Объяснение плотности энергии ячеек мешочка: Втч/кг, Втч/л, ячейка по сравнению с упаковкой и полезная энергия

Плотность энергии — одна из первых характеристик, на которую инженеры обращают внимание при сравнении литиевых аккумуляторных элементов. Но такие цифры, как 270 Втч/кг или 600 Втч/л, не отражают всей картины.

Чтобы выбрать подходящую батарею для электромобиля, системы хранения энергии, БПЛА, робота или промышленного аккумуляторного блока, вам необходимо понять три разных вопроса:

• Сколько энергии запасает клетка на свой вес?

• Сколько энергии он хранит в расчете на свой объем?

• Какая часть этой энергии останется доступной после того, как элементы будут объединены в полноценный аккумуляторный блок?

Эти вопросы соответствуют весовой плотности энергии (Втч/кг), , объемной плотности энергии (Втч/л) и полезной энергии упаковки..

В этом руководстве объясняется, как рассчитывается каждый показатель, почему плотность энергии на уровне ячейки и на уровне упаковки различна и как сравнивать крупноформатные литиевые аккумуляторы для реальных аккумуляторных проектов.

1. Что означает плотность энергии аккумулятора?

Плотность энергии аккумулятора показывает, сколько электрической энергии можно хранить в пределах определенного веса или пространства. Не следует путать только с емкостью аккумулятора.

Например, элемент емкостью 100 Ач не является автоматически более энергоемким, чем элемент емкостью 70 Ач. Ячейка большего размера может просто быть тяжелее или физически больше.

Чтобы правильно сравнить различные элементы, инженеры обычно оценивают энергию элемента в ватт-часах, а затем связывают эту энергию с массой или объемом.

Номинальная энергия ячейки: Втч

Первый расчет прост:

Для примера литий-ионного элемента 3,7 В, 70 Ач:

Таким образом, элемент сохраняет около 259 Втч номинальной энергии. Это отправная точка для расчета как Втч/кг, так и Втч/л.

2. Что такое гравиметрическая плотность энергии (Втч/кг)?

Гравиметрическая плотность энергии измеряет, сколько энергии хранит аккумулятор по отношению к его массе. Выражается в ватт-часах на килограмм.

Предположим, что иллюстративный элемент хранит 259 Втч и весит 0,95 кг:

Более высокое значение Втч/кг означает, что при том же весе аккумулятора можно перенести больше энергии.

Это особенно важно в приложениях, чувствительных к весу, таких как:

• Электромобили

• Электрические мотоциклы

• БПЛА и дроны

• Робототехника

• Морские двигательные установки

• Портативное промышленное оборудование

Для электромобиля уменьшение массы аккумулятора может помочь улучшить запас хода, грузоподъемность и эффективность автомобиля. Для БПЛА даже относительно небольшое изменение веса батареи может существенно повлиять на время полета и полезную нагрузку.

3. Что такое объемная плотность энергии (Вт/л)?

Объемная плотность энергии измеряет, сколько энергии может храниться в данном физическом объеме. Выражается в ватт-часах на литр.

Если размеры ячейки составляют 400×100×14 мм, ее приблизительный прямоугольный объем равен:

Если та же самая иллюстративная ячейка хранит 259 Втч:

Wh/L становится особенно важным, когда размер батарейного отсека ограничен. Система может выдержать немного более тяжелую батарею, но при этом не иметь дополнительного физического пространства.

Примеры включают аккумуляторные отсеки для электромобилей, мотоциклы, роботы, AGV, компактные шкафы для хранения энергии и специализированное промышленное оборудование.

4. Втч/кг против Втч/л: что важнее?

Ни один из показателей не является более важным в целом. Правильный приоритет зависит от приложения.

5. Почему «мешочные» элементы могут достигать высокой плотности энергии

В литиевом пакетном элементе используется ламинированный гибкий корпус, а не жесткий металлический корпус, используемый в цилиндрических и многих призматических элементах. Это может уменьшить массу неактивной упаковки и дает производителям аккумуляторов больше свободы в проектировании ширины, длины и толщины элемента.

Плоская форма также может помочь разработчикам аккумуляторов эффективно использовать доступное пространство, поскольку элементы можно располагать относительно компактными стопками.

Однако важно не предполагать, что каждая ячейка-мешочек автоматически имеет более высокую плотность энергии, чем каждая цилиндрическая или призматическая ячейка..

