Jak vypočítat kapacitu lithium-iontové baterie

Výpočet kapacity lithium-iontové baterie vyžaduje více než jen sčítání kapacity vytištěné na každém článku.

Konečná kapacita závisí na tom, jak jsou články připojeny:

• Sériová připojení zvyšují napětí.

• Paralelní připojení zvyšují kapacitu ampérhodin.

• Sériově paralelní konfigurace zvyšují napětí i kapacitu.

Například čtyři články 3,7 V, 1000 mAh mohou být uspořádány různými způsoby:

• 4S1P: přibližně 14,8 V, 1000 mAh

• 2S2P: přibližně 7,4 V, 2000 mAh

• 1S4P: přibližně 3,7 V, 4000 mAh

Stejný počet článků tedy může produkovat velmi odlišné specifikace bateriového bloku.

Tato příručka vysvětluje, jak vypočítat kapacitu lithium-iontové baterie v mAh, Ah a Wh. Také objasňuje rozdíl mezi jmenovitou kapacitou a použitelnou kapacitou, takže inženýři OEM mohou připravit přesnější specifikaci baterie.

Pro širší vztah mezi napětím, kapacitou, BMS a dobou běhu viz Konstrukce lithium-iontové baterie: napětí, kapacita, BMS a doba provozu.

Rychlá odpověď: Jak vypočítáte kapacitu baterie?

Pro spárované buňky se stejnou kapacitou:

Kapacita balení v Ah

Kapacita balení (Ah) = Kapacita jednoho článku (Ah) × Počet článků paralelně

Kapacita balení v mAh

Kapacita balení (mAh) = Kapacita jednoho článku (mAh) × Počet skupin paralelních článků

Napětí balení

Napětí baterie (V) = jmenovité napětí článku (V) × počet článků v sérii

Balíček energie

Energie baterie (Wh) = napětí baterie (V) × kapacita baterie (Ah)

Počet článků zapojených do série je reprezentován S . Počet paralelně zapojených článků představuje P.

Například:

• 2S1P znamená dva články v sérii a jednu paralelní cestu.

• 1S2P znamená jednu buněčnou skupinu v sérii a dvě buňky paralelně.

• 3S2P znamená tři sériové skupiny se dvěma paralelními buňkami v každé skupině.

1. Pochopte kapacitu, napětí a energii

Před výpočtem bateriového bloku je důležité rozlišit tři základní hodnoty.

Kapacita

Kapacita popisuje, kolik elektrického náboje dokáže baterie uložit. Běžně se vyjadřuje takto:

• Miliampérhodiny nebo mAh

• Ampérhodiny nebo Ah

Převod je:

1 Ah = 1000 mAh

3000 mAh článek odpovídá článku 3 Ah.

Napětí

Napětí popisuje elektrický potenciál baterie. Běžně se vyjadřuje ve voltech.

Pro mnoho standardních lithium-iontových a lithium-polymerových článků je jmenovité napětí přibližně 3,6 V nebo 3,7 V. Přesná hodnota závisí na chemii článku a specifikaci výrobce.

Energie

Energie kombinuje napětí a kapacitu. Vyjadřuje se ve watthodinách.

Energie (Wh) = napětí (V) × kapacita (Ah)

Vyšší hodnota mAh nemusí vždy znamenat vyšší celkovou energii, pokud je napětí baterie odlišné.

Například:

• 3,7 V × 2 Ah = 7,4 Wh

• 7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh

Tyto dvě sady mají stejnou ampérhodinovou kapacitu, ale různou energii, protože jejich napětí je různé.

2. Jak sériová připojení ovlivňují kapacitu

Když jsou články zapojeny do série, kladný pól jednoho článku se spojuje se záporným pólem dalšího článku.

Sériová připojení zvyšují napětí.

