Litiumioniakun kapasiteetin laskeminen

Litiumioniakun kapasiteetin laskeminen vaatii muutakin kuin kuhunkin kennoon painetun kapasiteetin lisäämisen.

Lopullinen kapasiteetti riippuu siitä, kuinka kennot on kytketty:

• Sarjakytkennät lisäävät jännitettä.

• Rinnakkaisliitännät lisäävät ampeerituntikapasiteettia.

• Sarjan rinnakkaiskokoonpanot lisäävät sekä jännitettä että kapasiteettia.

Esimerkiksi neljä 3,7 V, 1000 mAh kennoa voidaan järjestää eri tavoin:

• 4S1P: noin 14,8 V, 1000 mAh

• 2S2P: noin 7,4 V, 2000 mAh

• 1S4P: noin 3,7 V, 4000 mAh

Sama määrä kennoja voi siis tuottaa hyvin erilaisia ​​akkupakkausten määrityksiä.

Tässä oppaassa kerrotaan, kuinka litiumioniakun kapasiteetti lasketaan milliampeeritunnissa, Ah:ssa ja Wh. Se myös selventää eroa nimelliskapasiteetin ja käyttökapasiteetin välillä, jotta OEM-insinöörit voivat laatia tarkemman akun teknisen tiedot.

Katso laajempi suhde jännitteen, kapasiteetin, BMS:n ja käyttöajan välillä Litium-Ion-akun rakenne: jännite, kapasiteetti, BMS ja käyttöaika.

Pikavastaus: Kuinka lasket akun kapasiteetin?

Vastaavat solut, joilla on sama kapasiteetti:

Pakkauksen kapasiteetti Ah

Pakkauksen kapasiteetti (Ah) = Yhden solun kapasiteetti (Ah) × Rinnakkaisten solujen lukumäärä

Pakkauksen kapasiteetti mAh

Pakkauksen kapasiteetti (mAh) = yhden solun kapasiteetti (mAh) × rinnakkaisten soluryhmien lukumäärä

Pakkausjännite

Pakkausjännite (V) = Kennojen nimellisjännite (V) × Sarjassa olevien kennojen lukumäärä

Pakkaa energiaa

Pakkauksen energia (Wh) = Pakkauksen jännite (V) × Pakkauksen kapasiteetti (Ah)

Sarjaan kytkettyjen solujen lukumäärää edustaa S . Rinnakkain kytkettyjen solujen lukumäärää edustaa P.

Esimerkiksi:

• 2S1P tarkoittaa kahta solua sarjassa ja yhtä rinnakkaista polkua.

• 1S2P tarkoittaa yhtä soluryhmää sarjassa ja kahta solua rinnakkain.

• 3S2P tarkoittaa kolmea sarjaryhmää, joissa kussakin ryhmässä on kaksi rinnakkaista solua.

1. Ymmärrä kapasiteetti, jännite ja energia

Ennen akun laskemista on tärkeää erottaa kolme perusarvoa.

Kapasiteetti

Kapasiteetti kuvaa kuinka paljon sähkövarausta akku voi säilyttää. Se ilmaistaan ​​yleensä seuraavasti:

• Milliamp-tuntia tai mAh

• Amp-tunnit tai Ah

Muunnos on:

1 Ah = 1000 mAh

3000 mAh kenno vastaa 3 Ah kennoa.

Jännite

Jännite kuvaa akun sähköpotentiaalia. Se ilmaistaan ​​yleensä voltteina.

Monissa tavallisissa litiumioni- ja litiumpolymeerikennoissa nimellisjännite on noin 3,6 V tai 3,7 V. Tarkka arvo riippuu kennon kemiasta ja valmistajan spesifikaatioista.

Energiaa

Energia yhdistää jännitteen ja kapasiteetin. Se ilmaistaan ​​wattitunteina.

Energia (Wh) = jännite (V) × kapasiteetti (Ah)

Korkeampi mAh-arvo ei aina tarkoita suurempaa kokonaisenergiaa, jos akun jännite on erilainen.

Esimerkiksi:

• 3,7 V × 2 Ah = 7,4 Wh

• 7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh

Molemmilla pakkauksilla on sama ampeerituntikapasiteetti, mutta eri energia, koska niiden jännitteet ovat erilaiset.

2. Kuinka sarjayhteydet vaikuttavat kapasiteettiin

Kun solut kytketään sarjaan, yhden solun positiivinen napa kytkeytyy seuraavan solun negatiiviseen napaan.

Sarjakytkennät lisäävät jännitettä.