Фактическая производительность зависит от:

• Клеточная химия

• Состав электрода

• Емкость ячейки

• Дизайн упаковки

• Требуемая скорость разряда

• Запасы безопасности

• Цели жизненного цикла

• Рабочая температура

• Производственный процесс

Формат ячейки — это лишь одна часть уравнения плотности энергии.

Для клиентов, сравнивающих варианты с литий-ионными батареями высокой энергии, компания Misen предлагает ряд Пакетные элементы NCM для электромобилей, мобильности, робототехники и промышленных аккумуляторов.

6. Химия имеет такое же значение, как и формат клетки

Два пакетных элемента почти одинаковых размеров могут иметь очень разную плотность энергии, мощность, срок службы и тепловое поведение. Причина в том, что внутренняя химия и конструкция клеток различны.

Вот почему выбор батареи только по наибольшему числу Втч/кг может привести к неправильному результату. Лучшая ячейка — это та, которая полностью удовлетворяет системным требованиям.

7. Плотность энергии ячейки не равна плотности энергии упаковки.

Это одна из наиболее важных концепций при проектировании аккумуляторов.

Спецификация ячейки производителя обычно описывает голую батарею . Готовый аккумуляторный блок содержит множество дополнительных компонентов, которые не накапливают электрическую энергию, но необходимы для безопасной и надежной работы.

Каждый дополнительный компонент увеличивает массу и объем, не добавляя энергии клеткам. В результате показатели Вт/кг и Вт/л на уровне упаковки всегда будут ниже, чем соответствующие показатели для «голых» элементов при измерении на той же энергетической основе.

8. Простой пример плотности энергии от ячейки к упаковке

Рассмотрим упрощенную батарею, состоящую из 20 ячеек. Предположим, что каждая ячейка имеет:

• Номинальная энергия 250 Втч

• вес 0,95 кг

• Объем ячейки 0,55 л

Клетки вместе обеспечивают:

На уровне ячейки:

Теперь предположим, что для готовой упаковки требуется дополнительно 7 кг и 5 л для корпуса, BMS, электрических соединений, структурных компонентов и управления температурой.

Готовая батарея получается примерно:

• Общая масса 26 кг.

• Общий объем 16 л.

• Номинальная энергия 5 кВтч

Таким образом, номинальная плотность энергии на уровне упаковки составляет приблизительно:

Клетки не изменились. Разница полностью заключается в компонентах, необходимых для создания работоспособной аккумуляторной системы.

Примечание. Это только иллюстративный расчет. Реальная архитектура аккумуляторной батареи, накладные расходы и полезная энергия существенно различаются в зависимости от применения и конструкции.

9. Что снижает плотность энергии на уровне упаковки?

Несколько необходимых системных компонентов снижают конечные значения Вт/кг и Вт/л на уровне упаковки.

Система управления батареями

BMS контролирует напряжение, температуру, ток и уровень заряда элементов, одновременно управляя функциями защиты аккумулятора. Электроника, сенсорные провода и сопутствующее оборудование увеличивают массу и требуют физического пространства.

Шины, контакторы и предохранители

Сильноточные аккумуляторные системы требуют электрических проводников и защитных устройств соответствующего размера. Чем выше рабочий ток, тем более важными становятся электрическое сопротивление, поперечное сечение проводника и тепловыделение.

Сжатие клеток и механическая поддержка

В пакетных ячейках используется гибкая ламинированная упаковка, поэтому обычно требуется специально разработанная опорная конструкция. Модуль должен защищать элемент от чрезмерного изгиба, вибрации и механических повреждений, сохраняя при этом правильное расположение и сжатие элемента.

Управление температурным режимом

Для аккумуляторных систем высокой мощности или высокой энергии могут потребоваться охлаждающие пластины, материалы термоинтерфейса, воздушные каналы или другие компоненты управления температурным режимом. Эти компоненты занимают и вес, и объем.

Корпус и защита окружающей среды

Полная батарея может нуждаться в защите от ударов, вибрации, пыли, влаги и внешних электрических опасностей. Корпус может составлять значительную часть веса готовой системы.

10. Номинальная энергия и полезная энергия батареи

Другая распространенная ошибка — считать номинальную энергию батареи и полезную энергию одним и тем же числом.

Блок мощностью 100 кВтч не обязательно обеспечивает 100 кВтч энергии при нормальной работе. BMS может резервировать энергию в верхней и нижней части диапазона состояния заряда для защиты аккумулятора и поддержания требуемого срока службы.

