Објашњена густина енергије ћелије у врећици: Вх/кг, Вх/Л, ћелија наспрам паковања и употребљива енергија

Густина енергије је једна од првих спецификација коју инжењери разматрају када упоређују ћелије литијумске батерије. Али број као што је 270Вх/кг или 600Вх/Л не говори целу причу.

Да бисте изабрали праву батерију за ЕВ, систем за складиштење енергије, УАВ, робот или индустријску батерију, морате да разумете три различита питања:

• Колико енергије складишти ћелија за своју тежину?

• Колико енергије чува за своју запремину?

• Колико те енергије остаје доступно након што се ћелије интегришу у комплетну батерију?

Ова питања одговарају гравиметријској густини енергије (Вх/кг), , запреминској густини енергије (Вх/Л) и употребљивој енергији паковања.

Овај водич објашњава како се израчунава свака метрика, зашто се густина енергије на нивоу ћелије и на нивоу паковања разликује и како да упоредите велике формате литијумске ћелије за праве батерије.

1. Шта значи густина енергије батерије?

Густина енергије батерије описује колико електричне енергије може да се ускладишти у оквиру одређене тежине или простора. Не треба га мешати само са капацитетом батерије.

На пример, ћелија од 100 Ах није аутоматски енергетски гушћа од ћелије од 70 Ах. Већа ћелија може једноставно бити тежа или физички већа.

Да би правилно упоредили различите ћелије, инжењери обично процењују енергију ћелије у ват-сатима, а затим везују ту енергију са масом или запремином.

Номинална енергија ћелије: Вх

Први прорачун је једноставан:

За илустративну литијум-јонску ћелију од 3,7 В 70 Ах:

Ћелија стога складишти приближно 259 Вх номиналне енергије. Ово је почетна тачка за израчунавање и Вх/кг и Вх/Л.

2. Шта је гравиметријска густина енергије (Вх/кг)?

Гравиметријска густина енергије мери колико енергије батерија складишти у односу на своју масу. Изражава се у ват-сатима по килограму.

Претпоставимо да илустративна ћелија има 259 Вх и тежи 0,95 кг:

Већа вредност Вх/кг значи да се више енергије може пренети за исту тежину батерије.

Ово је посебно важно у апликацијама осетљивим на тежину као што су:

• Електрична возила

• Електрични мотоцикли

• УАВ и дронови

• Роботика

• Поморски погонски системи

• Преносна индустријска опрема

За ЕВ, смањење масе батерије може помоћи у побољшању домета, носивости и ефикасности возила. За беспилотну летелицу, чак и релативно мала промена тежине батерије може значајно утицати на време лета и корисну носивост.

3. Шта је запреминска густина енергије (Вх/Л)?

Волуметријска густина енергије мери колико енергије може да се ускладишти у датој физичкој запремини. Изражава се у ват-сатима по литру.

Ако ћелија има 400 мм × 100 мм × 14 мм, њена приближна правоугаона запремина је:

Ако иста илустративна ћелија складишти 259Вх:

Вх/Л постаје посебно важно када одељак за батерије има строго ограничење димензија. Систем може толерисати мало тежу батерију, али и даље нема на располагању додатни физички простор.

Примери укључују носаче батерија за ЕВ, мотоцикле, роботе, АГВ, компактне ормаре за складиштење енергије и специјализовану индустријску опрему.

4. Вх/кг вс Вх/Л: Шта је важније?

Ниједна метрика није универзално важнија. Тачан приоритет зависи од апликације.

5. Зашто ћелије врећице могу постићи високу густину енергије

Ћелија са литијумском врећицом користи ламинирани флексибилни пакет, а не чврсти метал који користе цилиндричне и многе призматичне ћелије. Ово може да смањи део неактивне масе паковања и даје произвођачима батерија више слободе да дизајнирају ширину, дужину и дебљину ћелије.

Равни облик такође може помоћи дизајнерима батерија да ефикасно искористе расположиви простор јер ћелије могу бити распоређене у релативно компактне гомиле.

Међутим, важно је не претпоставити да свака ћелија врећице аутоматски има већу густину енергије од сваке цилиндричне или призматичне ћелије.

