Razlaga energijske gostote celic vrečke: Wh/kg, Wh/L, celica v primerjavi s paketom in uporabna energija

Energijska gostota je ena prvih specifikacij, na katero inženirji pogledajo, ko primerjajo celice litijevih baterij. Toda številka, kot je 270 Wh/kg ali 600 Wh/L , ne pove vsega.

Če želite izbrati pravo baterijo za električno vozilo, sistem za shranjevanje energije, UAV, robota ali industrijski akumulator, morate razumeti tri različna vprašanja:

• Koliko energije hrani celica glede na svojo težo?

• Koliko energije shrani glede na svojo prostornino?

• Koliko te energije ostane na voljo, potem ko so celice integrirane v celoten baterijski paket?

Ta vprašanja ustrezajo gravimetrični energijski gostoti (Wh/kg), , volumetrični energijski gostoti (Wh/L) in uporabni energiji pakiranja.

V tem priročniku je razloženo, kako se izračuna vsaka metrika, zakaj sta gostota energije na ravni celice in na ravni paketa različni in kako primerjati velike formate litijeve vrečke za prave projekte baterij.

1. Kaj pomeni energijska gostota baterije?

Gostota energije baterije opisuje, koliko električne energije je mogoče shraniti v določeni količini teže ali prostora. Ne smemo ga zamenjevati samo z zmogljivostjo baterije.

Na primer, celica s kapaciteto 100 Ah ni samodejno bolj energijsko gosta od celice s kapaciteto 70 Ah. Večja celica je lahko preprosto težja ali fizično večja.

Za pravilno primerjavo različnih celic inženirji običajno ovrednotijo ​​energijo celice v vatnih urah in nato to energijo povežejo z maso ali prostornino.

Nazivna energija celice: Wh

Prvi izračun je preprost:

Za ilustrativno litij-ionsko celico 3,7 V 70 Ah:

Celica torej shrani približno 259Wh nazivne energije. To je izhodišče za izračun Wh/kg in Wh/L.

2. Kaj je gravimetrična energijska gostota (Wh/kg)?

Gravimetrična energijska gostota meri, koliko energije shrani baterija glede na njeno maso. Izražena je v vatnih urah na kilogram.

Recimo, da ilustrativna celica shrani 259 Wh in tehta 0,95 kg:

Višja vrednost Wh/kg pomeni, da je za enako težo baterije mogoče prenesti več energije.

To je še posebej pomembno pri aplikacijah, ki so občutljive na težo, kot so:

• Električna vozila

• Električna motorna kolesa

• UAV in brezpilotna letala

• Robotika

• Pomorski pogonski sistemi

• Prenosna industrijska oprema

Za EV lahko zmanjšanje mase baterije pomaga izboljšati doseg, nosilnost in učinkovitost vozila. Za UAV lahko že relativno majhna sprememba teže baterije znatno vpliva na čas letenja in uporabno obremenitev.

3. Kaj je volumetrična energijska gostota (Wh/L)?

Volumetrična energijska gostota meri, koliko energije je mogoče shraniti v dani fizični prostornini. Izražena je v vatnih urah na liter.

Če celica meri 400 mm × 100 mm × 14 mm, je njena približna pravokotna prostornina:

Če ista ilustrativna celica shrani 259 Wh:

Wh/L postane še posebej pomembno, ko ima predal za baterije strogo omejitev dimenzij. Sistem lahko prenese nekoliko težjo baterijo, vendar še vedno nima na voljo dodatnega fizičnega prostora.

Primeri vključujejo predale za baterije za EV, motorna kolesa, robote, AGV, kompaktne omare za shranjevanje energije in specializirano industrijsko opremo.

4. Wh/kg proti Wh/L: kaj je bolj pomembno?

Nobena metrika ni splošno pomembnejša. Pravilna prioriteta je odvisna od aplikacije.

5. Zakaj lahko vrečkaste celice dosežejo visoko energijsko gostoto

Celica z litijevimi vrečkami uporablja laminirano fleksibilno embalažo namesto toge kovinske pločevinke, ki jo uporabljajo cilindrične in številne prizmatične celice. To lahko zmanjša nekaj neaktivne mase embalaže in daje proizvajalcem baterij več svobode pri oblikovanju širine, dolžine in debeline celice.

Ravna oblika lahko tudi pomaga oblikovalcem baterij, da učinkovito uporabljajo razpoložljivi prostor, saj so celice lahko razporejene v razmeroma kompaktne nize.

Vendar je pomembno, da ne domnevamo, da ima vsaka vrečka samodejno višjo energijsko gostoto kot vsaka cilindrična ali prizmatična celica.

