Пояснення щільності енергії мішечної клітини: Вт·год/кг, Вт·год/л, клітинка проти упаковки та корисна енергія

Щільність енергії є однією з перших специфікацій, на яку звертають увагу інженери, порівнюючи елементи літієвої батареї. Але такі цифри, як 270 Вт-год/кг або 600 Вт-год/л, не розповість усієї історії.

Щоб вибрати правильний акумулятор для електромобіля, системи накопичення енергії, БПЛА, робота чи промислової акумуляторної батареї, вам потрібно зрозуміти три різні питання:

• Скільки енергії накопичує клітина для своєї ваги?

• Скільки енергії він накопичує для свого об’єму?

• Яка частина цієї енергії залишається доступною після того, як елементи інтегровані в повний акумуляторний блок?

Ці запитання відповідають гравіметричній щільності енергії (Вт·год/кг), , об’ємній щільності енергії (Вт·год/л) і корисній енергії упаковки.

У цьому посібнику пояснюється, як розраховується кожна метрика, чому щільність енергії на рівні клітини та на рівні упаковки відрізняється, і як порівнювати великоформатні літієві пакети для реальних проектів акумуляторів.

1. Що означає щільність енергії батареї?

Щільність енергії батареї описує, скільки електричної енергії можна зберегти в межах певної ваги або простору. Його не слід плутати лише з ємністю акумулятора.

Наприклад, елемент на 100 А·год не є автоматично більш енергоємним, ніж елемент на 70 А·год. Більша клітина може бути просто важчою або фізично більшою.

Щоб правильно порівняти різні клітини, інженери зазвичай оцінюють енергію клітини у ват-годинах, а потім співвідносять цю енергію з масою або об’ємом.

Номінальна енергія клітини: Вт·год

Перший розрахунок простий:

Для прикладу літій-іонного елемента 3,7 В 70 А·год:

Таким чином, елемент зберігає приблизно 259 Вт·год номінальної енергії. Це відправна точка для розрахунку Wh/кг і Wh/л.

2. Що таке гравіметрична щільність енергії (Вт·год/кг)?

Гравіметрична щільність енергії вимірює, скільки енергії накопичує батарея відносно її маси. Виражається у ват-годинах на кілограм.

Припустимо, що ілюстративна комірка зберігає 259 Вт·год і важить 0,95 кг:

Більше значення Вт·год/кг означає, що для тієї ж ваги акумулятора можна перенести більше енергії.

Це особливо важливо в програмах, чутливих до ваги, таких як:

• Електромобілі

• Електромотоцикли

• БПЛА та дрони

• Робототехніка

• Суднові силові установки

• Переносне промислове обладнання

Для електромобілів зменшення маси батареї може допомогти збільшити запас ходу, вантажопідйомність і ефективність автомобіля. Для БПЛА навіть відносно невелика зміна ваги батареї може значно вплинути на час польоту та корисне навантаження.

3. Що таке об’ємна щільність енергії (Вт·год/л)?

Об’ємна щільність енергії вимірює, скільки енергії може зберігатися в межах даного фізичного об’єму. Виражається у ват-годинах на літр.

Якщо клітинка має розміри 400 мм × 100 мм × 14 мм, її приблизний прямокутний об’єм дорівнює:

Якщо той самий ілюстративний елемент зберігає 259 Вт·год:

Вт/л стає особливо важливим, коли батарейний відсік має суворі обмеження розмірів. Система може терпіти трохи більший акумулятор, але все одно не матиме додаткового фізичного місця.

Приклади включають акумуляторні лотки для електромобілів, мотоцикли, роботи, AGV, компактні шафи для зберігання енергії та спеціалізоване промислове обладнання.

4. Wh/kg проти Wh/L: що важливіше?

Жодна метрика не є універсально важливішою. Правильний пріоритет залежить від програми.

5. Чому мішечні клітини можуть досягати високої щільності енергії

Літієва мішечна комірка використовує ламіновану гнучку упаковку, а не жорстку металеву банку, яку використовують циліндричні та багато призматичні комірки. Це може зменшити деяку масу неактивної упаковки та надати виробникам акумуляторів більше свободи проектувати ширину, довжину та товщину елемента.

Плоска форма також може допомогти розробникам акумуляторів ефективно використовувати доступний простір, оскільки елементи можна розташувати відносно компактними стопками.

Однак важливо не припускати, що кожна клітина мішка автоматично має вищу щільність енергії, ніж кожна циліндрична або призматична клітина.