Pro spárované buňky zapojené do série:

• Napětí se zvyšuje

• Kapacita Ah zůstává přibližně stejná

• Celková energie se zvyšuje, protože se zvyšuje napětí

Příklad: Baterie 2S1P

Předpokládejme, že každá buňka má:

• Jmenovité napětí: 3,7V

• Kapacita: 1000 mAh

Balení 2S1P obsahuje dva články v sérii.

Napětí balení:

3,7 V × 2 = 7,4 V

Kapacita balení:

1000 mAh

Balíček energie:

7,4 V × 1 Ah = 7,4 Wh

Proto je baterie 2S1P přibližně:

7,4 V, 1000 mAh, 7,4 Wh

Tabulka konfigurace řady

Jedná se o nominální hodnoty založené na 3,7V článcích. Napětí při plném nabití je vyšší a musí být zohledněno při výběru nabíječky a ochranného systému.

3. Jak paralelní připojení ovlivňují kapacitu

Když jsou články zapojeny paralelně, jejich kladné svorky jsou spojeny dohromady a jejich záporné svorky jsou spojeny dohromady.

Paralelní připojení zvyšují kapacitu.

Pro spárované buňky připojené paralelně:

• Napětí zůstává přibližně stejné

• Kapacita Ah se zvyšuje

• Aktuální kapacita se může zvýšit

• Celková energie se zvyšuje, protože se zvyšuje kapacita

Příklad: Baterie 1S2P

Předpokládejme, že každá buňka má:

• Jmenovité napětí: 3,7V

• Kapacita: 1000 mAh

Balíček 1S2P obsahuje dvě paralelní články.

Napětí balení:

3,7 V

Kapacita balení:

1000 mAh × 2 = 2000 mAh

Balíček energie:

3,7 V × 2 Ah = 7,4 Wh

Proto je baterie 1S2P přibližně:

3,7 V, 2000 mAh, 7,4 Wh

Tabulka paralelní konfigurace

Výpočty paralelní kapacity předpokládají, že články mají stejný model, kapacitu, stav a elektrické charakteristiky.

4. Jak vypočítat sériově paralelní baterii

Sériově paralelní baterie kombinuje oba způsoby připojení.

Obecné vzorce jsou:

Napětí baterie = napětí článku × S

Kapacita balení = kapacita článku × P

Celkový počet buněk = S × P

Kde:

• S = počet buněk v sérii

• P = počet paralelních buněk

Příklad: Baterie 2S2P

Předpokládejme, že každá buňka má:

• Jmenovité napětí: 3,7V

• Kapacita: 1000 mAh

Pro balíček 2S2P:

Napětí balení:

3,7 V × 2 = 7,4 V

Kapacita balení:

1000 mAh × 2 = 2000 mAh

Celkový počet buněk:

2 × 2 = 4 buňky

Balíček energie:

7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh

Výsledkem je:

7,4 V, 2000 mAh, 14,8 Wh

Příklad: Baterie 3S2P

Použití stejných článků 3,7 V, 1000 mAh:

Napětí balení:

3,7 V × 3 = 11,1 V

Kapacita balení:

1000 mAh × 2 = 2000 mAh

Celkový počet buněk:

3 × 2 = 6 buněk

Balíček energie:

11,1 V × 2 Ah = 22,2 Wh

Výsledkem je:

11,1 V, 2000 mAh, 22,2 Wh

Širší vysvětlení toho, jak tyto konfigurace ovlivňují kompatibilitu zařízení, viz Série vs. paralelní baterie.

5. Jak vypočítat požadovaný paralelní počet

Pokud je známa cílová kapacita a kapacita jednotlivých buněk, lze požadovaný počet paralelních buněk odhadnout pomocí:

Paralelní počet = Cílová kapacita sady ÷ Kapacita článku

Příklad: 7,4 V, 3000 mAh Cíl

Převzít:

• Cílové jmenovité napětí: 7,4V

• Cílová kapacita: 3000 mAh

• Jmenovité napětí článku: 3,7V

• Kapacita článku: 1500 mAh

Krok 1: Určete počet sérií.