Стварни учинак зависи од:

• Ћелијска хемија

• Формулација електроде

• Капацитет ћелије

• Дизајн амбалаже

• Потребна брзина пражњења

• Сигурносне границе

• Циљеви циклуса

• Радна температура

• Процес производње

Формат ћелије је само један део једначине густине енергије.

За купце који упоређују високоенергетске литијум-јонске опције, Мисен нуди низ НЦМ кесице ћелије за ЕВ, мобилност, роботику и индустријске батерије.

6. Хемија је важна колико и формат ћелије

Две ћелије са скоро идентичним димензијама могу имати веома различиту густину енергије, моћ снаге, животни век и термичко понашање. Разлог је тај што су унутрашња хемија и дизајн ћелије различити.

Због тога одабир батерије само према највећем броју Вх/кг може довести до погрешног резултата. Најбоља ћелија је она која задовољава комплетне системске захтеве.

7. Густина енергије ћелије није густина енергије паковања

Ово је један од најважнијих концепата у дизајну батерија.

Спецификација ћелије произвођача обично описује голу ћелију . Готов пакет батерија садржи многе додатне компоненте које не складиште електричну енергију, али су неопходне за безбедан и поуздан рад.

Свака додатна компонента додаје масу и запремину без додавања ћелијске енергије. Као резултат тога, Вх/кг и Вх/Л на нивоу паковања увек ће бити нижи од одговарајућих цифара голих ћелија када се мере на истој енергетској основи.

8. Једноставан пример густине енергије од ћелије до паковања

Размислите о поједностављеној батерији која користи 20 ћелија. Претпоставимо да свака ћелија има:

• 250Вх номинална енергија

• Тежина 0,95 кг

• Запремина ћелије 0,55 л

Ћелије заједно обезбеђују:

На нивоу ћелије:

Сада претпоставите да је готовом паковању потребно додатних 7 кг и 5 Л за своје кућиште, БМС, електричне прикључке, структурне компоненте и управљање топлотом.

Готова батерија постаје отприлике:

• Укупна маса 26 кг

• Укупна запремина 16Л

• 5кВх номинална енергија

Стога је номинална густина енергије на нивоу паковања приближно:

Ћелије се нису промениле. Разлика у потпуности долази од компоненти потребних за стварање употребљивог система батерија.

Напомена: Ово је само илустративни прорачун. Стварна архитектура батеријског пакета, надземна и корисна енергија значајно варирају у зависности од примене и дизајна.

9. Шта смањује густину енергије на нивоу паковања?

Неколико неопходних компоненти система смањују коначни ниво паковања Вх/кг и Вх/Л.

Систем управљања батеријом

БМС прати напон ћелије, температуру, струју и стање напуњености док контролише функције заштите батерије. Електроника, сензорске жице и повезани хардвер додају масу и захтевају физички простор.

Сабирнице, контактори и осигурачи

Системи батерија велике струје захтевају електричне проводнике и заштитне уређаје одговарајуће величине. Што је радна струја већа, електрични отпор, попречни пресек проводника и стварање топлоте постају важнији.

Компресија ћелија и механичка подршка

Поуцх ћелије користе флексибилно ламинирано паковање и стога обично захтевају пројектовану потпорну структуру. Модул мора заштитити ћелију од прекомерног савијања, вибрација и механичких оштећења, уз одржавање одговарајућег позиционирања и компресије ћелије.

Тхермал Манагемент

Системи батерија велике снаге или високе енергије могу захтевати плоче за хлађење, материјале термичког интерфејса, ваздушне канале или друге компоненте за управљање топлотом. Ове компоненте заузимају и тежину и запремину.

Ограђивање и заштита животне средине

Комплетној батерији може бити потребна заштита од удара, вибрација, прашине, влаге и спољашњих електричних опасности. Кућиште може представљати значајан део тежине готовог система.

10. Номинална енергија наспрам употребљиве енергије батерије

Још једна уобичајена грешка је третирање номиналне енергије батерије и употребљиве енергије као истог броја.

Паковање од 100кВх не мора нужно да обезбеди 100кВх енергије током нормалног рада. БМС може резервисати енергију на врху и на дну опсега стања напуњености како би заштитио батерију и подржао потребан радни век.