Фактична продуктивність залежить від:

• Клітинна хімія

• Рецептура електродів

• Ємність клітини

• Дизайн упаковки

• Необхідна швидкість розряду

• Запаси міцності

• Цілі життєвого циклу

• Робоча температура

• Процес виготовлення

Формат комірки — це лише одна частина рівняння щільності енергії.

Для клієнтів, які порівнюють високоенергетичні літій-іонні варіанти, Misen пропонує ряд Сумкові елементи NCM для електромобілів, мобільності, робототехніки та промислових батарей.

6. Хімія має таке ж значення, як і формат клітинки

Дві мішечні камери з майже однаковими розмірами можуть мати дуже різну щільність енергії, потужність, життєвий цикл і термічну поведінку. Причина в тому, що внутрішня хімія та дизайн клітини різні.

Ось чому вибір батареї лише за найбільшим числом Вт·год/кг може призвести до неправильного результату. Найкраща комірка – це та, яка задовольняє всі вимоги системи.

7. Щільність енергії клітини не є щільністю енергії упаковки

Це одне з найважливіших понять у проектуванні акумуляторів.

У специфікації виробника комірки зазвичай описано голу комірку . Готовий акумуляторний блок містить багато додаткових компонентів, які не накопичують електроенергію, але необхідні для безпечної та надійної роботи.

Кожен додатковий компонент додає масу та об'єм, не додаючи клітинної енергії. Як наслідок, рівень упаковки Вт·год/кг і Вт·год/л завжди будуть нижчими, ніж відповідні показники без елемента, якщо вимірювати на тій самій енергетичній основі.

8. Простий приклад щільності енергії клітини до упаковки

Розглянемо спрощену батарею з 20 елементами. Припустимо, що кожна клітинка має:

• 250 Вт/год номінальної енергії

• Вага 0,95 кг

• Об'єм комірки 0,55 л

Разом клітини забезпечують:

На рівні клітинки:

Тепер припустімо, що для готової упаковки потрібні додаткові 7 кг і 5 л для її корпусу, BMS, електричних з’єднань, структурних компонентів і керування температурою.

Готовий акумулятор виходить приблизно:

• Загальна маса 26 кг

• Загальний об'єм 16 л

• 5 кВт/год номінальної енергії

Таким чином, номінальна щільність енергії на рівні упаковки становить приблизно:

Клітини не змінені. Різниця повністю походить від компонентів, необхідних для створення придатної для використання акумуляторної системи.

Примітка. Це лише ілюстративний розрахунок. Справжня архітектура акумуляторної батареї, накладні витрати та корисна енергія значно відрізняються залежно від застосування та конструкції.

9. Що зменшує щільність енергії на рівні упаковки?

Кілька необхідних системних компонентів зменшують кінцевий рівень упаковки Вт·год/кг і Вт·год/л.

Система керування акумулятором

BMS контролює напругу, температуру, струм і стан заряду елемента, керуючи функціями захисту акумулятора. Електроніка, сенсорні дроти та відповідне обладнання додають маси та потребують фізичного простору.

Шинопроводи, контактори та запобіжники

Сильнострумові акумуляторні системи потребують електричних провідників і захисних пристроїв відповідного розміру. Чим вищий робочий струм, тим важливішими стають електричний опір, поперечний переріз провідника та виділення тепла.

Компресія клітин і механічна підтримка

Пакетні клітини використовують гнучку ламіновану упаковку, тому зазвичай потребують розробленої опорної конструкції. Модуль повинен захищати комірку від надмірного вигину, вібрації та механічних пошкоджень, зберігаючи відповідне розташування та стиснення комірки.

Тепловий менеджмент

Акумуляторні системи високої потужності або високої енергії можуть вимагати охолоджувальних пластин, термоінтерфейсних матеріалів, повітряних каналів або інших компонентів керування температурою. Ці компоненти займають як вагу, так і об’єм.

Огородження та захист навколишнього середовища

Повна батарея може потребувати захисту від ударів, вібрації, пилу, вологи та зовнішнього електричного струму. Корпус може представляти значну частину ваги готової системи.

10. Номінальна енергія проти корисної енергії батареї

Інша поширена помилка полягає в тому, що номінальну енергію батареї та корисну енергію вважають одним і тим же числом.

Агрегат потужністю 100 кВт·год не обов’язково забезпечує 100 кВт·год енергії під час нормальної роботи. BMS може резервувати енергію у верхній і нижній частині діапазону стану заряду, щоб захистити акумулятор і підтримувати необхідний термін служби.

