Giải thích về mật độ năng lượng tế bào túi: Wh/kg, Wh/L, Cell so với gói và năng lượng sử dụng được

Mật độ năng lượng là một trong những thông số kỹ thuật đầu tiên mà các kỹ sư xem xét khi so sánh pin lithium. Nhưng một con số như 270Wh/kg hay 600Wh/L không nói lên toàn bộ câu chuyện.

Để chọn loại pin phù hợp cho xe điện, hệ thống lưu trữ năng lượng, thiết bị bay không người lái, robot hoặc bộ pin công nghiệp, bạn cần hiểu ba câu hỏi khác nhau:

• Tế bào dự trữ bao nhiêu năng lượng cho trọng lượng của nó?

• Nó dự trữ bao nhiêu năng lượng cho thể tích của nó?

• Bao nhiêu năng lượng còn lại sau khi các tế bào được tích hợp vào một bộ pin hoàn chỉnh?

Những câu hỏi này tương ứng với mật độ năng lượng trọng lượng (Wh/kg) , , mật độ năng lượng thể tích (Wh/L) và năng lượng gói có thể sử dụng được.

Hướng dẫn này giải thích cách tính từng số liệu, tại sao mật độ năng lượng ở cấp độ tế bào và cấp độ gói lại khác nhau và cách so sánh các định dạng lớn tế bào túi lithium cho các dự án pin thực sự.

1. Mật độ năng lượng của pin có ý nghĩa gì?

Mật độ năng lượng của pin mô tả lượng năng lượng điện có thể được lưu trữ trong một trọng lượng hoặc không gian nhất định. Không nên nhầm lẫn nó chỉ với dung lượng pin.

Ví dụ: ô 100Ah không tự động có mật độ năng lượng cao hơn ô 70Ah. Ô lớn hơn có thể đơn giản là nặng hơn hoặc lớn hơn về mặt vật lý.

Để so sánh chính xác các tế bào khác nhau, các kỹ sư thường đánh giá năng lượng của tế bào theo watt-giờ và sau đó liên hệ năng lượng đó với khối lượng hoặc thể tích.

Năng lượng tế bào danh nghĩa: Wh

Phép tính đầu tiên rất đơn giản:

Đối với pin lithium-ion 3,7V 70Ah minh họa:

Do đó, tế bào lưu trữ khoảng 259Wh năng lượng danh nghĩa. Đây là điểm khởi đầu để tính cả Wh/kg và Wh/L.

2. Mật độ năng lượng trọng lượng (Wh/kg) là gì?

Mật độ năng lượng trọng lực đo lượng pin lưu trữ so với khối lượng của nó. Nó được biểu thị bằng watt-giờ trên kilôgam.

Giả sử một ô minh họa lưu trữ 259Wh và nặng 0,95kg:

Giá trị Wh/kg cao hơn có nghĩa là có thể mang theo nhiều năng lượng hơn cho cùng trọng lượng pin.

Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng nhạy cảm với trọng lượng như:

• Xe điện

• Xe máy điện

• UAV và máy bay không người lái

• Người máy

• Hệ thống động lực hàng hải

• Thiết bị công nghiệp di động

Đối với xe điện, việc giảm khối lượng pin có thể giúp cải thiện phạm vi hoạt động, khả năng tải trọng và hiệu suất của xe. Đối với UAV, ngay cả một thay đổi tương đối nhỏ về trọng lượng pin cũng có thể ảnh hưởng đáng kể đến thời gian bay và tải trọng có thể sử dụng.

3. Mật độ năng lượng thể tích (Wh/L) là gì?

Mật độ năng lượng thể tích đo lường lượng năng lượng có thể được lưu trữ trong một thể tích vật lý nhất định. Nó được biểu thị bằng watt-giờ trên mỗi lít.

Nếu một ô có kích thước 400mm × 100mm × 14mm thì thể tích hình chữ nhật gần đúng của nó là:

Nếu cùng một ô minh họa lưu trữ 259Wh:

Wh/L trở nên đặc biệt quan trọng khi ngăn chứa pin có giới hạn kích thước nghiêm ngặt. Một hệ thống có thể chịu được pin nặng hơn một chút nhưng vẫn không có thêm không gian vật lý.

Ví dụ bao gồm khay pin EV, xe máy, robot, AGV, tủ lưu trữ năng lượng nhỏ gọn và thiết bị công nghiệp chuyên dụng.

4. Wh/kg và Wh/L: Cái nào quan trọng hơn?

Không có số liệu nào quan trọng hơn trên toàn cầu. Mức độ ưu tiên chính xác phụ thuộc vào ứng dụng.

