Wyjaśnienie gęstości energii ogniwa w torebce: Wh/kg, Wh/L, ogniwo vs opakowanie i energia użytkowa

Gęstość energii to jedna z pierwszych specyfikacji, na którą zwracają uwagę inżynierowie podczas porównywania ogniw baterii litowych. Ale liczby takie jak 270 Wh/kg lub 600 Wh/l nie mówią całej historii.

Aby wybrać odpowiedni akumulator do pojazdu elektrycznego, systemu magazynowania energii, UAV, robota lub pakietu akumulatorów przemysłowych, musisz zrozumieć trzy różne pytania:

• Ile energii magazynuje ogniwo w stosunku do swojej masy?

• Ile energii magazynuje w stosunku do swojej objętości?

• Jaka część tej energii pozostaje dostępna po zintegrowaniu ogniw w kompletny zestaw akumulatorów?

Pytania te odpowiadają grawimetrycznej gęstości energii (Wh/kg), , objętościowej gęstości energii (Wh/L) i użytecznej energii pakietu.

W tym przewodniku wyjaśniono, w jaki sposób obliczane są poszczególne metryki, dlaczego gęstość energii na poziomie ogniwa i opakowania jest inna oraz jak porównywać wielkoformatowe Ogniwa litowe do prawdziwych projektów akumulatorów.

1. Co oznacza gęstość energii akumulatora?

Gęstość energii akumulatora opisuje, ile energii elektrycznej można zmagazynować w obrębie określonej masy lub przestrzeni. Nie należy tego mylić z samą pojemnością akumulatora.

Na przykład ogniwo 100 Ah nie jest automatycznie bardziej gęste energetycznie niż ogniwo 70 Ah. Większe ogniwo może po prostu być cięższe lub fizycznie większe.

Aby poprawnie porównać różne ogniwa, inżynierowie zwykle oceniają energię ogniwa w watogodzinach, a następnie odnoszą tę energię do masy lub objętości.

Nominalna energia ogniwa: Wh

Pierwsza kalkulacja jest prosta:

Dla przykładowego ogniwa litowo-jonowego 3,7 V 70 Ah:

Ogniwo przechowuje zatem około 259 Wh energii nominalnej. Jest to punkt wyjścia do obliczenia zarówno Wh/kg, jak i Wh/L.

2. Co to jest grawimetryczna gęstość energii (Wh/kg)?

Grawimetryczna gęstość energii mierzy, ile energii magazynuje akumulator w stosunku do swojej masy. Wyraża się ją w watogodzinach na kilogram.

Załóżmy, że przykładowe ogniwo przechowuje 259 Wh i waży 0,95 kg:

Wyższa wartość Wh/kg oznacza, że ​​przy tej samej masie akumulatora można przewieźć więcej energii.

Jest to szczególnie ważne w zastosowaniach wrażliwych na wagę, takich jak:

• Pojazdy elektryczne

• Motocykle elektryczne

• UAV i drony

• Robotyka

• Morskie systemy napędowe

• Przenośny sprzęt przemysłowy

W przypadku pojazdu elektrycznego zmniejszenie masy akumulatora może pomóc poprawić zasięg, ładowność i wydajność pojazdu. W przypadku UAV nawet stosunkowo niewielka zmiana masy akumulatora może znacząco wpłynąć na czas lotu i użyteczną ładowność.

3. Co to jest objętościowa gęstość energii (Wh/L)?

Wolumetryczna gęstość energii mierzy, ile energii można zmagazynować w danej objętości fizycznej. Wyraża się ją w watogodzinach na litr.

Jeśli komórka ma wymiary 400 mm × 100 mm × 14 mm, jej przybliżona prostokątna objętość wynosi:

Jeśli to samo przykładowe ogniwo przechowuje 259 Wh:

Wh/L staje się szczególnie ważne, gdy komora baterii ma ścisłe ograniczenie wymiarowe. System może tolerować nieco cięższy akumulator, ale nadal nie ma dostępnej dodatkowej przestrzeni fizycznej.

Przykłady obejmują półki na akumulatory pojazdów elektrycznych, motocykle, roboty, pojazdy AGV, kompaktowe szafy do magazynowania energii i specjalistyczny sprzęt przemysłowy.