Sarjaan kytketyt sovitetut solut:

• Jännite kasvaa

• Ah kapasiteetti pysyy suunnilleen samana

• Kokonaisenergia kasvaa jännitteen kasvaessa

Esimerkki: 2S1P-akku

Oletetaan, että jokaisessa solussa on:

• Nimellisjännite: 3,7 V

• Kapasiteetti: 1000 mAh

2S1P-paketti sisältää kaksi solua sarjassa.

Pakkauksen jännite:

3,7 V × 2 = 7,4 V

Pakkauksen kapasiteetti:

1000 mAh

Pakkaa energiaa:

7,4 V × 1 Ah = 7,4 Wh

Siksi 2S1P-akkupaketti on noin:

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

Sarjan määritystaulukko

Nämä ovat nimellisarvoja, jotka perustuvat 3,7 V kennoihin. Täyslatausjännite on korkeampi ja se on otettava huomioon laturia ja suojausjärjestelmää valittaessa.

3. Miten rinnakkaisliitännät vaikuttavat kapasiteettiin

Kun kennot kytketään rinnan, niiden positiiviset navat kytketään yhteen ja niiden negatiiviset navat on kytketty yhteen.

Rinnakkaisliitännät lisäävät kapasiteettia.

Sovitetut solut, jotka on kytketty rinnakkain:

• Jännite pysyy suunnilleen samana

• Ah kapasiteetti kasvaa

• Nykyinen kapasiteetti saattaa kasvaa

• Kokonaisenergia kasvaa, koska kapasiteetti kasvaa

Esimerkki: 1S2P-akku

Oletetaan, että jokaisessa solussa on:

• Nimellisjännite: 3,7 V

• Kapasiteetti: 1000 mAh

1S2P-paketti sisältää kaksi solua rinnakkain.

Pakkauksen jännite:

3,7 V

Pakkauksen kapasiteetti:

1000 mAh × 2 = 2000 mAh

Pakkaa energiaa:

3,7 V × 2 Ah = 7,4 Wh

Siksi 1S2P-akkupaketti on noin:

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

Rinnakkaismääritystaulukko

Rinnakkaiskapasiteettilaskelmissa oletetaan, että kennoilla on sama malli, kapasiteetti, kunto ja sähköiset ominaisuudet.

4. Sarjan rinnakkaisakun laskeminen

Sarja-rinnakkaisakku yhdistää molemmat liitäntätavat.

Yleiset kaavat ovat:

Paketin jännite = kennojännite × S

Pakkauksen kapasiteetti = kennokapasiteetti × P

Solujen kokonaismäärä = S × P

Jossa:

• S = sarjassa olevien solujen lukumäärä

• P = rinnakkaisten solujen lukumäärä

Esimerkki: 2S2P-akku

Oletetaan, että jokaisessa solussa on:

• Nimellisjännite: 3,7 V

• Kapasiteetti: 1000 mAh

2S2P-paketti:

Pakkauksen jännite:

3,7 V × 2 = 7,4 V

Pakkauksen kapasiteetti:

1000 mAh × 2 = 2000 mAh

Solujen kokonaismäärä:

2 × 2 = 4 solua

Pakkaa energiaa:

7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh

Tulos on:

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

Esimerkki: 3S2P-akku

Käyttämällä samoja 3,7 V, 1000 mAh kennoja:

Pakkauksen jännite:

3,7 V × 3 = 11,1 V

Pakkauksen kapasiteetti:

1000 mAh × 2 = 2000 mAh

Solujen kokonaismäärä:

3 × 2 = 6 solua

Pakkaa energiaa:

11,1 V × 2 Ah = 22,2 Wh

Tulos on:

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

Katso laajempi selitys siitä, kuinka nämä kokoonpanot vaikuttavat laitteiden yhteensopivuuteen Sarja vs. rinnakkaisakut.

5. Vaaditun rinnakkaisluvun laskeminen

Jos tavoitekapasiteetti ja yksittäisen solun kapasiteetti ovat tiedossa, tarvittava rinnakkaisten solujen määrä voidaan arvioida seuraavasti:

Rinnakkaisluku = Tavoitepakkauskapasiteetti ÷ Solun kapasiteetti

Esimerkki: 7,4 V, 3000 mAh Target

Olettaa:

• Tavoitenimellisjännite: 7,4 V

• Tavoitekapasiteetti: 3000 mAh

• Kennon nimellisjännite: 3,7 V

• Kennon kapasiteetti: 1500 mAh

Vaihe 1: Määritä sarjamäärä.

7,4 V ÷ 3,7 V = 2S

Vaihe 2: Määritä rinnakkaisluku.