5. Tại sao tế bào túi có thể đạt được mật độ năng lượng cao

Tế bào túi lithium sử dụng gói linh hoạt nhiều lớp thay vì kim loại cứng có thể được sử dụng bởi tế bào hình trụ và nhiều hình lăng trụ. Điều này có thể giảm một số khối lượng đóng gói không hoạt động và giúp các nhà sản xuất pin tự do hơn trong việc thiết kế chiều rộng, chiều dài và độ dày của tế bào.

Hình dạng phẳng cũng có thể giúp các nhà thiết kế pin sử dụng không gian sẵn có một cách hiệu quả vì các tế bào có thể được sắp xếp thành các ngăn tương đối nhỏ gọn.

Tuy nhiên, điều quan trọng là không nên cho rằng mọi tế bào túi đều tự động có mật độ năng lượng cao hơn mọi tế bào hình trụ hoặc lăng trụ..

Hiệu suất thực tế phụ thuộc vào:

• Hóa học tế bào

• Công thức điện cực

• Dung lượng tế bào

• Thiết kế bao bì

• Tốc độ xả yêu cầu

• Biên độ an toàn

• Mục tiêu vòng đời

• Nhiệt độ hoạt động

• Quy trình sản xuất

Định dạng ô chỉ là một phần của phương trình mật độ năng lượng.

Đối với khách hàng so sánh các tùy chọn lithium-ion năng lượng cao, Misen cung cấp một loạt Tế bào túi NCM dành cho xe điện, tính di động, robot và các ứng dụng pin công nghiệp.

6. Hóa học cũng quan trọng như định dạng tế bào

Hai tế bào túi có kích thước gần như giống hệt nhau có thể có mật độ năng lượng, công suất điện, vòng đời và trạng thái nhiệt rất khác nhau. Lý do là do thành phần hóa học bên trong và thiết kế tế bào khác nhau.

Đây là lý do tại sao chỉ chọn pin theo số Wh/kg cao nhất có thể dẫn đến kết quả sai. Ô tốt nhất là ô đáp ứng được yêu cầu hoàn chỉnh của hệ thống.

7. Mật độ năng lượng tế bào không phải là mật độ năng lượng gói

Đây là một trong những khái niệm quan trọng nhất trong thiết kế pin.

Đặc điểm kỹ thuật tế bào của nhà sản xuất thường mô tả tế bào trần . Một bộ pin hoàn chỉnh chứa nhiều bộ phận bổ sung không lưu trữ năng lượng điện nhưng cần thiết để vận hành an toàn và đáng tin cậy.

Mỗi thành phần bổ sung sẽ tăng thêm khối lượng và thể tích mà không cần thêm năng lượng cho tế bào. Kết quả là Wh/kg và Wh/L ở cấp độ gói sẽ luôn thấp hơn số liệu pin trần tương ứng khi được đo trên cùng cơ sở năng lượng.

8. Ví dụ về mật độ năng lượng giữa các gói đơn giản

Hãy xem xét một pin đơn giản sử dụng 20 cell. Giả sử mỗi ô có:

• 250Wh năng lượng danh nghĩa

• trọng lượng 0,95kg

• Thể tích tế bào 0,55L

Các tế bào cùng nhau cung cấp:

Ở cấp độ chỉ ô:

Bây giờ giả sử gói đã hoàn thiện cần thêm 7kg và 5L cho vỏ, BMS, kết nối điện, các bộ phận kết cấu và quản lý nhiệt.

Pin đã hoàn thành sẽ có khoảng:

• Tổng khối lượng 26kg

• Tổng thể tích 16L

• 5kWh năng lượng danh nghĩa

Do đó, mật độ năng lượng danh nghĩa ở cấp độ gói xấp xỉ:

Các tế bào không thay đổi. Sự khác biệt hoàn toàn đến từ các thành phần cần thiết để tạo nên một hệ thống pin có thể sử dụng được.

Lưu ý: Đây chỉ là tính toán minh họa. Kiến trúc bộ pin thực tế, chi phí sử dụng và năng lượng sử dụng được thay đổi đáng kể tùy theo ứng dụng và thiết kế.

9. Điều gì làm giảm mật độ năng lượng ở cấp độ gói?

Một số thành phần hệ thống cần thiết giúp giảm mức Wh/kg và Wh/L ở cấp gói cuối cùng.

Hệ thống quản lý pin

BMS giám sát điện áp, nhiệt độ, dòng điện và trạng thái sạc trong khi kiểm soát các chức năng bảo vệ pin. Các thiết bị điện tử, dây cảm biến và phần cứng liên quan tăng thêm khối lượng và yêu cầu không gian vật lý.