4. Wh/kg vs Wh/L: co jest ważniejsze?

Żadna metryka nie jest powszechnie ważniejsza. Właściwy priorytet zależy od aplikacji.

5. Dlaczego ogniwa woreczkowe mogą osiągnąć wysoką gęstość energii

W ogniwie litowym zastosowano laminowane, elastyczne opakowanie zamiast sztywnej metalowej puszki stosowanej w ogniwach cylindrycznych i wielu pryzmatycznych. Może to zmniejszyć część nieaktywnej masy opakowania i dać producentom akumulatorów większą swobodę w projektowaniu szerokości, długości i grubości ogniwa.

Płaski kształt może również pomóc projektantom akumulatorów w efektywnym wykorzystaniu dostępnej przestrzeni, ponieważ ogniwa można układać w stosunkowo kompaktowe stosy.

Jednakże ważne jest, aby nie zakładać, że każde ogniwo woreczkowe automatycznie ma wyższą gęstość energii niż każde ogniwo cylindryczne lub pryzmatyczne.

Rzeczywista wydajność zależy od:

• Chemia komórkowa

• Preparat elektrodowy

• Pojemność ogniwa

• Projekt opakowania

• Wymagana szybkość rozładowania

• Marginesy bezpieczeństwa

• Cele związane z cyklem życia

• Temperatura robocza

• Proces produkcyjny

Format komórki to tylko jedna część równania gęstości energii.

Klientom porównującym wysokoenergetyczne opcje litowo-jonowe Misen oferuje szeroką gamę Ogniwa woreczkowe NCM do zastosowań w pojazdach elektrycznych, mobilności, robotyce i akumulatorach przemysłowych.

6. Chemia ma takie samo znaczenie jak format komórki

Dwa ogniwa woreczkowe o prawie identycznych wymiarach mogą mieć bardzo różną gęstość energii, moc, żywotność cykliczną i zachowanie termiczne. Powodem jest to, że chemia wewnętrzna i konstrukcja komórki są różne.

Dlatego wybór akumulatora wyłącznie według najwyższej liczby Wh/kg może prowadzić do błędnych wyników. Najlepsze ogniwo to takie, które spełnia wszystkie wymagania systemowe.

7. Gęstość energii ogniwa nie jest gęstością energii opakowania

Jest to jedno z najważniejszych założeń przy projektowaniu akumulatorów.

Specyfikacja ogniwa producenta zwykle opisuje ogniwo gołe . Gotowy zestaw akumulatorów zawiera wiele dodatkowych elementów, które nie magazynują energii elektrycznej, ale są niezbędne do bezpiecznej i niezawodnej pracy.

Każdy dodatkowy składnik dodaje masę i objętość bez dodawania energii komórkowej. W rezultacie poziom Wh/kg i Wh/L w opakowaniu będzie zawsze niższy niż odpowiadające im wartości dla gołego ogniwa, mierzone na tej samej podstawie energetycznej.

8. Prosty przykład gęstości energii pomiędzy ogniwami a pakietami

Rozważmy uproszczoną baterię składającą się z 20 ogniw. Załóżmy, że każda komórka ma:

• Energia nominalna 250 Wh

• Waga 0,95 kg

• Pojemność ogniwa 0,55 l

Komórki razem zapewniają:

Na poziomie samej komórki:

Załóżmy teraz, że gotowy pakiet wymaga dodatkowych 7 kg i 5 litrów na obudowę, BMS, połączenia elektryczne, elementy konstrukcyjne i zarządzanie ciepłem.

Gotowa bateria ma pojemność około:

• Masa całkowita 26kg

• Całkowita objętość 16L

• Energia nominalna 5 kWh

Nominalna gęstość energii na poziomie opakowania wynosi zatem w przybliżeniu:

Komórki się nie zmieniły. Różnica wynika całkowicie z komponentów wymaganych do stworzenia użytecznego systemu akumulatorów.

Uwaga: jest to wyłącznie kalkulacja poglądowa. Rzeczywista architektura zestawu akumulatorów, energia napowietrzna i użyteczna różnią się znacznie w zależności od zastosowania i projektu.

9. Co zmniejsza gęstość energii na poziomie opakowania?

Kilka niezbędnych elementów systemu zmniejsza końcowy poziom opakowania Wh/kg i Wh/L.