Для попереднього планування корисну енергію можна оцінити як:

Наприклад, якщо батарея ємністю 100 кВт⋅год працює протягом 80% корисного вікна SOC:

Це спрощена інженерна оцінка. Фактична доставлена ​​енергія також залежить від напруги елемента, температури, струму, старіння, обмежень BMS та ефективності системи.

11. Номінальна енергія упаковки проти корисної щільності енергії упаковки

Повертаючись до попереднього прикладу батареї ємністю 5 кВт/год, припустімо, що BMS дозволяє вікно корисної енергії приблизно на 80%.

Спрощена використана енергія стає:

Використовуючи повний акумулятор 26 кг, 16 л:

Цей приклад показує, чому не слід плутати три числа:

• Щільність енергії голої клітини

• Номінальна щільність енергії готової упаковки

• Щільність енергії готової упаковки

Вони відповідають на різні інженерні питання.

12. Щільність енергії не є щільністю потужності

Елемент високої енергії не є автоматично елементом високої потужності.

Щільність енергії говорить вам, скільки енергії можна накопичити. Потужність описує, як швидко ця енергія може бути доставлена ​​або прийнята.

Наприклад, дві мішечні камери ємністю 70 А·год можуть мати однакові значення Вт·год/кг, але дуже різні:

• Безперервний струм розряду

• Піковий струм розряду

• Можливість швидкої зарядки

• Внутрішній опір

• Вироблення тепла

Таким чином, для БПЛА, високопродуктивного електромобіля або потужної морської системи може знадобитися осередок з дещо нижчою щільністю енергії, якщо він забезпечує набагато потужнішу здатність розряду.

Ось чому підбір клітинок повинен порівнювати енергію, потужність, термін служби, розміри та теплові характеристики разом.

13. Осередки великого формату та дизайн упаковки

Пакети великого формату можуть спростити деякі архітектури акумуляторів, оскільки кожен елемент зберігає більше енергії, ніж маленький циліндричний елемент. Це може зменшити кількість паралельних комірок і точок електричного з’єднання, необхідних для досягнення цільової ємності упаковки.

Однак більші клітини також потребують ретельного розгляду:

• Розподіл тепла по поверхні клітини

• Температура вкладки та опір підключення

• Механічна опора

• Компресія клітини

• Консистенція клітин

• Ремонтопридатність

• Стримування відмов

Менша кількість елементів автоматично не означає кращий акумулятор. Правильний розмір комірки залежить від електричної та механічної архітектури всієї системи.

Misen постачає кілька варіантів великоформатних пакетів, а не обмежує клієнтів однією ємністю. Приклади включають P70A ємністю 70 Ач,119Ah NMC мішок комірки іK103 103Ah NMC мішечок.

14. Як правильно порівняти щільність енергії мішечної клітини

Порівняння таблиці даних може ввести в оману, якщо вимірювання не базуються на однакових умовах. Перш ніж ранжувати дві комірки за Вт·год/кг або Вт·год/л, перевірте, що саме означає кожне значення.

Для значущого порівняння підтвердьте:

• Номінальна напруга: чи використовується те саме визначення напруги?

• Ємність: за якої швидкості розряду та температури було виміряно ємність?

• Вага клітини: чи включає вкладки, ізоляцію чи додаткове обладнання?

• Розміри: вкладки включено чи виключено?

• Товщина: при якому SOC і механічному тиску вимірювалася товщина?

• Розрахунок енергії: енергія розраховується за допомогою номінального V × Ah чи вимірюється шляхом інтегрування кривої розряду?

• Температура: чи були клітини протестовані в порівнянних умовах?

• Стан клітини: чи є обидві клітини новими та з порівнянних виробничих партій?

Без узгодженої межі вимірювання порівняння двох рекламованих значень щільності енергії може легко дати неправильний висновок.

15. Чи означає найвища щільність енергії найкращий акумулятор?

немає

Щільність енергії є лише однією змінною конструкції. Комірка з дуже високим показником Вт·год/кг може бути не найкращим варіантом, якщо ваш проект вимагає:

• Дуже високий безперервний струм

• Висока пікова потужність

• Надзвичайно довгий термін служби

• Швидка зарядка

• Низькотемпературна робота

• Певна товщина клітини або площа

• Нижча вартість системи

• Інші вимоги безпеки або сертифікації

Тому вибір батареї є проблемою оптимізації з багатьма параметрами, а не змаганням за найвищий номер специфікації.