Thanh cái, Công tắc tơ và Cầu chì

Hệ thống pin dòng điện cao yêu cầu dây dẫn điện và thiết bị bảo vệ có kích thước phù hợp. Dòng điện hoạt động càng cao thì điện trở, tiết diện dây dẫn và sinh nhiệt càng quan trọng.

Nén tế bào và hỗ trợ cơ học

Tế bào túi sử dụng bao bì nhiều lớp linh hoạt và do đó thường yêu cầu cấu trúc hỗ trợ được thiết kế. Mô-đun phải bảo vệ tế bào khỏi bị uốn cong, rung động và hư hỏng cơ học quá mức trong khi vẫn duy trì vị trí và lực nén thích hợp của tế bào.

Quản lý nhiệt

Hệ thống pin công suất cao hoặc năng lượng cao có thể yêu cầu tấm làm mát, vật liệu giao diện nhiệt, kênh không khí hoặc các bộ phận quản lý nhiệt khác. Các thành phần này chiếm cả trọng lượng và khối lượng.

Bao vây và bảo vệ môi trường

Pin hoàn chỉnh có thể cần được bảo vệ khỏi va đập, rung, bụi, hơi ẩm và các mối nguy hiểm về điện bên ngoài. Vỏ bọc có thể đại diện cho một phần quan trọng trong trọng lượng của hệ thống đã hoàn thiện.

10. Năng lượng danh nghĩa và năng lượng pin có thể sử dụng

Một sai lầm phổ biến khác là coi năng lượng danh nghĩa của pin và năng lượng sử dụng được là cùng một con số.

Một gói được đánh giá ở mức 100kWh không nhất thiết phải cung cấp 100kWh năng lượng trong quá trình hoạt động bình thường. BMS có thể dự trữ năng lượng ở mức cao nhất và thấp nhất trong phạm vi trạng thái sạc để bảo vệ pin và hỗ trợ tuổi thọ sử dụng cần thiết.

Đối với quy hoạch sơ bộ, năng lượng sử dụng có thể được ước tính như sau:

Ví dụ: nếu pin 100kWh được vận hành trên cửa sổ SOC có thể sử dụng được 80%:

Đây là một ước tính kỹ thuật đơn giản hóa. Năng lượng được cung cấp thực tế cũng phụ thuộc vào hoạt động của điện áp tế bào, nhiệt độ, dòng điện, độ tuổi, giới hạn BMS và hiệu suất hệ thống.

11. Năng lượng gói danh nghĩa so với mật độ năng lượng gói có thể sử dụng

Quay lại ví dụ về pin 5kWh trước đó, giả sử BMS cho phép cửa sổ năng lượng có thể sử dụng khoảng 80%.

Năng lượng sử dụng được đơn giản hóa trở thành:

Sử dụng trọn bộ pin 26kg, 16L:

Ví dụ này cho thấy tại sao không nên nhầm lẫn ba số:

• Mật độ năng lượng tế bào trần

• Mật độ năng lượng đóng gói thành phẩm danh nghĩa

• Mật độ năng lượng thành phẩm có thể sử dụng

Họ trả lời các câu hỏi kỹ thuật khác nhau.

12. Mật độ năng lượng không phải là mật độ năng lượng

Một tế bào năng lượng cao không tự động là một tế bào năng lượng cao.

Mật độ năng lượng cho bạn biết lượng năng lượng có thể được lưu trữ. Khả năng năng lượng mô tả năng lượng đó có thể được phân phối hoặc chấp nhận nhanh như thế nào.

Ví dụ: hai ô túi 70Ah có thể có giá trị Wh/kg tương tự nhưng rất khác nhau:

• Dòng xả liên tục

• Dòng xả đỉnh

• Khả năng sạc nhanh

• Kháng nội bộ

• sinh nhiệt

Do đó, máy bay không người lái, xe điện hiệu suất hoặc hệ thống hàng hải công suất cao có thể yêu cầu pin có mật độ năng lượng thấp hơn một chút nếu nó cung cấp khả năng phóng điện mạnh hơn nhiều.

Đây là lý do tại sao việc lựa chọn pin nên so sánh năng lượng, công suất, vòng đời, kích thước và hiệu suất nhiệt với nhau.

13. Thiết kế bao bì và tế bào khổ lớn

Các ô dạng túi có kích thước lớn có thể đơn giản hóa một số cấu trúc pin vì mỗi ô lưu trữ nhiều năng lượng hơn một ô hình trụ nhỏ. Điều này có thể giảm số lượng ô song song và điểm kết nối điện cần thiết để đạt được dung lượng gói mục tiêu.