7,4 V ÷ 3,7 V = 2S

Krok 2: Určete paralelní počet.

3000 mAh ÷ 1500 mAh = 2P

Předběžná konfigurace je:

2S2P

Celkový počet buněk:

2 × 2 = 4 buňky

Příklad: 11,1 V, 5000 mAh Cíl

Převzít:

• Cílové jmenovité napětí: 11,1V

• Cílová kapacita: 5000 mAh

• Jmenovité napětí článku: 3,7V

• Kapacita článku: 2500 mAh

Počet sérií:

11,1 V ÷ 3,7 V = 3S

Paralelní počet:

5000 mAh ÷ 2500 mAh = 2P

Předběžná konfigurace je:

3S2P

Celkový počet buněk:

3 × 2 = 6 buněk

Tento výpočet poskytuje počáteční konfiguraci. Konečný návrh ještě potřebuje ověřit aktuální poptávku, dostupný prostor, schopnost vybíjení článků, požadavky na ochranu a proveditelnost výroby.

6. Jak vypočítat energii baterie ve Wh

Ampérhodinová kapacita je užitečná pro porovnání baterií se stejným napětím. Watthodiny jsou užitečnější při porovnávání baterií s různými úrovněmi napětí.

Vzorec je:

Energie baterie (Wh) = jmenovité napětí baterie (V) × kapacita baterie (Ah)

Příklad srovnání

Hodnota mAh je v tomto příkladu stejná, ale celková energie se mění s napětím.

To je důvod, proč by týmy OEM neměly porovnávat baterie pouze s mAh. Když se napětí liší, porovnejte také watthodiny.

7. Jmenovitá kapacita vs. využitelná kapacita

Kapacita vytištěná na baterii je normálně jmenovitá nebo jmenovitá kapacita měřená za specifikovaných zkušebních podmínek.

Skutečná využitelná kapacita může být nižší kvůli:

• Vybíjecí proud

• Vypínací napětí

• Teplota

• Stárnutí buněk

• Vnitřní odpor

• Limity ochrany BMS

• Konverze napájení zařízení

• Požadovaná rezerva životnosti

Jednoduchý koncepční vzorec je:

Užitná kapacita ≈ Jmenovitá kapacita × Použitelný faktor snížení

Faktor snížení není univerzální číslo. Musí být stanovena podle datového listu článku, podmínek vybíjení a požadavků aplikace.

Například 2000 mAh balení nemusí dodávat přesně 2000 mAh v každé aplikaci, pokud:

• Zatížení je vysoké;

• Zařízení se zastaví dříve, než článek dosáhne svého minimálního napětí;

• Teplota je nízká;

• Smečka zestárla;

• BMS odpojí zátěž kvůli ochraně.

Balíček by proto měl být specifikován s oběma:

• Jmenovitá kapacita

• Požadovaná využitelná kapacita za definovaných podmínek

8. Proč na přiřazování buněk záleží

Základní vzorec kapacity předpokládá, že všechny buňky jsou shodné.

Buňky použité ve stejném balíčku by měly být kompatibilní z hlediska:

• Kapacita

• Napětí

• Vnitřní odpor

• Buněčný model

• Výrobní dávka

• Stav stárnutí

• Stav nabití

Pokud mají články výrazně odlišné vlastnosti, nejslabší článek může dosáhnout svého napěťového limitu dříve než ostatní. To může snížit použitelnou kapacitu kompletní sady a zvýšit požadavky na vyvážení.

Pro hlubší diskusi o nekonzistenci buněk viz Proč jsou lithium-iontové baterie nekonzistentní a co dělat.

Ve specifikaci OEM je lepší definovat požadovaný model článku a odpovídající požadavky než pouze uvádět cílovou kapacitu baterie.