Для предварительного планирования полезную энергию можно оценить как:

Например, если батарея емкостью 100 кВтч работает в окне SOC, пригодном для использования на 80 %:

Это упрощенный инженерный расчет. Фактическая подаваемая энергия также зависит от поведения напряжения элемента, температуры, тока, старения, ограничений BMS и эффективности системы.

11. Номинальная энергия упаковки в сравнении с полезной плотностью энергии упаковки

Возвращаясь к предыдущему примеру с батареей емкостью 5 кВтч, предположим, что BMS обеспечивает окно полезной энергии примерно в 80%.

Упрощенная полезная энергия становится:

Использование полной батареи весом 26 кг и емкостью 16 л:

Этот пример показывает, почему не следует путать три числа:

• Плотность энергии голых клеток

• Номинальная плотность энергии готовой упаковки

• Полезная плотность энергии готовой упаковки

Они отвечают на различные инженерные вопросы.

12. Плотность энергии — это не плотность мощности

Ячейка высокой энергии не является автоматически ячейкой высокой мощности.

Плотность энергии показывает, сколько энергии можно сохранить. Энергоемкость описывает, насколько быстро эта энергия может быть доставлена ​​или принята.

Например, два пакетных элемента емкостью 70 Ач могут иметь одинаковые значения Втч/кг, но сильно различаться:

• Непрерывный ток разряда

• Пиковый ток разряда

• Возможность быстрой зарядки

• Внутреннее сопротивление

• Выработка тепла

Поэтому для БПЛА, высокопроизводительного электромобиля или мощной морской системы может потребоваться элемент с немного меньшей плотностью энергии, если он обеспечивает гораздо более высокую разрядную способность.

Вот почему при выборе элемента следует сравнивать энергию, мощность, срок службы, размеры и тепловые характеристики вместе..

13. Крупноформатные пакеты и дизайн упаковки

Пакетные элементы большого формата могут упростить некоторые конструкции аккумуляторов, поскольку каждый элемент хранит больше энергии, чем небольшой цилиндрический элемент. Это может уменьшить количество параллельных ячеек и точек электрического соединения, необходимых для достижения целевой емкости блока.

Однако более крупные ячейки также требуют тщательного рассмотрения:

• Распределение тепла по поверхности клетки

• Температура вкладки и сопротивление соединения

• Механическая поддержка

• Сжатие ячеек

• Консистенция клеток

• Удобство обслуживания

• Сдерживание отказов

Меньшее количество ячеек не означает автоматически лучший аккумулятор. Правильный размер ячейки зависит от электрической и механической архитектуры всей системы.

Misen поставляет несколько вариантов крупноформатных пакетных ячеек вместо того, чтобы ограничивать клиентов одной емкостью. Примеры включают P70A 70Ач аккумуляторный блок,Пакетный аккумулятор NMC емкостью 119 Ач иK103 103 Ач NMC-элементный аккумулятор.

14. Как правильно сравнивать плотность энергии аккумуляторной батареи

Сравнение таблиц данных может ввести в заблуждение, если измерения основаны на разных условиях. Прежде чем ранжировать две ячейки по Втч/кг или Втч/л, проверьте, что именно представляет собой каждое значение.

Для значимого сравнения подтвердите:

• Номинальное напряжение: используется ли то же определение напряжения?

• Емкость: При какой скорости разряда и температуре измерялась емкость?

• Вес ячейки: включает ли она вкладки, изоляцию или дополнительное оборудование?

• Размеры: включены или исключены вкладки?

• Толщина: При каком SOC и механическом давлении измерялась толщина?

• Расчет энергии: энергия рассчитывается с использованием номинального значения В × Ач или измеряется путем интегрирования кривой разряда?

• Температура: тестировались ли клетки в сопоставимых условиях?

• Состояние элемента: Являются ли оба элемента новыми и из сопоставимых производственных партий?

Без согласованной границы измерения сравнение двух заявленных значений плотности энергии может легко привести к неправильному выводу.

15. Означает ли самая высокая плотность энергии лучшая батарея?

Нет.

Плотность энергии – это только одна из проектных переменных. Элемент с очень высоким показателем Втч/кг может быть не лучшим вариантом, если ваш проект требует:

• Очень высокий постоянный ток

• Высокая пиковая мощность

• Чрезвычайно длительный срок службы

• Быстрая зарядка

• Низкотемпературная работа

• Определенная толщина или площадь ячейки

• Более низкая стоимость системы

• Различные требования безопасности или сертификации

Таким образом, выбор батареи — это задача многовариантной оптимизации, а не соревнование за наивысший номер спецификации.