Tuy nhiên, các tế bào lớn hơn cũng cần được xem xét cẩn thận về:

• Sự phân bố nhiệt trên bề mặt tế bào

• Nhiệt độ tab và điện trở kết nối

• Hỗ trợ cơ khí

• Nén tế bào

• Tính nhất quán của tế bào

• Khả năng phục vụ

• Ngăn chặn sự cố

Ít cell hơn không tự động có nghĩa là bộ pin tốt hơn. Kích thước ô chính xác phụ thuộc vào kiến ​​trúc điện và cơ khí của hệ thống hoàn chỉnh.

Misen cung cấp nhiều tùy chọn tế bào túi khổ lớn thay vì giới hạn khách hàng ở một dung lượng duy nhất. Các ví dụ bao gồm Tế bào túi P70A 70Ah,Tế bào túi 119Ah NMC vàTế bào túi K103 103Ah NMC.

14. Cách so sánh chính xác mật độ năng lượng của tế bào túi

Việc so sánh bảng dữ liệu có thể gây hiểu nhầm nếu các phép đo không dựa trên cùng điều kiện. Trước khi xếp hạng hai ô theo Wh/kg hoặc Wh/L, hãy kiểm tra chính xác từng giá trị đại diện cho điều gì.

Để so sánh có ý nghĩa, hãy xác nhận:

• Điện áp danh định: Định nghĩa điện áp tương tự có được sử dụng không?

• Công suất: Công suất được đo ở tốc độ phóng điện và nhiệt độ nào?

• Trọng lượng tế bào: Nó có bao gồm các tab, lớp cách nhiệt hoặc phần cứng bổ sung không?

• Thứ nguyên: Các tab được bao gồm hay loại trừ?

• Độ dày: Độ dày được đo ở mức SOC và áp suất cơ học nào?

• Tính toán năng lượng: Năng lượng được tính bằng V × Ah danh nghĩa hay được đo bằng tích phân đường cong phóng điện?

• Nhiệt độ: Các tế bào có được thử nghiệm trong các điều kiện tương đương không?

• Tình trạng tế bào: Cả hai tế bào đều mới và từ các lô sản xuất tương đương phải không?

Nếu không có ranh giới đo nhất quán, việc so sánh hai con số mật độ năng lượng được quảng cáo có thể dễ dàng đưa ra kết luận sai.

15. Mật độ năng lượng cao nhất có nghĩa là pin tốt nhất?

KHÔNG.

Mật độ năng lượng chỉ là một biến thiết kế. Một tế bào có chỉ số Wh/kg rất cao có thể không phải là lựa chọn tốt nhất nếu dự án của bạn yêu cầu:

• Dòng điện liên tục rất cao

• Công suất đỉnh cao

• Vòng đời cực kỳ dài

• Sạc nhanh

• Hoạt động ở nhiệt độ thấp

• Độ dày hoặc dấu chân tế bào cụ thể

• Chi phí hệ thống thấp hơn

• Yêu cầu về an toàn hoặc chứng nhận khác nhau

Do đó, việc lựa chọn pin là một vấn đề tối ưu hóa nhiều biến hơn là cạnh tranh để có được số lượng thông số kỹ thuật cao nhất.

16. Chọn ô túi phù hợp cho ứng dụng của bạn

Trước khi chọn một ô, hãy xác định các yêu cầu của hệ thống pin hoàn chỉnh.

Nếu bạn đang so sánh các tế bào với xe điện hoặc ứng dụng năng lượng cao khác, bạn cũng có thể khám phá Misen'sGiải pháp mô-đun pin EV.

17. Tối ưu hóa cấp độ tế bào và Tối ưu hóa cấp độ hệ thống

Ô có số bảng dữ liệu tốt nhất không nhất thiết tạo ra pin hoàn chỉnh nhất.

Một cell nặng hơn một chút có thể làm mát dễ dàng hơn. Một ô lớn hơn có thể làm giảm độ phức tạp của thanh cái và kết nối. Hóa chất có năng lượng thấp hơn có thể mang lại tuổi thọ dài hơn. Một ô mỏng hơn có thể cho phép bố trí mô-đun tốt hơn nhiều.

Đó là lý do tại sao nhà thiết kế pin chuyên nghiệp nên tối ưu hóa toàn bộ hệ thống chứ không chỉ riêng cell trần.

Đối với các dự án yêu cầu lựa chọn BMS, kết hợp tế bào, cấu trúc mô-đun, quy hoạch thanh cái hoặc phát triển bộ pin tùy chỉnh, Misen cũng cung cấpHỗ trợ kỹ thuật pin OEM và ODM.

