파우치 셀 에너지 밀도 설명: Wh/kg, Wh/L, 셀 대 팩 및 사용 가능한 에너지

에너지 밀도는 엔지니어가 리튬 배터리 셀을 비교할 때 가장 먼저 살펴보는 사양 중 하나입니다. 그러나 와 같은 숫자가 270Wh/kg 또는 600Wh/L 전체 내용을 말해주지는 않습니다.

EV, 에너지 저장 시스템, UAV, 로봇 또는 산업용 배터리 팩에 적합한 배터리를 선택하려면 다음 세 가지 질문을 이해해야 합니다.

• 세포는 무게에 비해 얼마나 많은 에너지를 저장합니까??

• 에 비해 얼마나 많은 에너지를 저장합니까? 부피 ?

• 셀이 완전한 배터리 팩에 통합된 후에도 해당 에너지 중 얼마나 많은 양의 에너지를 사용할 수 있습니까?

이러한 질문은 중량 에너지 밀도(Wh/kg), , 체적 에너지 밀도(Wh/L) 및 사용 가능한 팩 에너지 에 해당합니다..

이 가이드에서는 각 지표를 계산하는 방법, 셀 수준과 팩 수준의 에너지 밀도가 다른 이유, 대형 형식을 비교하는 방법에 대해 설명합니다. 리튬 파우치 셀 .실제 배터리 프로젝트를 위한

1. 배터리 에너지 밀도는 무엇을 의미합니까?

배터리 에너지 밀도는 일정량의 무게나 공간 내에 얼마나 많은 전기 에너지를 저장할 수 있는지를 나타냅니다. 배터리 용량만으로 혼동해서는 안 됩니다.

예를 들어, 100Ah 셀은 자동으로 70Ah 셀보다 에너지 밀도가 더 높지 않습니다. 더 큰 셀은 단순히 더 무겁거나 물리적으로 더 클 수 있습니다.

다양한 셀을 정확하게 비교하기 위해 엔지니어는 일반적으로 셀의 에너지를 와트시 단위로 평가한 다음 해당 에너지를 질량 또는 부피와 연관시킵니다.

공칭 셀 에너지: Wh

첫 번째 계산은 간단합니다.

예시적인 3.7V 70Ah 리튬 이온 셀의 경우:

따라서 셀은 약 259Wh의 공칭 에너지를 저장합니다. 이는 Wh/kg과 Wh/L을 모두 계산하는 출발점입니다.

2. 중량 에너지 밀도(Wh/kg)란 무엇입니까?

중량 에너지 밀도는 배터리가 질량에 비해 얼마나 많은 에너지를 저장하는지를 측정합니다. 킬로그램당 와트시로 표시됩니다.

예시적인 셀이 259Wh를 저장하고 무게가 0.95kg이라고 가정합니다.

Wh/kg 값이 높을수록 동일한 배터리 무게로 더 많은 에너지를 운반할 수 있다는 의미입니다.

이는 다음과 같이 무게에 민감한 응용 분야에서 특히 중요합니다.

• 전기 자동차

• 전기 오토바이

• UAV 및 드론

• 로봇공학

• 해양 추진 시스템

• 휴대용 산업용 장비

EV의 경우 배터리 질량을 줄이면 주행 거리, 탑재량 용량 및 차량 효율성을 향상시키는 데 도움이 될 수 있습니다. UAV의 경우 배터리 무게의 상대적으로 작은 변화라도 비행 시간과 사용 가능한 탑재량에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

3. 체적 에너지 밀도(Wh/L)란 무엇입니까?

체적 에너지 밀도는 주어진 물리적 부피 내에 얼마나 많은 에너지가 저장될 수 있는지를 측정합니다. 리터당 와트시로 표시됩니다.

셀의 크기가 400mm × 100mm × 14mm인 경우 대략적인 직사각형 부피는 다음과 같습니다.

동일한 예시 셀이 259Wh를 저장하는 경우:

Wh/L은 배터리 칸의 크기 제한이 엄격할 때 특히 중요합니다. 시스템은 약간 더 무거운 배터리를 견딜 수 있지만 여전히 사용 가능한 추가 물리적 공간이 없습니다.