За прелиминарно планирање, корисна енергија се може проценити као:

На пример, ако батерија од 100 кВх ради преко 80% употребљивог СОЦ прозора:

Ово је поједностављена инжењерска процена. Стварна испоручена енергија такође зависи од понашања напона ћелије, температуре, струје, старења, БМС ограничења и ефикасности система.

11. Номинална енергија паковања наспрам употребљиве густине енергије паковања

Враћајући се на претходни пример батерије од 5кВх, претпоставимо да БМС дозвољава приближно 80% употребљивог енергетског прозора.

Поједностављена употребљива енергија постаје:

Коришћење комплетне батерије од 26 кг, 16Л:

Овај пример показује зашто три броја не треба мешати:

• Густина енергије голих ћелија

• Номинална густина енергије готовог паковања

• Употребљива густина енергије готовог паковања

Они одговарају на различита инжењерска питања.

12. Густина енергије није густина снаге

Ћелија високе енергије није аутоматски ћелија велике снаге.

Густина енергије вам говори колико енергије може да се ускладишти. Могућност напајања описује колико брзо та енергија може бити испоручена или прихваћена.

На пример, две ћелије кесице од 70 Ах могу имати сличне вредности Вх/кг, али веома различите:

• Непрекидна струја пражњења

• Вршна струја пражњења

• Могућност брзог пуњења

• Унутрашњи отпор

• Генерисање топлоте

УАВ, перформансни ЕВ или поморски систем велике снаге могу стога захтевати ћелију нешто ниже густине енергије ако пружа много јачу способност пражњења.

Због тога избор ћелија треба да упореди енергију, снагу, животни век циклуса, димензије и топлотне перформансе заједно.

13. Дизајн ћелија и паковања великог формата

Торбичне ћелије великог формата могу поједноставити неке архитектуре батерија јер свака ћелија складишти више енергије од мале цилиндричне ћелије. Ово може смањити број паралелних ћелија и електричних прикључних тачака потребних за постизање циљног капацитета пакета.

Међутим, веће ћелије такође захтевају пажљиво разматрање:

• Расподела топлоте по површини ћелије

• Температура језичка и отпор везе

• Механичка подршка

• Компресија ћелија

• Конзистенција ћелије

• Употребљивост

• Обуздавање квара

Мање ћелија не значи аутоматски и бољи пакет батерија. Тачна величина ћелије зависи од електричне и механичке архитектуре комплетног система.

Мисен испоручује више опција за врећице великог формата уместо да ограничава купце на један капацитет. Примери укључују П70А 70Ах кеса ћелија,119Ах НМЦ торбица ћелија иК103 103Ах НМЦ торбица ћелија.

14. Како правилно упоредити густину енергије ћелије врећице

Поређења листова са подацима могу бити погрешна ако мерења нису заснована на истим условима. Пре него што рангирате две ћелије према Вх/кг или Вх/Л, проверите шта тачно свака вредност представља.

За смислено поређење, потврдите:

• Номинални напон: Да ли се користи иста дефиниција напона?

• Капацитет: Под којом брзином пражњења и температуром је измерен капацитет?

• Тежина ћелије: Да ли укључује језичке, изолацију или додатни хардвер?

• Димензије: Да ли су картице укључене или искључене?

• Дебљина: При ком СОЦ и механичком притиску је мерена дебљина?

• Прорачун енергије: Да ли се енергија израчунава коришћењем номиналног В × Ах или се мери интеграцијом криве пражњења?

• Температура: Да ли су ћелије тестиране у упоредивим условима?

• Стање ћелије: Да ли су обе ћелије нове и из упоредивих производних серија?

Без доследне границе мерења, упоређивање два рекламирана броја густине енергије може лако произвести погрешан закључак.

15. Да ли највећа густина енергије значи најбољу батерију?

бр.

Густина енергије је само једна варијабла дизајна. Ћелија са веома високом цифром Вх/кг можда није најбоља опција ако ваш пројекат захтева:

• Веома висока континуирана струја

• Висока вршна снага

• Изузетно дуг животни циклус

• Брзо пуњење

• Рад на ниским температурама

• Специфична дебљина ћелије или отисак

• Нижа цена система

• Различити захтеви за безбедност или сертификацију

Избор батерије је стога проблем оптимизације са више варијабли, а не такмичење за највећи број спецификације.