Dejanska zmogljivost je odvisna od:

• Celična kemija

• Formulacija elektrode

• Kapaciteta celice

• Oblikovanje embalaže

• Zahtevana stopnja praznjenja

• Varnostne meje

• Cilji življenjske dobe

• Delovna temperatura

• Postopek izdelave

Format celice je le en del enačbe energijske gostote.

Za stranke, ki primerjajo visokoenergijske litij-ionske možnosti, Misen ponuja vrsto Vrečkaste celice NCM za EV, mobilnost, robotiko in industrijske baterije.

6. Kemija je pomembna tako kot format celice

Dve mehki celici s skoraj enakimi dimenzijami imata lahko zelo različno gostoto energije, moč, življenjsko dobo in toplotno obnašanje. Razlog je v tem, da se notranja kemija in zasnova celic razlikujeta.

Zato lahko izbira baterije samo po najvišjem številu Wh/kg povzroči napačen rezultat. Najboljša celica je tista, ki izpolnjuje celotno sistemsko zahtevo.

7. Gostota energije celice ni gostota energije paketa

To je eden najpomembnejših konceptov pri načrtovanju baterij.

Proizvajalčeva specifikacija celice običajno opisuje golo celico . Dokončana baterija vsebuje številne dodatne komponente, ki ne shranjujejo električne energije, vendar so potrebne za varno in zanesljivo delovanje.

Vsaka dodatna komponenta doda maso in prostornino brez dodajanja celične energije. Posledično bosta ravni paketa Wh/kg in Wh/L vedno nižji od ustreznih vrednosti golih celic, če se merita na enaki energijski osnovi.

8. Enostaven primer gostote energije od celice do paketa

Razmislite o poenostavljeni bateriji z 20 celicami. Predpostavimo, da ima vsaka celica:

• 250Wh nominalne energije

• Teža 0,95 kg

• Prostornina celice 0,55L

Celice skupaj zagotavljajo:

Samo na ravni celice:

Predpostavimo, da končni paket potrebuje dodatnih 7 kg in 5 L za svoje ohišje, BMS, električne povezave, strukturne komponente in toplotno upravljanje.

Končana baterija postane približno:

• 26 kg skupne mase

• Skupna prostornina 16L

• 5kWh nominalne energije

Nazivna energijska gostota paketa je torej približno:

Celice se niso spremenile. Razlika izvira izključno iz komponent, potrebnih za ustvarjanje uporabnega baterijskega sistema.

Opomba: To je samo ilustrativen izračun. Dejanska arhitektura paketa baterij, režijski stroški in uporabna energija se močno razlikujejo glede na uporabo in zasnovo.

9. Kaj zmanjša energijsko gostoto na ravni paketa?

Več potrebnih sistemskih komponent zmanjša končno raven pakiranja Wh/kg in Wh/L.

Sistem za upravljanje baterije

BMS spremlja napetost celice, temperaturo, tok in stanje napolnjenosti, medtem ko nadzoruje funkcije zaščite baterije. Elektronika, zaznavne žice in povezana strojna oprema dodajajo maso in zahtevajo fizični prostor.

Zbirke, kontaktorji in varovalke

Visokotokovni akumulatorski sistemi zahtevajo pravilno dimenzionirane električne vodnike in zaščitne naprave. Višji kot je delovni tok, pomembnejši so električni upor, presek prevodnika in nastajanje toplote.

Stiskanje celic in mehanska podpora

Vrečaste celice uporabljajo fleksibilno laminirano embalažo in zato običajno zahtevajo zasnovano podporno strukturo. Modul mora zaščititi celico pred čezmernim upogibanjem, tresljaji in mehanskimi poškodbami, hkrati pa ohranjati ustrezno lego in stiskanje celice.

Toplotno upravljanje

Visokozmogljivi ali visokoenergijski baterijski sistemi lahko zahtevajo hladilne plošče, materiale za toplotne vmesnike, zračne kanale ali druge komponente za upravljanje toplote. Te komponente imajo tako težo kot prostornino.

Ohišje in varstvo okolja

Celotna baterija bo morda potrebovala zaščito pred udarci, tresljaji, prahom, vlago in zunanjimi električnimi nevarnostmi. Ohišje lahko predstavlja pomemben del teže končnega sistema.

10. Nazivna energija v primerjavi z uporabno energijo baterije

Druga pogosta napaka je obravnavanje nominalne energije baterije in uporabne energije kot iste številke.

Paket z nazivno močjo 100 kWh ne zagotavlja nujno 100 kWh energije med normalnim delovanjem. BMS lahko rezervira energijo na vrhu in dnu območja napolnjenosti, da zaščiti baterijo in podpira zahtevano življenjsko dobo.

