3.7V 70Ah リチウムイオン セルの例:

したがって、セルは約 259Wh の公称エネルギーを蓄えます。これは、Wh/kg と Wh/L の両方を計算するための開始点です。

2. 重量エネルギー密度 (Wh/kg) とは何ですか?

重量エネルギー密度は、 バッテリーがその質量に対してどれだけのエネルギーを蓄えているかを測定します。キログラムあたりのワット時で表されます。

例示的なセルが 259Wh を蓄え、重量が 0.95kg であると仮定します。

Wh/kg の値が高いほど、同じバッテリー重量でより多くのエネルギーを輸送できることを意味します。

これは、次のような重量に敏感なアプリケーションでは特に重要です。

• 電気自動車

• 電動バイク

• UAVとドローン

• ロボット工学

• 船舶用推進システム

• ポータブル産業機器

EV の場合、バッテリーの質量を減らすと、航続距離、積載量、車両効率の向上につながる可能性があります。 UAV の場合、バッテリー重量の比較的小さな変化でも、飛行時間と使用可能なペイロードに大きな影響を与える可能性があります。

3. 体積エネルギー密度 (Wh/L) とは何ですか?

体積エネルギー密度は、 特定の物理体積内にどれだけのエネルギーを蓄えることができるかを測定します。 1 リットルあたりのワット時で表されます。

セルの寸法が 400mm × 100mm × 14mm の場合、そのおおよその長方形の体積は次のようになります。

同じ例示的なセルが 259Wh を保存する場合:

Wh/L は、バッテリー収納部の寸法制限が厳しい場合に特に重要になります。システムは、わずかに重いバッテリーを許容しても、追加の物理的スペースが利用できない場合があります。

例としては、EV バッテリー トレイ、オートバイ、ロボット、AGV、コンパクトなエネルギー貯蔵キャビネット、特殊な産業機器などが挙げられます。

4. Wh/kg と Wh/L: どちらがより重要ですか?

どちらの指標も普遍的に重要というわけではありません。正しい優先順位はアプリケーションによって異なります。

5. パウチセルが高エネルギー密度を達成できる理由

リチウムパウチ電池は、円筒形や多くの角形電池で使用される硬い金属缶ではなく、ラミネートされた柔軟なパッケージを使用します。これにより、非アクティブなパッケージングの質量が軽減され、電池メーカーはセルの幅、長さ、厚さをより自由に設計できるようになります。

平らな形状は、セルを比較的コンパクトなスタックに配置できるため、電池設計者が利用可能なスペースを効率的に利用するのにも役立ちます。

ただし、と想定しないことが重要です。 すべてのパウチセルが自動的にすべての円筒形または角柱形セルよりも高いエネルギー密度を持つ.

実際のパフォーマンスは以下によって決まります。

• 細胞化学

• 電極の配合

• セル容量

• パッケージデザイン

• 必要吐出量

• 安全マージン

• サイクルライフ目標

• 動作温度

• 製造工程

セル形式はエネルギー密度方程式の一部にすぎません。

高エネルギーリチウムイオンのオプションを比較するお客様のために、ミセンはさまざまな製品を提供しています。 NCM パウチセル。EV、モビリティ、ロボティクス、産業用バッテリー用途向けの

6. セルのフォーマットと同じくらい化学も重要

ほぼ同じ寸法を持つ 2 つのパウチ セルは、エネルギー密度、出力能力、サイクル寿命、熱挙動が大きく異なる場合があります。その理由は、内部の化学反応とセルの設計が異なるためです。

このため、Wh/kg の最大値だけを基準にバッテリーを選択すると、間違った結果につながる可能性があります。最良のセルとは、システム要件を完全に満たすセルです。

7. セルのエネルギー密度はパックのエネルギー密度ではありません

これはバッテリー設計における最も重要な概念の 1 つです。

通常、メーカーのセル仕様には ベアセルが記載されています。完成したバッテリーパックには、電気エネルギーを蓄えませんが、安全で信頼性の高い動作に必要な多くの追加コンポーネントが含まれています。