예로는 EV 배터리 트레이, 오토바이, 로봇, AGV, 소형 에너지 저장 캐비닛 및 특수 산업 장비가 있습니다.

4. Wh/kg vs Wh/L: 어느 것이 더 중요합니까?

어느 측정항목도 보편적으로 더 중요하지 않습니다. 올바른 우선순위는 애플리케이션에 따라 다릅니다.

5. 파우치 셀이 높은 에너지 밀도를 달성할 수 있는 이유

리튬 파우치 셀은 원통형 및 여러 각형 셀에서 사용되는 견고한 금속 대신 적층형 유연성 패키지를 사용합니다. 이는 일부 비활성 패키징 질량을 줄이고 배터리 제조업체가 셀의 너비, 길이 및 두께를 더 자유롭게 설계할 수 있도록 해줍니다.

평평한 모양은 셀이 상대적으로 컴팩트한 스택으로 배열될 수 있기 때문에 배터리 설계자가 사용 가능한 공간을 효율적으로 사용하는 데 도움이 될 수 있습니다.

그러나 고 가정하지 않는 것이 중요합니다. 모든 파우치 셀이 자동으로 모든 원통형 또는 각형 셀보다 더 높은 에너지 밀도를 갖는다 .

실제 성능은 다음에 따라 달라집니다.

• 세포화학

• 전극 제제

• 셀 용량

• 포장 디자인

• 필수 방전율

• 안전마진

• 주기 수명 목표

• 작동 온도

• 제조공정

셀 형식은 에너지 밀도 방정식의 일부일뿐입니다.

고에너지 리튬 이온 옵션을 비교하는 고객을 위해 Misen은 다양한 제품을 제공합니다. NCM 파우치 셀입니다 .EV, 모빌리티, 로봇 공학 및 산업용 배터리 애플리케이션을 위한

6. 화학은 세포 형식만큼 중요합니다

크기가 거의 동일한 두 개의 파우치 셀은 에너지 밀도, 전력 용량, 사이클 수명 및 열 동작이 매우 다를 수 있습니다. 그 이유는 내부 화학과 셀 디자인이 다르기 때문입니다.

이것이 바로 가장 높은 Wh/kg 수치로만 배터리를 선택하면 잘못된 결과를 초래할 수 있는 이유입니다. 최고의 셀은 전체 시스템 요구 사항을 충족하는 셀입니다.

7. 세포 에너지 밀도는 팩 에너지 밀도가 아니다

이는 배터리 설계에서 가장 중요한 개념 중 하나입니다.

제조업체의 셀 사양은 일반적으로 베어 셀을 설명합니다 . 완성된 배터리 팩에는 전기 에너지를 저장하지 않지만 안전하고 안정적인 작동에 필요한 많은 추가 구성 요소가 포함되어 있습니다.

모든 추가 구성 요소는 세포 에너지를 추가하지 않고도 질량과 부피를 추가합니다. 결과적으로 동일한 에너지 기준으로 측정할 때 팩 수준 Wh/kg 및 Wh/L은 해당 베어 셀 수치보다 항상 낮습니다.

8. 간단한 셀-투-팩 에너지 밀도 예

20개 셀을 사용하는 단순화된 배터리를 생각해 보세요. 각 셀에 다음이 있다고 가정합니다.

• 250Wh 공칭 에너지

• 무게 0.95kg

• 0.55L 셀 용량

셀은 함께 다음을 제공합니다.

셀 전용 수준에서:

이제 완성된 팩에 인클로저, BMS, 전기 연결, 구조 구성 요소 및 열 관리를 위해 추가로 7kg과 5L가 필요하다고 가정합니다.

완성된 배터리는 대략 다음과 같습니다.

• 총질량 26kg

• 총 용량 16L

• 5kWh 공칭 에너지

따라서 팩 수준 공칭 에너지 밀도는 대략 다음과 같습니다.

셀은 변경되지 않았습니다. 차이점은 전적으로 사용 가능한 배터리 시스템을 만드는 데 필요한 구성 요소에서 비롯됩니다.

참고: 이는 예시적인 계산일 뿐입니다. 실제 배터리 팩 아키텍처, 오버헤드 및 사용 가능한 에너지는 애플리케이션과 설계에 따라 크게 다릅니다.

9. 팩 수준 에너지 밀도를 줄이는 것은 무엇입니까?