Za predhodno načrtovanje se lahko uporabna energija oceni kot:

Na primer, če baterija s 100 kWh deluje preko 80 % uporabnega okna SOC:

To je poenostavljena inženirska ocena. Dejanska dobavljena energija je odvisna tudi od obnašanja napetosti celice, temperature, toka, staranja, omejitev BMS in učinkovitosti sistema.

11. Nominalna energija paketa v primerjavi z uporabno gostoto energije paketa

Če se vrnemo k prejšnjemu primeru baterije s 5 kWh, predpostavimo, da BMS omogoča približno 80-odstotno okno uporabne energije.

Poenostavljena uporabna energija postane:

Uporaba celotne 26 kg, 16 L baterije:

Ta primer prikazuje, zakaj ne bi smeli zamenjati treh številk:

• Energetska gostota golih celic

• Nominalna energijska gostota končnega pakiranja

• Uporabna energijska gostota končnega paketa

Odgovarjajo na različna inženirska vprašanja.

12. Gostota energije ni gostota moči

Visokoenergijska celica ni samodejno tudi visoko zmogljiva celica.

Gostota energije pove, koliko energije je mogoče shraniti. Zmogljivost moči opisuje, kako hitro se lahko ta energija dostavi ali sprejme.

Na primer, dve celici z vrečko 70 Ah imata lahko podobne vrednosti Wh/kg, a zelo različni:

• Neprekinjen tok praznjenja

• Najvišji tok praznjenja

• Možnost hitrega polnjenja

• Notranji upor

• Proizvodnja toplote

UAV, zmogljivo električno vozilo ali ladijski sistem visoke moči lahko zato zahteva celico z nekoliko nižjo energijsko gostoto, če zagotavlja veliko močnejšo zmogljivost praznjenja.

Zato je treba pri izbiri celic primerjati energijo, moč, življenjsko dobo cikla, dimenzije in toplotno zmogljivost skupaj.

13. Celice velikega formata in zasnova pakiranja

Vrečaste celice velikega formata lahko poenostavijo nekatere arhitekture baterij, saj vsaka celica shrani več energije kot majhna cilindrična celica. To lahko zmanjša število vzporednih celic in električnih povezovalnih točk, potrebnih za doseganje ciljne zmogljivosti paketa.

Vendar je pri večjih celicah treba skrbno upoštevati tudi:

• Porazdelitev toplote po površini celice

• Temperatura jezička in odpornost na povezavo

• Mehanska podpora

• Stiskanje celic

• Celična doslednost

• Servisnost

• Zadrževanje napak

Manj celic ne pomeni samodejno boljšega paketa baterij. Pravilna velikost celice je odvisna od električne in mehanske arhitekture celotnega sistema.

Misen dobavlja več možnosti celic za vrečke velikega formata, namesto da kupce omejuje na eno kapaciteto. Primeri vključujejo P70A 70Ah celica za vrečke,119Ah NMC vrečka celica inK103 103Ah NMC celica v vrečki.

14. Kako pravilno primerjati gostoto energije vrečke

Primerjave podatkovnih listov so lahko zavajajoče, če meritve ne temeljijo na enakih pogojih. Preden dve celici razvrstite po Wh/kg ali Wh/L, natančno preverite, kaj posamezna vrednost predstavlja.

Za smiselno primerjavo potrdite:

• Nazivna napetost: Ali se uporablja ista definicija napetosti?

• Kapaciteta: Pri kateri stopnji praznjenja in temperaturi je bila izmerjena zmogljivost?

• Teža celice: Ali vključuje jezičke, izolacijo ali dodatno strojno opremo?

• Razsežnosti: Ali so zavihki vključeni ali izključeni?

• Debelina: Pri kakšnem SOC in mehanskem tlaku je bila izmerjena debelina?

• Izračun energije: Ali je energija izračunana z uporabo nominalne V × Ah ali izmerjena z integracijo krivulje praznjenja?

• Temperatura: Ali so bile celice testirane v primerljivih pogojih?

• Stanje celice: Ali sta obe celici novi in ​​iz primerljivih proizvodnih serij?

Brez dosledne meje merjenja lahko primerjava dveh oglaševanih števil energijske gostote zlahka povzroči napačen zaključek.

15. Ali najvišja gostota energije pomeni najboljšo baterijo?

št.

Gostota energije je le ena konstrukcijska spremenljivka. Celica z zelo visoko vrednostjo Wh/kg morda ni najboljša možnost, če vaš projekt zahteva:

• Zelo visok trajni tok

• Visoka konična moč

• Izjemno dolga življenjska doba

• Hitro polnjenje

• Nizkotemperaturno delovanje

• Določena debelina celice ali odtis

• Nižji stroški sistema

• Različne varnostne ali certifikacijske zahteve

Izbira baterije je torej problem optimizacije z več spremenljivkami in ne tekmovanje za najvišjo številko specifikacije.