コンポーネントを追加するたびに、細胞エネルギーを追加することなく質量と体積が増加します。その結果、同じエネルギーベースで測定した場合、パックレベルの Wh/kg および Wh/L は、対応するベアセルの数値よりも常に低くなります。

8. セルからパックまでの簡単なエネルギー密度の例

20 個のセルを使用する単純化されたバッテリーを考えてみましょう。各セルには次のものがあると仮定します。

• 250Wh 公称エネルギー

• 重量0.95kg

• セル容量0.55L

セルは一緒になって以下を提供します。

セルのみのレベル:

ここで、完成したパックには、エンクロージャ、BMS、電気接続、構造コンポーネント、および熱管理のために追加の 7kg と 5L が必要であると仮定します。

完成したバッテリーはおよそ次のようになります。

• 総質量26kg

• 総容量16L

• 5kWh 公称エネルギー

したがって、パックレベルの公称エネルギー密度はおよそ次のようになります。

細胞は変わっていません。違いは完全に、使用可能なバッテリー システムを作成するために必要なコンポーネントにあります。

注: これは単なる計算例です。実際のバッテリー パックのアーキテクチャ、オーバーヘッド、および使用可能なエネルギーは、アプリケーションや設計によって大きく異なります。

9. パックレベルのエネルギー密度を低下させるものは何ですか?

いくつかの必要なシステムコンポーネントにより、最終的なパックレベルの Wh/kg および Wh/L が削減されます。

バッテリー管理システム

BMS は、バッテリー保護機能を制御しながら、セルの電圧、温度、電流、充電状態を監視します。電子機器、感知ワイヤ、および関連ハードウェアにより質量が増加し、物理的なスペースが必要になります。

バスバー、コンタクタ、ヒューズ

高電流バッテリー システムには、適切なサイズの導電体と保護装置が必要です。動作電流が高くなるほど、電気抵抗、導体断面積、発熱がより重要になります。

セルの圧縮と機械的サポート

パウチセルは柔軟なラミネートパッケージを使用しているため、通常は設計された支持構造が必要です。モジュールは、適切なセルの位置と圧縮を維持しながら、過度の曲げ、振動、機械的損傷からセルを保護する必要があります。

熱管理

高出力または高エネルギーのバッテリー システムには、冷却プレート、サーマル インターフェイス材料、エア チャネル、またはその他の熱管理コンポーネントが必要な場合があります。これらのコンポーネントは重量と体積の両方を占めます。

筐体と環境保護

完成したバッテリーには、衝撃、振動、ほこり、湿気、および外部の電気的危険に対する保護が必要な場合があります。エンクロージャは、完成したシステムの重量の重要な部分を占める場合があります。

10. 公称エネルギーと使用可能なバッテリーエネルギー

もう 1 つのよくある間違いは、公称バッテリー エネルギーと使用可能なエネルギーを同じ数値として扱うことです。

定格 100kWh のパックが、通常の動作中に必ずしも 100kWh のエネルギーを供給するとは限りません。 BMS は、バッテリを保護し、必要な耐用年数をサポートするために、充電状態範囲の上限と下限でエネルギーを蓄えることがあります。

事前計画の場合、使用可能なエネルギーは次のように推定できます。

たとえば、100kWh のバッテリが 80% の使用可能な SOC ウィンドウを超えて動作している場合:

これは単純化されたエンジニアリング見積もりです。実際に供給されるエネルギーは、セル電圧の動作、温度、電流、経年劣化、BMS 制限、システム効率にも依存します。

11. 公称パックエネルギーと使用可能なパックエネルギー密度

前の 5kWh バッテリの例に戻って、BMS が約 80% の使用可能なエネルギー ウィンドウを許可していると仮定します。

単純化された利用可能なエネルギーは次のようになります。

26kg、16L の完全なバッテリーを使用する場合:

この例は、3 つの数値を混同すべきではない理由を示しています。

• ベアセルのエネルギー密度

• 公称完成パックエネルギー密度

• 使用可能な完成パックエネルギー密度

彼らはさまざまなエンジニアリングの質問に答えます。

12. エネルギー密度は電力密度ではない

高エネルギーセルは自動的に高出力セルになるわけではありません。

エネルギー密度は 、どれだけのエネルギーを貯蔵できるかを示します。電力能力は、 そのエネルギーがどれだけ早く供給または受け入れられるかを表します。

たとえば、2 つの 70Ah パウチ セルの Wh/kg 値は似ていますが、大きく異なる場合があります。

• 連続放電電流

• ピーク放電電流

• 急速充電機能

• 内部抵抗

• 発熱

したがって、UAV、高性能EV、または高出力海洋システムは、より強力な放電能力を提供する場合、わずかに低いエネルギー密度のセルを必要とする可能性があります。

このため、セルの選択では、 エネルギー、電力、サイクル寿命、寸法、熱性能を総合的に比較する必要があります。.

13. 大判パウチセルとパックデザイン

大型パウチセルは、各セルが小さな円筒形セルよりも多くのエネルギーを蓄えるため、一部のバッテリーアーキテクチャを簡素化できます。これにより、目標パック容量に達するために必要な並列セルと電気接続ポイントの数を減らすことができます。

ただし、セルが大きい場合は、次の点についても慎重に考慮する必要があります。

• セル表面全体の熱分布

• タブ温度と接続抵抗

• 機械的サポート

• セル圧縮

• セルの一貫性

• 保守性

• 障害の封じ込め

セルの数が少ないからといって、自動的にバッテリー パックが優れていることを意味するわけではありません。正しいセル サイズは、システム全体の電気的および機械的アーキテクチャによって異なります。

Misen は、顧客を単一の容量に限定するのではなく、複数の大判パウチセルのオプションを提供しています。例としては、 P70A 70Ahパウチセル,119Ah NMCパウチセルとK103 103Ah NMCパウチセル.

14. パウチセルのエネルギー密度を正しく比較する方法

測定が同じ条件に基づいていない場合、データシートの比較は誤解を招く可能性があります。 2 つのセルを Wh/kg または Wh/L でランク付けする前に、それぞれの値が何を表すかを正確に確認してください。

意味のある比較を行うには、次の点を確認してください。

• 公称電圧: 同じ電圧定義が使用されていますか?

• 容量: 容量はどのような放電速度と温度で測定されましたか?

• セルの重量: タブ、絶縁体、または追加のハードウェアは含まれますか?

• 寸法: タブは含まれますか、それとも除外されますか?

• 厚さ: どのような SOC と機械的圧力で厚さが測定されましたか?

• エネルギー計算: エネルギーは公称 V × Ah を使用して計算されますか、それとも放電曲線を積分することによって測定されますか?

• 温度: セルは同等の条件下でテストされましたか?

• セルの状態: どちらのセルも新品で、同等の生産バッチのものですか?

一貫した測定境界がなければ、宣伝されている 2 つのエネルギー密度数値を比較すると、誤った結論が容易に得られる可能性があります。

15. 最高のエネルギー密度は最高のバッテリーを意味しますか?

いいえ。

エネルギー密度は設計変数の 1 つにすぎません。プロジェクトで次のことが必要な場合、Wh/kg の数値が非常に高いセルは最良の選択肢ではない可能性があります。

• 非常に高い連続電流

• 高いピーク電力

• 非常に長いサイクル寿命

• 急速充電

• 低温動作

• 特定のセルの厚さまたは設置面積

• システムコストの削減

• さまざまな安全性または認証要件

したがって、バッテリーの選択は、最高の仕様数値を競うものではなく、多変数の最適化問題になります。

16. アプリケーションに適したパウチセルの選択

セルを選択する前に、完全なバッテリー システムの要件を定義します。

EV またはその他の高エネルギー用途のセルを比較している場合は、Misen のセルを検討することもできます。EV電池モジュールソリューション.