3000 mAh ÷ 1500 mAh = 2P

Alustava kokoonpano on:

2S2P

Solujen kokonaismäärä:

2 × 2 = 4 solua

Esimerkki: 11,1 V, 5000 mAh Tavoite

Olettaa:

• Tavoitenimellisjännite: 11,1 V

• Tavoitekapasiteetti: 5000 mAh

• Kennon nimellisjännite: 3,7 V

• Kennon kapasiteetti: 2500 mAh

Sarjojen määrä:

11,1 V ÷ 3,7 V = 3S

Rinnakkaisluku:

5000 mAh ÷ 2500 mAh = 2P

Alustava kokoonpano on:

3S2P

Solujen kokonaismäärä:

3 × 2 = 6 solua

Tämä laskelma antaa alkukokoonpanon. Lopullisen suunnittelun on vielä tarkistettava nykyinen kysyntä, käytettävissä oleva tila, kennon purkautumiskyky, suojausvaatimukset ja tuotannon toteutettavuus.

6. Akun energian laskeminen Wh

Amp-tuntikapasiteetti on hyödyllinen vertailtaessa akkuja, joilla on sama jännite. Wattitunnit ovat hyödyllisempiä, kun verrataan eri jännitetasoisia paketteja.

Kaava on:

Pakkauksen energia (Wh) = Pakkauksen nimellisjännite (V) × Pakkauksen kapasiteetti (Ah)

Esimerkki vertailusta

mAh-arvo on sama tässä esimerkissä, mutta kokonaisenergia muuttuu jännitteen mukaan.

Tästä syystä OEM-tiimien ei pitäisi vertailla akkuja, jotka käyttävät yksin mAh:ta. Kun jännite vaihtelee, vertaa myös wattitunteja.

7. Nimelliskapasiteetti vs. käytettävissä oleva kapasiteetti

Akulle painettu kapasiteetti on tavallisesti nimellis- tai nimelliskapasiteetti, joka mitataan tietyissä testiolosuhteissa.

Todellinen käyttökapasiteetti voi olla pienempi seuraavista syistä:

• Purkausvirta

• Katkaisujännite

• Lämpötila

• Solujen ikääntyminen

• Sisäinen vastus

• BMS-suojausrajat

• Laitteen tehon muunnos

• Vaadittu käyttöikäreservi

Yksinkertainen käsitteellinen kaava on:

Käyttökapasiteetti ≈ Nimelliskapasiteetti × Sovellettava vähennyskerroin

Vähennystekijä ei ole universaali luku. Se on määritettävä solun tietolomakkeen, purkausolosuhteiden ja sovellusvaatimusten mukaisesti.

Esimerkiksi 2000 mAh:n pakkaus ei välttämättä toimita täsmälleen 2000 mAh:ta jokaisessa sovelluksessa, jos:

• Kuorma on suuri;

• Laite pysähtyy ennen kuin kenno saavuttaa minimijännitteen;

• Lämpötila on alhainen;

• Pakka on vanhentunut;

• BMS katkaisee kuorman suojaksi.

Pakkaus on siksi määritettävä molemmilla:

• Nimelliskapasiteetti

• Vaadittu käyttökapasiteetti määritellyissä olosuhteissa

8. Miksi solujen vastaavuudella on väliä?

Peruskapasiteettikaavassa oletetaan, että kaikki solut täsmäävät.

Samassa pakkauksessa käytettyjen solujen tulee olla yhteensopivia seuraavien ehtojen suhteen:

• Kapasiteetti

• Jännite

• Sisäinen vastus

• Solun malli

• Tuotantoerä

• Ikääntyvä tila

• Lataustila

Jos kennoissa on merkittävästi erilaiset ominaisuudet, heikoin kenno voi saavuttaa jänniterajansa aikaisemmin kuin muut. Tämä voi vähentää koko paketin käyttökapasiteettia ja lisätä tasapainotusvaatimuksia.

Jos haluat syvemmän keskustelun solujen epäjohdonmukaisuudesta, katso Miksi litiumioniakut muuttuvat epäjohdonmukaisiksi ja mitä tehdä?.

OEM-spesifikaatioissa on parempi määritellä vaadittu kennomalli ja vastaavuusvaatimukset sen sijaan, että ilmoittaisi vain tavoiteakun kapasiteetti.

9. Miten solun kapasiteetti vaikuttaa pakkauksen kokoon

Suuremman kapasiteetin kenno voi vähentää tarvittavien rinnakkaisten kennojen määrää, mutta se voi olla myös fyysisesti suurempi tai sillä voi olla erilaiset purkausominaisuudet.