몇 가지 필수 시스템 구성 요소는 최종 팩 수준 Wh/kg 및 Wh/L을 줄입니다.

배터리 관리 시스템

BMS는 배터리 보호 기능을 제어하면서 셀 전압, 온도, 전류 및 충전 상태를 모니터링합니다. 전자 장치, 감지 와이어 및 관련 하드웨어는 질량을 추가하고 물리적 공간이 필요합니다.

부스바, 접촉기 및 퓨즈

고전류 배터리 시스템에는 적절한 크기의 전기 전도체와 보호 장치가 필요합니다. 작동 전류가 높을수록 전기 저항, 도체 단면적 및 발열이 더 중요해집니다.

세포 압축 및 기계적 지원

파우치 셀은 유연한 적층 포장을 사용하므로 일반적으로 엔지니어링된 지지 구조가 필요합니다. 모듈은 적절한 셀 위치 지정 및 압축을 유지하면서 과도한 굽힘, 진동 및 기계적 손상으로부터 셀을 보호해야 합니다.

열 관리

고전력 또는 고에너지 배터리 시스템에는 냉각판, 열 인터페이스 재료, 공기 채널 또는 기타 열 관리 구성 요소가 필요할 수 있습니다. 이러한 구성 요소는 무게와 부피를 모두 차지합니다.

인클로저 및 환경 보호

전체 배터리는 충격, 진동, 먼지, 습기 및 외부 전기 위험으로부터 보호해야 할 수 있습니다. 인클로저는 완성된 시스템 무게의 의미 있는 부분을 나타낼 수 있습니다.

10. 공칭 에너지와 사용 가능한 배터리 에너지

또 다른 일반적인 실수는 공칭 배터리 에너지와 사용 가능한 에너지를 동일한 숫자로 취급하는 것입니다.

100kWh 등급의 팩은 정상 작동 중에 반드시 100kWh의 에너지를 제공하지는 않습니다. BMS는 배터리를 보호하고 필요한 서비스 수명을 지원하기 위해 충전 상태 범위의 상단과 하단에서 에너지를 예약할 수 있습니다.

예비 계획을 위해 사용 가능한 에너지는 다음과 같이 추정할 수 있습니다.

예를 들어, 100kWh 배터리가 80% 사용 가능한 SOC 창에서 작동되는 경우:

이는 단순화된 엔지니어링 추정치입니다. 실제 전달되는 에너지는 셀 전압 동작, 온도, 전류, 노화, BMS 제한 및 시스템 효율성에 따라 달라집니다.

11. 공칭 팩 에너지 대 사용 가능한 팩 에너지 밀도

이전 5kWh 배터리 예로 돌아가서 BMS가 약 80%의 사용 가능한 에너지 창을 허용한다고 가정합니다.

단순화된 사용 가능한 에너지는 다음과 같습니다.

전체 26kg, 16L 배터리 사용:

이 예에서는 세 숫자를 혼동해서는 안 되는 이유를 보여줍니다.

• 베어 셀 에너지 밀도

• 공칭 완성 팩 에너지 밀도

• 사용 가능한 완성팩 에너지 밀도

그들은 다양한 엔지니어링 질문에 답합니다.

12. 에너지 밀도는 전력 밀도가 아니다

고에너지 셀이 자동으로 고출력 셀이 되는 것은 아닙니다.

에너지 밀도는 얼마나 많은 에너지를 저장할 수 있는지를 나타냅니다. 전력 용량은 해당 에너지가 얼마나 빨리 전달되거나 수용될 수 있는지를 나타냅니다.

예를 들어, 두 개의 70Ah 파우치 셀은 비슷한 Wh/kg 값을 가질 수 있지만 매우 다를 수 있습니다.

• 연속 방전 전류

• 피크 방전 전류

• 고속 충전 기능

• 내부저항

• 발열

따라서 UAV, 고성능 EV 또는 고출력 해양 시스템은 훨씬 더 강력한 방전 기능을 제공하는 경우 약간 더 낮은 에너지 밀도 셀이 필요할 수 있습니다.

이것이 셀 선택이 에너지, 전력, 사이클 수명, 크기 및 열 성능을 함께 비교해야 하는 이유입니다..