16. Выбор подходящей ячейки для вашего применения

Прежде чем выбирать элемент, определите требования ко всей аккумуляторной системе.

Если вы сравниваете элементы для электромобиля или другого высокоэнергетического приложения, вы также можете изучитьРешения для аккумуляторных модулей электромобилей.

17. Оптимизация на уровне ячеек и оптимизация на уровне системы

Элемент с лучшим номером в паспорте не обязательно дает лучшую комплектную батарею.

Немного более тяжелая ячейка может упростить охлаждение. Ячейка большего размера может уменьшить сложность шин и соединений. Химия с более низким энергопотреблением может обеспечить более длительный срок службы. Более тонкая ячейка может обеспечить гораздо лучшую компоновку модуля.

Вот почему профессиональный дизайн аккумуляторов должен оптимизировать всю систему , а не только голый элемент.

Для проектов, требующих выбора BMS, подбора ячеек, структуры модуля, планирования шин или разработки индивидуального аккумуляторного блока, Misen также предоставляетТехническая поддержка OEM и ODM аккумуляторов.

Часто задаваемые вопросы

Что такое хорошее соотношение Втч/кг для карманного элемента?

Не существует единого значения Втч/кг, которое бы определяло качество аккумуляторной батареи. Соответствующая цель зависит от химического состава, требований к сбросу, срока службы, температуры, конструкции безопасности и применения. Клетки следует сравнивать в эквивалентных условиях испытаний.

В чем разница между Втч/кг и Втч/л?

Втч/кг измеряет энергию относительно веса, а Втч/л измеряет энергию относительно физического объема. Втч/кг особенно важен для систем, чувствительных к весу, тогда как Втч/л становится критическим, когда доступное место для аккумулятора ограничено.

Как рассчитать плотность энергии ячейки мешочка?

Сначала рассчитайте номинальную энергию элемента, используя напряжение × емкость. Разделите эту энергию на вес клетки в килограммах, чтобы получить Втч/кг, или разделите ее на объем клетки в литрах, чтобы получить Втч/л.

Почему плотность энергии аккумуляторной батареи ниже, чем плотность энергии элемента?

Готовая упаковка содержит такие компоненты, как BMS, корпус, шины, проводку, систему охлаждения, изоляцию, систему сжатия и защитные устройства. Они увеличивают вес и объем упаковки без увеличения энергии клеток.

Всегда ли карманная ячейка более энергоемкая, чем цилиндрическая?

Нет. Пакетная упаковка может уменьшить массу неактивной упаковки и обеспечить гибкие размеры, но фактическая плотность энергии зависит от конструкции и химического состава всей ячейки. Отдельные модели ячеек следует сравнивать напрямую, а не предполагать, что один формат всегда лучше.

Означает ли более высокая плотность энергии более высокий ток разряда?

Не обязательно. Плотность энергии и мощность — это разные характеристики. Высокоэнергетический элемент может быть оптимизирован для времени работы, а не для чрезвычайно высокого тока. Всегда проверяйте непрерывный ток, пиковый ток, внутреннее сопротивление и температурные пределы отдельно.

Что такое полезная энергия аккумулятора?

Полезная энергия — это количество номинальной энергии, которую аккумуляторная система позволяет приложению получить доступ во время нормальной работы. Ограничения по напряжению BMS, ограничения SOC, температура, старение и эффективность системы могут влиять на фактическую используемую энергию.

Заключение

Плотность энергии ячеек мешочка не может быть оценена по одному числу.

Втч/кг показывает, насколько эффективно клетка сохраняет энергию по весу, а Втч/л показывает, насколько эффективно она использует пространство. Но ни одно из значений не отражает напрямую производительность готового аккумуляторного блока.

После того как элементы интегрированы со структурной опорой, шинами, электроникой BMS, системой управления температурным режимом и защитным корпусом, плотность энергии на уровне упаковки снижается. Полезная энергия, доступная в повседневной работе, может снова снизиться из-за ограничений SOC и других системных ограничений.

Поэтому для проектов электромобилей, ESS, БПЛА, робототехники и промышленных аккумуляторов лучшим подходом является оценка:

• Втч/кг

• Вт/л

• Непрерывный и пиковый ток

• Цикл жизни

• Размеры ячейки

• Диапазон температур

• Требования к интеграции пакета

• Общая полезная энергия системы

Вы можете просмотреть полный ассортимент Misenкрупноформатные пакетные элементы или свяжитесь с нашей командой для выбора элементов и технической поддержки аккумуляторных блоков.