System zarządzania baterią

BMS monitoruje napięcie ogniwa, temperaturę, prąd i stan naładowania, kontrolując jednocześnie funkcje zabezpieczające akumulator. Elektronika, przewody czujnikowe i powiązany sprzęt zwiększają masę i wymagają przestrzeni fizycznej.

Szyny zbiorcze, styczniki i bezpieczniki

Wysokoprądowe systemy akumulatorów wymagają odpowiednio dobranych przewodów elektrycznych i urządzeń ochronnych. Im wyższy prąd roboczy, tym ważniejszy staje się opór elektryczny, przekrój przewodu i wytwarzanie ciepła.

Kompresja komórek i wsparcie mechaniczne

Ogniwa woreczkowe wykorzystują elastyczne opakowania laminowane i dlatego zwykle wymagają zaprojektowanej konstrukcji nośnej. Moduł musi chronić ogniwo przed nadmiernym zginaniem, wibracjami i uszkodzeniami mechanicznymi, zachowując przy tym odpowiednie ułożenie ogniwa i ściskanie.

Zarządzanie ciepłem

Systemy akumulatorów o dużej mocy lub dużej energii mogą wymagać płyt chłodzących, materiałów interfejsu termicznego, kanałów powietrznych lub innych elementów zarządzających ciepłem. Składniki te zajmują zarówno wagę, jak i objętość.

Obudowa i ochrona środowiska

Kompletny akumulator może wymagać ochrony przed uderzeniami, wibracjami, kurzem, wilgocią i zewnętrznymi zagrożeniami elektrycznymi. Obudowa może stanowić znaczącą część masy gotowego systemu.

10. Energia nominalna a energia użytkowa akumulatora

Innym częstym błędem jest traktowanie nominalnej energii akumulatora i energii użytkowej jako tej samej liczby.

Pakiet o mocy 100kWh niekoniecznie dostarcza 100kWh energii podczas normalnej pracy. BMS może rezerwować energię w górnej i dolnej części zakresu stanu naładowania, aby chronić akumulator i zapewnić wymaganą żywotność.

Na potrzeby wstępnego planowania energię użytkową można oszacować jako:

Na przykład, jeśli akumulator 100 kWh jest eksploatowany w 80% użytecznym oknie SOC:

Jest to uproszczona ocena inżynierska. Rzeczywista dostarczona energia zależy również od zachowania napięcia ogniwa, temperatury, prądu, starzenia, limitów BMS i wydajności systemu.

11. Nominalna energia pakietu a użyteczna gęstość energii pakietu

Wracając do poprzedniego przykładu baterii 5 kWh, załóżmy, że BMS pozwala na wykorzystanie okna energii użytecznej na poziomie około 80%.

Uproszczona energia użytkowa staje się:

Korzystanie z kompletnego akumulatora o wadze 26 kg i pojemności 16 litrów:

Ten przykład pokazuje, dlaczego nie należy mylić trzech liczb:

• Gęstość energii gołych komórek

• Nominalna gęstość energii w gotowym opakowaniu

• Użyteczna gęstość energii w gotowym opakowaniu

Odpowiadają na różne pytania inżynieryjne.

12. Gęstość energii nie jest gęstością mocy

Ogniwo wysokoenergetyczne nie jest automatycznie ogniwem o dużej mocy.

Gęstość energii informuje, ile energii można zmagazynować. Zdolność mocy opisuje, jak szybko energia może zostać dostarczona lub zaakceptowana.

Na przykład dwa ogniwa woreczkowe 70Ah mogą mieć podobne wartości Wh/kg, ale bardzo różne:

• Ciągły prąd rozładowania

• Szczytowy prąd rozładowania

• Możliwość szybkiego ładowania

• Opór wewnętrzny

• Wytwarzanie ciepła

UAV, wyczynowy pojazd elektryczny lub system morski o dużej mocy mogą zatem wymagać ogniwa o nieco niższej gęstości energii, jeśli zapewnia ono znacznie większą zdolność rozładowania.

Dlatego przy wyborze ogniw należy porównywać energię, moc, cykl życia, wymiary i wydajność cieplną.

13. Wielkoformatowe woreczki i projekty opakowań

Wielkoformatowe ogniwa woreczkowe mogą uprościć niektóre architektury akumulatorów, ponieważ każde ogniwo przechowuje więcej energii niż małe ogniwo cylindryczne. Może to zmniejszyć liczbę równoległych ogniw i punktów połączeń elektrycznych wymaganych do osiągnięcia docelowej pojemności pakietu.