13. 대형 파우치 셀 및 팩 디자인

대형 파우치 셀은 각 셀이 작은 원통형 셀보다 더 많은 에너지를 저장하기 때문에 일부 배터리 아키텍처를 단순화할 수 있습니다. 이를 통해 목표 팩 용량에 도달하는 데 필요한 병렬 셀 및 전기 연결 지점의 수를 줄일 수 있습니다.

그러나 더 큰 셀에는 다음 사항도 신중하게 고려해야 합니다.

• 세포 표면 전체의 열 분포

• 탭 온도 및 연결 저항

• 기계적 지원

• 세포 압축

• 셀 일관성

• 서비스 가능성

• 실패억제

셀 수가 적다고 자동으로 배터리 팩이 더 좋아지는 것은 아닙니다. 올바른 셀 크기는 전체 시스템의 전기적, 기계적 아키텍처에 따라 달라집니다.

Misen은 고객을 단일 용량으로 제한하지 않고 다양한 대형 파우치 셀 옵션을 제공합니다. 예를 들면 다음과 같습니다. P70A 70Ah 파우치 셀,119Ah NMC 파우치 셀 및K103 103Ah NMC 파우치 셀.

14. 파우치 셀 에너지 밀도를 올바르게 비교하는 방법

측정이 동일한 조건을 기반으로 하지 않으면 데이터시트 비교가 오해의 소지가 있을 수 있습니다. Wh/kg 또는 Wh/L로 두 셀의 순위를 매기기 전에 각 값이 무엇을 나타내는지 정확히 확인하세요.

의미 있는 비교를 위해 다음을 확인하세요.

• 공칭 전압: 동일한 전압 정의가 사용됩니까?

• 용량: 용량은 어떤 방전율과 온도에서 측정되었습니까?

• 셀 무게: 탭, 단열재 또는 추가 하드웨어가 포함되어 있습니까?

• 측정기준: 탭이 포함되나요, 아니면 제외되나요?

• 두께: 두께는 어떤 SOC 및 기계적 압력에서 측정되었습니까?

• 에너지 계산: 공칭 V × Ah를 사용하여 에너지를 계산합니까, 아니면 방전 곡선을 통합하여 측정합니까?

• 온도: 셀을 비슷한 조건에서 테스트했습니까?

• 셀 상태: 두 셀 모두 새 셀이고 유사한 생산 배치에서 나온 셀입니까?

일관된 측정 경계가 없으면 광고된 두 에너지 밀도 수치를 비교하면 쉽게 잘못된 결론을 내릴 수 있습니다.

15. 에너지 밀도가 가장 높다는 것이 최고의 배터리를 의미합니까?

아니요.

에너지 밀도는 하나의 설계 변수일 뿐입니다. 프로젝트에 다음이 필요한 경우 Wh/kg 수치가 매우 높은 셀은 최선의 선택이 아닐 수 있습니다.

• 매우 높은 연속 전류

• 높은 피크 전력

• 매우 긴 사이클 수명

• 고속 충전

• 저온 작동

• 특정 셀 두께 또는 설치 공간

• 시스템 비용 절감

• 다양한 안전 또는 인증 요구 사항

따라서 배터리 선택은 가장 높은 사양 번호를 위한 경쟁이 아닌 다변수 최적화 문제입니다.

16. 귀하의 응용 분야에 적합한 파우치 셀 선택

셀을 선택하기 전에 전체 배터리 시스템의 요구 사항을 정의하십시오.

EV 또는 기타 고에너지 애플리케이션용 셀을 비교하는 경우 Misen의 제품도 탐색할 수 있습니다.EV 배터리 모듈 솔루션.

17. 셀 수준 최적화와 시스템 수준 최적화

최고의 데이터시트 번호를 가진 셀이 반드시 최고의 완전한 배터리를 생산하는 것은 아닙니다.

약간 무거운 셀은 냉각을 단순화할 수 있습니다. 더 큰 셀은 부스바 및 연결 복잡성을 줄일 수 있습니다. 낮은 에너지 화학은 더 긴 서비스 수명을 제공할 수 있습니다. 더 얇은 셀은 훨씬 더 나은 모듈 레이아웃을 허용할 수 있습니다.