Câu hỏi thường gặp

Wh/kg tốt cho tế bào dạng túi là bao nhiêu?

Không có một giá trị Wh/kg nào xác định một tế bào dạng túi tốt. Mục tiêu thích hợp phụ thuộc vào hóa học, yêu cầu xả thải, vòng đời, nhiệt độ, thiết kế và ứng dụng an toàn. Các tế bào nên được so sánh trong các điều kiện thử nghiệm tương đương.

Sự khác biệt giữa Wh/kg và Wh/L là gì?

Wh/kg đo năng lượng tương ứng với trọng lượng, trong khi Wh/L đo năng lượng tương ứng với thể tích vật lý. Wh/kg đặc biệt quan trọng đối với các hệ thống nhạy cảm với trọng lượng, trong khi Wh/L trở nên quan trọng khi dung lượng pin sẵn có bị hạn chế.

Làm cách nào để tính toán mật độ năng lượng của tế bào túi?

Đầu tiên tính năng lượng danh nghĩa của tế bào bằng cách sử dụng điện áp × công suất. Chia năng lượng này cho trọng lượng tế bào tính bằng kilogam để có Wh/kg hoặc chia cho thể tích tế bào tính bằng lít để có Wh/L.

Tại sao mật độ năng lượng của pin thấp hơn mật độ năng lượng của tế bào?

Một gói hoàn thiện bao gồm các bộ phận như BMS, vỏ bọc, thanh cái, hệ thống dây điện, cấu trúc làm mát, vật liệu cách nhiệt, hệ thống nén và các thiết bị bảo vệ. Chúng làm tăng trọng lượng và thể tích của gói mà không làm tăng năng lượng tế bào.

Có phải tế bào túi luôn đậm đặc năng lượng hơn tế bào hình trụ?

Không. Bao bì dạng túi có thể giảm khối lượng bao bì không hoạt động và cung cấp kích thước linh hoạt, nhưng mật độ năng lượng thực tế phụ thuộc vào thiết kế tế bào hoàn chỉnh và thành phần hóa học. Các mô hình ô riêng lẻ nên được so sánh trực tiếp thay vì cho rằng một định dạng luôn ưu việt hơn.

Mật độ năng lượng cao hơn có nghĩa là dòng phóng điện cao hơn?

Không nhất thiết phải như vậy. Mật độ năng lượng và khả năng cung cấp năng lượng là các thông số kỹ thuật khác nhau. Một tế bào năng lượng cao có thể được tối ưu hóa cho thời gian chạy thay vì dòng điện cực cao. Luôn kiểm tra riêng dòng điện liên tục, dòng điện cực đại, điện trở trong và giới hạn nhiệt.

Năng lượng pin có thể sử dụng là gì?

Năng lượng sử dụng được là lượng năng lượng danh nghĩa mà hệ thống pin cho phép ứng dụng truy cập trong quá trình hoạt động bình thường. Các giới hạn điện áp BMS, giới hạn SOC, nhiệt độ, độ lão hóa và hiệu suất hệ thống đều có thể ảnh hưởng đến năng lượng sử dụng thực tế.

Phần kết luận

Mật độ năng lượng của tế bào túi không thể được đánh giá từ một con số duy nhất.

Wh/kg cho bạn biết tế bào dự trữ năng lượng theo trọng lượng hiệu quả như thế nào, trong khi Wh/L cho bạn biết tế bào đó sử dụng không gian hiệu quả như thế nào. Nhưng không có giá trị nào thể hiện trực tiếp hiệu suất của bộ pin đã hoàn thiện.

Khi các tế bào được tích hợp với hỗ trợ cấu trúc, thanh cái, thiết bị điện tử BMS, quản lý nhiệt và vỏ bảo vệ, mật độ năng lượng ở cấp độ gói sẽ giảm. Năng lượng sử dụng được trong hoạt động hàng ngày có thể lại thấp hơn do các giới hạn SOC và các hạn chế khác của hệ thống.

Do đó, đối với các dự án EV, ESS, UAV, robot và pin công nghiệp, cách tiếp cận tốt nhất là đánh giá:

• Wh/kg

• Wh/L

• Dòng điện liên tục và cực đại

• Vòng đời

• Kích thước ô

• Phạm vi nhiệt độ

• Yêu cầu tích hợp gói

• Tổng năng lượng hệ thống có thể sử dụng

Bạn có thể duyệt đầy đủ các sản phẩm của Misenpin dạng túi cỡ lớn hoặc liên hệ với nhóm của chúng tôi để được hỗ trợ kỹ thuật về lựa chọn pin và bộ pin.