9. Jak kapacita buňky ovlivňuje velikost balení

Článek s vyšší kapacitou může snížit počet potřebných paralelních článků, ale může být také fyzicky větší nebo mít odlišné vybíjecí charakteristiky.

Inženýři OEM by měli vyhodnotit:

• Rozměry buňky

• Rozložení balení

• Dostupné místo

• Cílová kapacita

• Aktuální poptávka

• Hmotnost

• Tepelné podmínky

• Dostupnost buněk

Například článek 3000 mAh může umožnit menší paralelní počet než článek 1500 mAh. Pokud je však 3000 mAh článek příliš velký nebo nemůže splnit požadovaný proud, nemusí to být nejlepší volba.

Výpočet kapacity by proto měl být kombinován s posouzením mechanické a elektrické proveditelnosti.

10. Příklad výpočtu kapacity pro vlastní OEM balíček

Předpokládejme, že OEM zařízení vyžaduje:

• Jmenovité napětí: přibližně 7,4 V

• Cílová kapacita: 4000 mAh

• Jmenovité napětí článku: 3,7V

• Kapacita článku: 2000 mAh

Krok 1: Vypočítejte počet sérií.

7,4 V ÷ 3,7 V = 2S

Krok 2: Vypočítejte paralelní počet.

4000 mAh ÷ 2000 mAh = 2P

Krok 3: Vypočítejte celkový počet buněk.

2S × 2P = 4 články

Krok 4: Vypočítejte nominální energii.

7,4 V × 4 Ah = 29,6 Wh

Předběžná specifikace balení je:

2S2P, nominální 7,4 V, 4000 mAh, přibližně 29,6 Wh

Před schválením této konfigurace by OEM a výrobce baterie měli ověřit:

• Zda mohou články dodávat požadovaný proud;

• Zda se balení vejde do dostupného prostoru;

• Zda je vyžadován BMS s vyvažováním;

• zda je nabíječka kompatibilní;

• zda konektor a kabeláž podporují zátěž;

• Zda je cílová kapacita měřena za požadovaných zkušebních podmínek.

11. Běžné chyby ve výpočtu kapacity baterie

Chyba 1: Přidání kapacity v sérii

Balíček 2S1P vyrobený ze dvou 1000 mAh článků není 2000 mAh. Je to přibližně 7,4 V a 1000 mAh.

Chyba 2: Ignorování paralelního počtu

Pokud balíček používá více paralelních cest, je třeba kapacitu vynásobit počtem paralelních buněk.

Chyba 3: Porovnání mAh bez porovnání napětí

2000 mAh akumulátor při 3,7 V a 2000 mAh akumulátor při 7,4 V neobsahují stejné množství energie.

Chyba 4: Použití plného napětí pro výpočet energie

Jmenovitá energie se normálně vypočítává pomocí jmenovitého napětí, nikoli maximálního nabíjecího napětí.

Chyba 5: Předpokládá se, že jmenovitá kapacita se rovná použitelné kapacitě

Skutečná využitelná kapacita závisí na proudu, teplotě, vypínacím napětí, stárnutí a nastavení ochrany.

Chyba 6: Míchání různých modelů buněk

Články s různou kapacitou, vnitřním odporem nebo podmínkami stárnutí by neměly být náhodně kombinovány ve stejném balení.

Chyba 7: Ignorování spotřeby energie zařízení

Samotný výpočet kapacity neurčuje dobu běhu. Doba běhu také závisí na výkonu zařízení a účinnosti systému.

Samostatnou metodu výpočtu doby běhu viz Jak vypočítat dobu běhu pro lithiovou baterii.