16. Вибір правильної сумки для вашої програми

Перш ніж вибрати елемент, визначте вимоги до всієї акумуляторної системи.

Якщо ви порівнюєте комірки для електромобілів або інших високоенергетичних застосувань, ви також можете дослідити Misen'sРішення модуля акумулятора EV.

17. Оптимізація на рівні клітини проти оптимізації на рівні системи

Осередок із найкращим номером таблиці даних не обов’язково виробляє найкращу повну батарею.

Трохи важчий елемент може спростити охолодження. Більший осередок може зменшити складність шин і з’єднань. Низькоенергетичний хімічний склад може забезпечити довший термін служби. Тонша комірка може дозволити набагато краще розташування модулів.

Ось чому професійний дизайн батареї повинен оптимізувати всю систему , а не лише елемент.

Для проектів, які вимагають вибору BMS, відповідності елементів, модульної структури, планування шин або індивідуальної розробки акумуляторної батареї, Misen також надаєІнженерна підтримка акумуляторів OEM та ODM.

Часті запитання

Яке співвідношення Вт·год/кг для пакетної клітинки?

Немає єдиного значення Вт⋅год/кг, яке б визначало хорошу комірку для пакета. Відповідна ціль залежить від хімічного складу, вимог до розряду, тривалості циклу, температури, безпечної конструкції та застосування. Клітини слід порівнювати в еквівалентних умовах тестування.

Яка різниця між Wh/kg і Wh/L?

Wh/kg вимірює енергію відносно ваги, тоді як Wh/L вимірює енергію відносно фізичного об’єму. Вт·год/кг особливо важливий для систем, чутливих до ваги, тоді як Вт·год/л стає критичним, коли доступний простір акумулятора обмежений.

Як розрахувати щільність енергії мішечної клітини?

Спочатку обчисліть номінальну енергію елемента за допомогою напруги × ємності. Розділіть цю енергію на масу клітини в кілограмах для Вт·год/кг або поділіть її на об’єм клітини в літрах для Вт·год/л.

Чому щільність енергії акумулятора нижча, ніж щільність енергії елемента?

Готовий пакет містить такі компоненти, як BMS, корпус, шини, проводка, охолоджувальна конструкція, ізоляція, система стиснення та захисні пристрої. Вони збільшують вагу та об’єм пачки без збільшення енергії клітин.

Чи завжди мішечна клітина має більшу енергетичну щільність, ніж циліндрична?

Ні. Упаковка в мішок може зменшити масу неактивної упаковки та забезпечити гнучкі розміри, але фактична щільність енергії залежить від повної конструкції комірки та хімічного складу. Окремі моделі клітинок слід порівнювати безпосередньо, а не припускати, що один формат завжди кращий.

Чи означає вища щільність енергії більший розрядний струм?

Не обов'язково. Щільність енергії та потужність є різними характеристиками. Елемент з високою енергією може бути оптимізований для роботи, а не для надзвичайно високого струму. Завжди перевіряйте тривалий струм, піковий струм, внутрішній опір і температурні обмеження окремо.

Що таке корисна енергія акумулятора?

Корисна енергія – це кількість номінальної енергії, яку система батареї дозволяє отримати доступ програмі під час нормальної роботи. Обмеження напруги BMS, обмеження SOC, температура, старіння та ефективність системи можуть впливати на фактичну корисну енергію.

Висновок

Щільність енергії мішечної клітини не можна оцінити за одним числом.

Вт·год/кг показує, наскільки ефективно клітина зберігає енергію за вагою, тоді як Вт·год/л говорить вам, наскільки ефективно вона використовує простір. Але жодне значення безпосередньо не відображає продуктивність готової батареї.

Після того, як комірки об’єднано зі структурною опорою, шинами, електронікою BMS, системою теплового керування та захисним корпусом, щільність енергії на рівні пакета зменшується. Споживана енергія, доступна в щоденній роботі, може знову бути нижчою через обмеження SOC та інші обмеження системи.

Тому для проектів електромобілів, ESS, БПЛА, робототехніки та промислових батарей найкращим підходом є оцінка:

• Вт·год/кг

• Вт/л

• Безперервний і піковий струм

• Цикл життя

• Розміри комірки

• Діапазон температур

• Вимоги до інтеграції пакета

• Загальна корисна енергія системи

Ви можете переглянути повний асортимент Misenвеликоформатні мішечні елементи або зв’яжіться з нашою командою для вибору елемента та інженерної підтримки акумуляторної батареї.