16. Одабир праве ћелије врећице за вашу апликацију

Пре избора ћелије, дефинишите захтеве комплетног система батерија.

Ако упоређујете ћелије за ЕВ или другу високоенергетску апликацију, такође можете истражити МисеновуРешења за ЕВ батеријски модул.

17. Оптимизација на нивоу ћелије наспрам оптимизације на нивоу система

Ћелија са најбољим бројем података не производи нужно најбољу комплетну батерију.

Мало тежа ћелија може поједноставити хлађење. Већа ћелија може смањити сложеност сабирница и везе. Хемија са нижом енергијом може да обезбеди дужи радни век. Тања ћелија може омогућити много бољи распоред модула.

Зато професионални дизајн батерија треба да оптимизује цео систем , а не само голу ћелију.

За пројекте који захтевају БМС избор, усклађивање ћелија, структуру модула, планирање сабирница или прилагођени развој пакета батерија, Мисен такође обезбеђујеОЕМ и ОДМ инжењерска подршка за батерије.

Често постављана питања

Шта је добар Вх/кг за ћелију у врећици?

Не постоји јединствена вредност Вх/кг која дефинише добру ћелију у врећици. Одговарајући циљ зависи од хемије, захтева за пражњење, века циклуса, температуре, сигурносног дизајна и примене. Ћелије треба упоредити под еквивалентним условима испитивања.

Која је разлика између Вх/кг и Вх/Л?

Вх/кг мери енергију у односу на тежину, док Вх/Л мери енергију у односу на физичку запремину. Вх/кг је посебно важно за системе осетљиве на тежину, док Вх/Л постаје критичан када је расположиви простор батерије ограничен.

Како да израчунам густину енергије ћелије врећице?

Прво израчунајте номиналну енергију ћелије користећи напон × капацитет. Ову енергију поделите са тежином ћелије у килограмима за Вх/кг, или је поделите са запремином ћелије у литрима за Вх/Л.

Зашто је густина енергије батерије нижа од густине енергије ћелије?

Готов пакет садржи компоненте као што су БМС, кућиште, сабирнице, ожичење, расхладна структура, изолација, систем компресије и заштитни уређаји. Они повећавају тежину и запремину паковања без повећања ћелијске енергије.

Да ли је ћелија врећице увек енергетски гушће од цилиндричне ћелије?

Не. Паковање у врећици може смањити неактивну масу паковања и обезбедити флексибилне димензије, али стварна густина енергије зависи од комплетног дизајна ћелије и хемије. Појединачне моделе ћелија треба директно упоређивати, а не претпостављати да је један формат увек супериорнији.

Да ли већа густина енергије значи већу струју пражњења?

Не обавезно. Густина енергије и капацитет снаге су различите спецификације. Ћелија високе енергије може бити оптимизована за време рада, а не за екстремно велику струју. Увек посебно проверавајте континуирану струју, вршну струју, унутрашњи отпор и термичка ограничења.

Шта је употребљива енергија батерије?

Корисна енергија је количина номиналне енергије којој систем батерија дозвољава приступ апликацији током нормалног рада. БМС ограничења напона, СОЦ границе, температура, старење и ефикасност система могу утицати на стварну употребљиву енергију.

Закључак

Густина енергије ћелија врећице не може се проценити из једног броја.

Вх/кг вам говори колико ефикасно ћелија складишти енергију по тежини, док Вх/Л говори колико ефикасно користи простор. Али ниједна вредност не представља директно перформансе готовог комплета батерија.

Једном када су ћелије интегрисане са структурном подршком, сабирницама, БМС електроником, управљањем топлотом и заштитним кућиштем, густина енергије на нивоу паковања се смањује. Корисна енергија доступна у свакодневном раду може поново бити нижа због СОЦ ограничења и других системских ограничења.

За пројекте ЕВ, ЕСС, УАВ, роботике и индустријских батерија, најбољи приступ је да се процени:

• Вх/кг

• Вх/Л

• Континуирана и вршна струја

• Живот циклуса

• Димензије ћелије

• Температурни опсег

• Захтеви за интеграцију пакета

• Укупна корисна енергија система

Можете прегледати цео асортиман Мисен-аћелије врећице великог формата или контактирајте наш тим за избор ћелија и инжењерску подршку за батеријски пакет.