그렇기 때문에 전문적인 배터리 설계는 전체 시스템을 최적화해야 합니다.베어셀뿐만 아니라

BMS 선택, 셀 매칭, 모듈 구조, 버스바 계획 또는 맞춤형 배터리 팩 개발이 필요한 프로젝트의 경우 Misen은 또한 제공합니다.OEM 및 ODM 배터리 엔지니어링 지원.

자주 묻는 질문

파우치 셀에 적합한 Wh/kg은 얼마입니까?

좋은 파우치 셀을 정의하는 단일 Wh/kg 값은 없습니다. 적절한 목표는 화학, 방전 요구 사항, 주기 수명, 온도, 안전 설계 및 응용 분야에 따라 다릅니다. 세포는 동등한 테스트 조건에서 비교되어야 합니다.

Wh/kg과 Wh/L의 차이점은 무엇인가요?

Wh/kg은 무게에 대한 에너지를 측정하는 반면, Wh/L은 물리적 부피에 대한 에너지를 측정합니다. Wh/kg은 무게에 민감한 시스템에 특히 중요한 반면, Wh/L은 사용 가능한 배터리 공간이 제한적일 때 중요합니다.

파우치 셀 에너지 밀도는 어떻게 계산합니까?

먼저 전압 × 용량을 사용하여 공칭 셀 에너지를 계산합니다. 이 에너지를 Wh/kg의 경우 킬로그램 단위 셀 중량으로 나누거나 Wh/L의 경우 셀 부피(리터)로 나눕니다.

배터리 팩 에너지 밀도가 셀 에너지 밀도보다 낮은 이유는 무엇입니까?

완성된 팩에는 BMS, 인클로저, 부스바, 배선, 냉각 구조, 절연, 압축 시스템 및 보호 장치와 같은 구성 요소가 포함되어 있습니다. 그들은 세포 에너지를 증가시키지 않고 팩 무게와 부피를 증가시킵니다.

파우치 셀은 항상 원통형 셀보다 에너지 밀도가 더 높습니까?

아니요. 파우치 포장은 비활성 포장 질량을 줄이고 유연한 크기를 제공할 수 있지만 실제 에너지 밀도는 전체 셀 설계 및 화학에 따라 달라집니다. 하나의 형식이 항상 우수하다고 가정하기보다는 개별 셀 모델을 직접 비교해야 합니다.

에너지 밀도가 높다는 것은 방전 전류가 높다는 것을 의미합니까?

반드시 그런 것은 아닙니다. 에너지 밀도와 전력 용량은 서로 다른 사양입니다. 고에너지 셀은 극도로 높은 전류보다는 런타임에 최적화될 수 있습니다. 항상 연속 전류, 피크 전류, 내부 저항 및 열 한계를 별도로 확인하십시오.

사용 가능한 배터리 에너지란 무엇입니까?

사용 가능한 에너지는 배터리 시스템이 애플리케이션이 정상 작동 중에 액세스할 수 있도록 허용하는 공칭 에너지의 양입니다. BMS 전압 제한, SOC 제한, 온도, 노후화 및 시스템 효율성은 모두 실제 사용 가능한 에너지에 영향을 미칠 수 있습니다.

결론

파우치 셀 에너지 밀도는 단일 숫자로 평가할 수 없습니다.

Wh/kg은 세포가 무게에 따라 얼마나 효율적으로 에너지를 저장하는지 알려주고, Wh/L은 공간을 얼마나 효율적으로 사용하는지 알려줍니다. 그러나 어느 값도 완성된 배터리 팩의 성능을 직접적으로 나타내지는 않습니다.

셀이 구조적 지지대, 버스바, BMS 전자 장치, 열 관리 및 보호 인클로저와 통합되면 팩 수준 에너지 밀도가 감소합니다. SOC 제한 및 기타 시스템 제약으로 인해 일상 작업에 사용 가능한 에너지가 다시 낮아질 수 있습니다.

따라서 EV, ESS, UAV, 로봇 공학 및 산업용 배터리 프로젝트의 경우 가장 좋은 접근 방식은 다음을 평가하는 것입니다.

• Wh/kg

• Wh/L

• 연속 및 피크 전류

• 사이클 수명

• 셀 크기

• 온도 범위

• 팩 통합 요구 사항

• 총 사용 가능한 시스템 에너지

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