Jednak większe komórki wymagają również dokładnego rozważenia:

• Rozkład ciepła na powierzchni ogniwa

• Temperatura zakładki i rezystancja połączenia

• Wsparcie mechaniczne

• Kompresja komórek

• Konsystencja komórek

• Użyteczność

• Powstrzymanie awarii

Mniej ogniw nie oznacza automatycznie lepszego akumulatora. Prawidłowy rozmiar ogniwa zależy od architektury elektrycznej i mechanicznej całego systemu.

Misen oferuje wiele opcji ogniw wielkoformatowych w torebkach, zamiast ograniczać klientów do jednej pojemności. Przykłady obejmują Ogniwo woreczkowe P70A 70Ah,Ogniwo etui NMC 119Ah iOgniwo etui K103 103Ah NMC.

14. Jak prawidłowo porównać gęstość energii ogniwa woreczka

Porównania w arkuszach danych mogą wprowadzać w błąd, jeśli pomiary nie są oparte na tych samych warunkach. Zanim uszeregujesz dwie komórki według Wh/kg lub Wh/L, sprawdź dokładnie, co reprezentuje każda wartość.

Aby uzyskać sensowne porównanie, potwierdź:

• Napięcie nominalne: Czy stosowana jest ta sama definicja napięcia?

• Pojemność: przy jakiej szybkości rozładowania i temperaturze zmierzono pojemność?

• Waga ogniwa: Czy obejmuje wypustki, izolację lub dodatkowy sprzęt?

• Wymiary: czy zakładki są uwzględnione czy wykluczone?

• Grubość: Przy jakim SOC i ciśnieniu mechanicznym zmierzono grubość?

• Obliczanie energii: Czy energię oblicza się na podstawie nominalnej V × Ah, czy mierzy się ją poprzez całkowanie krzywej rozładowania?

• Temperatura: Czy ogniwa testowano w porównywalnych warunkach?

• Stan ogniw: Czy oba ogniwa są nowe i pochodzą z porównywalnych partii produkcyjnych?

Bez spójnej granicy pomiaru porównanie dwóch reklamowanych wartości gęstości energii może łatwo doprowadzić do błędnych wniosków.

15. Czy najwyższa gęstość energii oznacza najlepszą baterię?

NIE.

Gęstość energii jest tylko jedną zmienną projektową. Ogniwo o bardzo dużej wartości Wh/kg może nie być najlepszą opcją, jeśli Twój projekt wymaga:

• Bardzo wysoki prąd ciągły

• Wysoka moc szczytowa

• Niezwykle długi cykl życia

• Szybkie ładowanie

• Praca w niskiej temperaturze

• Określona grubość komórki lub ślad

• Niższy koszt systemu

• Różne wymagania dotyczące bezpieczeństwa lub certyfikacji

Wybór akumulatora jest zatem problemem optymalizacji obejmującym wiele zmiennych, a nie konkurencją o najwyższy numer specyfikacji.

16. Wybór odpowiedniego ogniwa do swojego zastosowania

Przed wyborem ogniwa należy określić wymagania całego systemu akumulatorowego.

Jeśli porównujesz ogniwa pod kątem pojazdów elektrycznych lub innych zastosowań wymagających dużej energii, możesz także zapoznać się z ogniwami MisenRozwiązania w zakresie modułów akumulatorów EV.

17. Optymalizacja na poziomie komórki a optymalizacja na poziomie systemu

Ogniwo o najlepszym numerze arkusza danych niekoniecznie zapewnia najlepszą kompletną baterię.

Nieco cięższe ogniwo może ułatwić chłodzenie. Większe ogniwo może zmniejszyć złożoność szyn zbiorczych i połączeń. Substancje chemiczne o niższej energii mogą zapewnić dłuższą żywotność. Cieńsze ogniwa mogą pozwolić na znacznie lepszy układ modułu.

Dlatego profesjonalny projekt akumulatora powinien optymalizować cały system , a nie tylko gołe ogniwo.

W przypadku projektów wymagających wyboru BMS, dopasowania ogniw, struktury modułu, planowania szyn zbiorczych lub spersonalizowanego opracowania zestawu akumulatorów, Misen zapewnia równieżWsparcie techniczne dotyczące akumulatorów OEM i ODM.