16. Izbira prave vrečke za vašo aplikacijo

Preden izberete celico, določite zahteve celotnega baterijskega sistema.

Če primerjate celice za EV ali drugo visokoenergijsko aplikacijo, lahko raziščete tudi MisenovoRešitve baterijskega modula EV.

17. Optimizacija na ravni celice proti optimizaciji na ravni sistema

Ni nujno, da celica z najboljšo številko podatkovnega lista proizvede najboljšo celotno baterijo.

Nekoliko težja celica lahko poenostavi hlajenje. Večja celica lahko zmanjša kompleksnost zbiralke in povezave. Nižjeenergijska kemija lahko zagotovi daljšo življenjsko dobo. Tanjša celica lahko omogoči veliko boljšo postavitev modula.

Zato mora profesionalna zasnova baterije optimizirati celoten sistem , ne le golo celico.

Za projekte, ki zahtevajo izbiro BMS, ujemanje celic, strukturo modulov, načrtovanje vodila ali razvoj baterijskega paketa po meri, Misen nudi tudiPodpora za inženiring baterij OEM in ODM.

Pogosto zastavljena vprašanja

Kaj je dober Wh/kg za vrečko?

Ni enotne vrednosti Wh/kg, ki bi definirala dobro celico za vrečke. Ustrezen cilj je odvisen od kemije, zahteve po praznjenju, življenjske dobe, temperature, varnostne zasnove in uporabe. Celice je treba primerjati pod enakimi preskusnimi pogoji.

Kakšna je razlika med Wh/kg in Wh/L?

Wh/kg meri energijo glede na težo, medtem ko Wh/L meri energijo glede na fizično prostornino. Wh/kg je še posebej pomemben za sisteme, občutljive na težo, medtem ko Wh/L postane kritičen, ko je razpoložljiv prostor za baterije omejen.

Kako izračunam gostoto energije vrečke?

Najprej izračunajte nominalno energijo celice z uporabo napetosti × zmogljivosti. To energijo razdelite s težo celice v kilogramih za Wh/kg ali jo razdelite s prostornino celice v litrih za Wh/L.

Zakaj je gostota energije paketa baterij nižja od gostote energije celic?

Končni paket vsebuje komponente, kot so BMS, ohišje, vodila, ožičenje, hladilna struktura, izolacija, kompresijski sistem in zaščitne naprave. Povečajo težo in prostornino paketa brez povečanja celične energije.

Ali je vrečkasta celica vedno bolj energijsko gosta od cilindrične celice?

Ne. Embalaža v vrečke lahko zmanjša maso neaktivne embalaže in zagotovi prilagodljive dimenzije, vendar je dejanska energijska gostota odvisna od celotne zasnove celice in kemije. Posamezne modele celic je treba primerjati neposredno, namesto da bi domnevali, da je en format vedno boljši.

Ali večja energijska gostota pomeni večji razelektritveni tok?

Ni nujno. Gostota energije in zmogljivost moči sta različni specifikaciji. Visokoenergijska celica je lahko optimizirana za čas delovanja in ne za izjemno visok tok. Vedno ločeno preverite trajni tok, temenski tok, notranji upor in toplotne meje.

Kaj je uporabna energija baterije?

Uporabna energija je količina nazivne energije, do katere baterijski sistem omogoča aplikaciji dostop med običajnim delovanjem. Omejitve napetosti BMS, meje SOC, temperatura, staranje in učinkovitost sistema lahko vplivajo na dejansko uporabno energijo.

Zaključek

Energijske gostote vrečastih celic ni mogoče ovrednotiti z eno samo številko.

Wh/kg vam pove, kako učinkovito celica shranjuje energijo glede na težo, medtem ko vam Wh/L pove, kako učinkovito uporablja prostor. Vendar nobena vrednost neposredno ne predstavlja zmogljivosti končnega paketa baterij.

Ko so celice integrirane s strukturno podporo, zbiralkami, elektroniko BMS, toplotnim upravljanjem in zaščitnim ohišjem, se gostota energije na ravni paketa zmanjša. Uporabna energija, ki je na voljo pri vsakodnevnem delovanju, je lahko spet nižja zaradi omejitev SOC in drugih sistemskih omejitev.

Za EV, ESS, UAV, robotiko in projekte industrijskih baterij je torej najboljši pristop oceniti:

• Wh/kg

• Wh/L

• Trajni in vršni tok

• Življenjski cikel

• Dimenzije celice

• Temperaturno območje

• Zahteve za integracijo paketa

• Skupna uporabna energija sistema

Brskate lahko po celotni ponudbi Misentorbice velikega formata ali se obrnite na našo ekipo za izbiro celic in inženirsko podporo za baterijski paket.