17. セルレベルの最適化とシステムレベルの最適化

最良のデータシート番号を持つセルが、必ずしも最良の完全なバッテリーを生成するとは限りません。

セルを少し重いと冷却が簡単になる場合があります。セルが大きくなると、バスバーと接続の複雑さが軽減される場合があります。より低いエネルギーの化学反応により、より長い耐用年数が得られる可能性があります。セルを薄くすると、モジュールのレイアウトがさらに良くなる可能性があります。

そのため、プロのバッテリー設計では、 システム全体を最適化する必要があります。ベアセルだけでなく

BMS の選択、セルのマッチング、モジュール構造、バスバーの計画、またはカスタマイズされたバッテリー パックの開発が必要なプロジェクトに対しても、ミセンは次のようなサービスを提供します。OEM および ODM バッテリー エンジニアリング サポート.

よくある質問

パウチセルの適切な Wh/kg はどれくらいですか?

優れたパウチセルを定義する単一の Wh/kg 値はありません。適切なターゲットは、化学的性質、放電要件、サイクル寿命、温度、安全設計および用途によって異なります。セルは同等のテスト条件下で比較する必要があります。

Wh/kgとWh/Lの違いは何ですか？

Wh/kg は重量を基準としたエネルギーを測定し、Wh/L は物理体積を基準としたエネルギーを測定します。 Wh/kg は重量に敏感なシステムでは特に重要ですが、利用可能なバッテリーのスペースが限られている場合は Wh/L が重要になります。

パウチセルのエネルギー密度はどのように計算すればよいですか?

まず、電圧×容量を使用して公称セルエネルギーを計算します。このエネルギーをキログラム単位のセル重量で割って Wh/kg にするか、リットル単位のセル容積で割って Wh/L を求めます。

バッテリーパックのエネルギー密度がセルのエネルギー密度よりも低いのはなぜですか?

完成したパックには、BMS、エンクロージャ、バスバー、配線、冷却構造、断熱材、圧縮システム、保護デバイスなどのコンポーネントが含まれています。セルのエネルギーを増加させることなく、パックの重量と体積を増加させます。

パウチ型電池は常に円筒型電池よりもエネルギー密度が高いのでしょうか?

いいえ、パウチ包装は不活性包装の質量を減らし、柔軟な寸法を提供できますが、実際のエネルギー密度は完全なセルの設計と化学反応に依存します。 1 つの形式が常に優れていると仮定するのではなく、個々の細胞モデルを直接比較する必要があります。

エネルギー密度が高いということは、放電電流が高いことを意味しますか?

必ずしもそうとは限りません。エネルギー密度と電力能力は異なる仕様です。高エネルギーセルは、極度の高電流ではなく、実行時間に合わせて最適化される場合があります。連続電流、ピーク電流、内部抵抗、および温度制限を常に個別に確認してください。

使用可能なバッテリーエネルギーとは何ですか?

使用可能なエネルギーは、バッテリー システムが通常の動作中にアプリケーションにアクセスできる公称エネルギー量です。 BMS 電圧制限、SOC 制限、温度、経年劣化、システム効率はすべて、実際に使用可能なエネルギーに影響を与える可能性があります。

結論

パウチセルのエネルギー密度は単一の数値から評価することはできません。

Wh/kg は 重量に応じてセルがエネルギーをどれだけ効率的に蓄えるかを示し、 Wh/L は スペースをどれだけ効率的に使用するかを示します。ただし、どちらの値も完成したバッテリー パックの性能を直接表すものではありません。

セルが構造サポート、バスバー、BMS 電子機器、熱管理、保護エンクロージャと統合されると、パックレベルのエネルギー密度が低下します。毎日の運用で利用可能なエネルギーは、SOC 制限やその他のシステム制約により再び低くなる可能性があります。

したがって、EV、ESS、UAV、ロボット工学、産業用バッテリーのプロジェクトの場合、最善のアプローチは以下を評価することです。

• Wh/kg

• Wh/L

• 連続電流とピーク電流

• サイクル寿命

• セルの寸法

• 温度範囲

• パックの統合要件

• 使用可能なシステム エネルギーの合計

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