12. Kontrolní seznam pro výpočet kapacity pro OEM kupující

Než požádáte o cenovou nabídku na baterii, potvrďte:

• Cílové jmenovité napětí

• Minimální a maximální napětí zařízení

• Cílová kapacita v mAh nebo Ah

• Potřebná využitelná energie ve Wh

• Jmenovité napětí článku

• Jmenovitá kapacita článku

• Požadovaný počet sérií

• Požadovaný paralelní počet

• Celkový počet buněk

• Trvalý proud

• Špičkový proud

• Provozní teplota

• Dostupné místo na baterii

• Způsob nabíjení

• BMS nebo požadavky na ochranu

• Podmínky testování kapacity

• Očekávaná doba běhu

• Prototyp a výrobní množství

Hodnota kapacity by měla být vždy spojena s definovanou zkušební podmínkou. Nabídka uvádějící pouze 'baterie 4000 mAh' je neúplná, pokud dodavatel rovněž neidentifikuje napětí, model článku, konfiguraci a podmínky měření.

FAQ

Jak vypočítám kapacitu lithium-iontové baterie?

Vynásobte kapacitu jedné buňky počtem paralelně zapojených článků. Například čtyři 1000 mAh články v konfiguraci 2S2P poskytují kapacitu přibližně 2000 mAh.

Zvyšuje sériové připojení kapacitu baterie?

Ne. Sériové připojení zvyšuje napětí. Ampérhodinová kapacita normálně zůstává přibližně stejná jako kapacita jedné paralelní skupiny.

Zvyšuje paralelní připojení kapacitu baterie?

Ano. Paralelní připojení zvyšuje ampérhodinovou kapacitu podle počtu paralelních článků.

Jaká je kapacita baterie 2S2P?

Pokud je každý článek dimenzován na 3,7 V a 1 000 mAh, pak 2S2P má přibližně 7,4 V a 2 000 mAh, celkem čtyři články.

Jak vypočítám watthodiny baterie?

Vynásobte jmenovité napětí baterie kapacitou v ampérhodinách. Balení 7,4 V, 2 Ah obsahuje přibližně 14,8 Wh nominální energie.

Je baterie 3,7 V, 2000 mAh stejná jako baterie 7,4 V, 2000 mAh?

Ne. Sada 7,4 V, 2000 mAh obsahuje přibližně dvojnásobek nominální energie oproti baterii 3,7 V, 2000 mAh.

Proč je skutečná kapacita baterie nižší než jmenovitá hodnota?

Výsledek může být ovlivněn vybíjecím proudem, teplotou, vypínacím napětím, stárnutím článku, vnitřním odporem, nastavením BMS a podmínkami měření.

Kolik článků potřebuji pro vlastní baterii?

Celkový počet buněk je:

Celkový počet buněk = počet sérií × paralelní počet

Konečný počet musí také splňovat požadavky na napětí, kapacitu, proud, velikost, hmotnost a ochranu.

Závěr

Výpočet kapacity lithium-iontové baterie začíná pochopením rozdílu mezi sériovým a paralelním připojením.

Základní vzorce jsou:

Napětí sady = napětí článku × sériový počet

Kapacita balení = kapacita článku × paralelní počet

Celkový počet buněk = počet sérií × paralelní počet

Energie baterie = napětí baterie × kapacita baterie v Ah

Například při použití 3,7 V, 1000 mAh článků:

• 1S1P = 3,7 V, 1000 mAh

• 2S1P = 7,4 V, 1000 mAh

• 1S2P = 3,7 V, 2000 mAh

• 2S2P = 7,4 V, 2000 mAh

Tyto výpočty poskytují výchozí bod pro návrh baterie. Konečná baterie musí být stále kontrolována z hlediska aktuální poptávky, přizpůsobení článků, použitelné kapacity, požadavků na BMS, mechanického uložení, kompatibility nabíjení a proveditelnosti výroby.

Pokud vyvíjíte vlastní lithium-iontovou baterii, sdělte technickému týmu ZERNE cílové napětí, kapacitu, aktuální poptávku, dostupný prostor, požadavky na dobu provozu a očekávané množství. ZERNE poskytuje vlastní řešení lithiových baterií pro projekty OEM a ODM a může pomoci převést cílovou počáteční kapacitu na praktickou konfiguraci baterie.