Często zadawane pytania

Jaka jest dobra wartość Wh/kg dla ogniwa woreczkowego?

Nie ma jednej wartości Wh/kg, która definiuje dobre ogniwo woreczkowe. Odpowiedni cel zależy od składu chemicznego, wymagań dotyczących rozładowania, trwałości cyklu, temperatury, projektu bezpieczeństwa i zastosowania. Komórki należy porównać w równoważnych warunkach testowych.

Jaka jest różnica między Wh/kg a Wh/L?

Wh/kg mierzy energię w stosunku do masy, podczas gdy Wh/L mierzy energię w odniesieniu do objętości fizycznej. Wh/kg jest szczególnie ważne w przypadku systemów wrażliwych na wagę, natomiast Wh/L staje się krytyczne, gdy dostępna przestrzeń na akumulator jest ograniczona.

Jak obliczyć gęstość energii ogniwa woreczka?

Najpierw oblicz nominalną energię ogniwa, korzystając z napięcia × pojemności. Podziel tę energię przez masę ogniwa w kilogramach dla Wh/kg lub podziel ją przez objętość ogniwa w litrach dla Wh/L.

Dlaczego gęstość energii pakietu akumulatorów jest niższa niż gęstość energii ogniwa?

Gotowy pakiet zawiera komponenty takie jak BMS, obudowę, szyny zbiorcze, okablowanie, konstrukcję chłodzącą, izolację, system sprężania i urządzenia zabezpieczające. Zwiększają wagę i objętość opakowania, nie zwiększając przy tym energii komórek.

Czy ogniwo woreczkowe jest zawsze bardziej gęste energetycznie niż ogniwo cylindryczne?

Nie. Opakowanie w torebce może zmniejszyć nieaktywną masę opakowania i zapewnić elastyczne wymiary, ale rzeczywista gęstość energii zależy od kompletnej konstrukcji ogniwa i składu chemicznego. Poszczególne modele komórek należy porównywać bezpośrednio, zamiast zakładać, że jeden format jest zawsze lepszy.

Czy wyższa gęstość energii oznacza większy prąd rozładowania?

Nie koniecznie. Gęstość energii i moc to różne specyfikacje. Ogniwo wysokoenergetyczne można zoptymalizować pod kątem czasu pracy, a nie ekstremalnie wysokiego prądu. Zawsze oddzielnie sprawdzaj prąd ciągły, prąd szczytowy, rezystancję wewnętrzną i ograniczenia termiczne.

Co to jest użyteczna energia baterii?

Energia użytkowa to ilość energii nominalnej, do której system akumulatorów umożliwia aplikacji dostęp podczas normalnej pracy. Limity napięcia BMS, limity SOC, temperatura, starzenie się i wydajność systemu mogą mieć wpływ na rzeczywistą energię użytkową.

Wniosek

Gęstości energii ogniwa woreczka nie można ocenić na podstawie pojedynczej liczby.

Wh/kg informuje, jak efektywnie ogniwo magazynuje energię według masy, natomiast Wh/L informuje, jak efektywnie wykorzystuje przestrzeń. Żadna z wartości nie odzwierciedla jednak bezpośrednio wydajności gotowego zestawu akumulatorów.

Po zintegrowaniu ogniw ze wspornikiem strukturalnym, szynami zbiorczymi, elektroniką BMS, zarządzaniem ciepłem i obudową ochronną, gęstość energii na poziomie pakietu maleje. Energia użyteczna dostępna w codziennej pracy może ponownie być niższa ze względu na limity SOC i inne ograniczenia systemu.

W przypadku projektów pojazdów elektrycznych, ESS, UAV, robotyki i akumulatorów przemysłowych najlepszym podejściem jest zatem ocena:

• Wh/kg

• K/L

• Prąd ciągły i szczytowy

• Życie cykliczne

• Wymiary komórki

• Zakres temperatur

• Wymagania dotyczące integracji pakietu

• Całkowita użyteczna energia systemu

Możesz przeglądać pełną ofertę Misenwielkoformatowe ogniwa woreczkowe lub skontaktuj się z naszym zespołem w celu doboru ogniw i wsparcia technicznego w zakresie akumulatorów.