OEM-insinöörien tulee arvioida:

• Solun mitat

• Pakkauksen asettelu

• Vapaata tilaa

• Tavoitekapasiteetti

• Nykyinen kysyntä

• Paino

• Lämpöolosuhteet

• Solun saatavuus

Esimerkiksi 3000 mAh:n kenno voi sallia pienemmän rinnakkaismäärän kuin 1500 mAh:n kenno. Jos 3000 mAh:n kenno on kuitenkin liian suuri tai se ei täytä vaadittua virtaa, se ei välttämättä ole paras valinta.

Kapasiteettilaskelma tulisi siksi yhdistää mekaaniseen ja sähköiseen toteutettavuusarviointiin.

10. Esimerkki mukautetun OEM-paketin kapasiteetin laskemisesta

Oletetaan, että OEM-laite vaatii:

• Nimellisjännite: noin 7,4 V

• Tavoitekapasiteetti: 4000 mAh

• Kennon nimellisjännite: 3,7 V

• Kennon kapasiteetti: 2000 mAh

Vaihe 1: Laske sarjan määrä.

7,4 V ÷ 3,7 V = 2S

Vaihe 2: Laske rinnakkaisluku.

4000 mAh ÷ 2000 mAh = 2P

Vaihe 3: Laske solujen kokonaismäärä.

2S × 2P = 4 solua

Vaihe 4: Laske nimellisenergia.

7,4 V × 4 Ah = 29,6 Wh

Pakkauksen alustava spesifikaatio on:

2S2P, 7,4 V nimellisjännite, 4000 mAh, noin 29,6 Wh

Ennen kuin tämä kokoonpano hyväksytään, OEM:n ja akun valmistajan tulee varmistaa:

• Voivatko kennot syöttää tarvittavan virran;

• Sopiiko pakkaus käytettävissä olevaan tilaan;

• Tarvitaanko BMS ja tasapainotus;

• Onko laturi yhteensopiva;

• Tukevatko liitin ja johdotus kuormaa;

• Mitataanko tavoitekapasiteetti vaadituissa testiolosuhteissa.

11. Yleisiä akun kapasiteetin laskentavirheitä

Virhe 1: Kapasiteetin lisääminen sarjaan

2S1P-paketti, joka on valmistettu kahdesta 1000 mAh:n kennosta, ei ole 2000 mAh:n pakkaus. Se on noin 7,4 V ja 1000 mAh.

Virhe 2: Rinnakkaislaskennan huomioimatta jättäminen

Jos paketti käyttää useita rinnakkaisia ​​polkuja, kapasiteetti on kerrottava rinnakkaisten solujen lukumäärällä.

Virhe 3: mAh:n vertailu vertaamatta jännitettä

2000 mAh:n akku 3,7 V:lla ja 2000 mAh:n pakkaus 7,4 V:lla eivät sisällä yhtä paljon energiaa.

Virhe 4: Täyden latausjännitteen käyttäminen energian laskennassa

Nimellisenergia lasketaan yleensä nimellisjännitteellä, ei enimmäislatausjännitteellä.

Virhe 5: Oletetaan, että nimelliskapasiteetti on yhtä suuri kuin käytettävissä oleva kapasiteetti

Todellinen käyttökapasiteetti riippuu virrasta, lämpötilasta, katkaisujännitteestä, ikääntymisestä ja suojausasetuksista.

Virhe 6: Eri solumallien sekoittaminen

Soluja, joilla on eri kapasiteetti, sisäinen vastus tai ikääntymisolosuhteet, ei tule yhdistää satunnaisesti samaan pakkaukseen.

Virhe 7: Laitteen virrantarpeen huomiotta jättäminen

Pelkästään kapasiteetin laskeminen ei määritä käyttöaikaa. Käyttöaika riippuu myös laitteen tehosta ja järjestelmän tehokkuudesta.

Katso erillinen suoritusajan laskentamenetelmä Litium-akun käyttöajan laskeminen.

12. Kapasiteetin laskennan tarkistuslista OEM-ostajille

Ennen kuin pyydät akkupaketin tarjouksen, vahvista:

• Tavoitenimellisjännite

• Laitteen minimi- ja maksimijännite

• Tavoitekapasiteetti mAh tai Ah

• Vaadittu käyttöenergia Wh

• Kennon nimellisjännite

• Solun nimelliskapasiteetti

• Vaadittu sarjamäärä

• Vaadittu rinnakkaislaskenta

• Solujen kokonaismäärä

• Jatkuva virta

• Huippuvirta

• Käyttölämpötila

• Käytettävissä oleva akkutila

• Latausmenetelmä

• BMS tai suojausvaatimukset

• Kapasiteettitestin olosuhteet

• Odotettu suoritusaika

• Prototyyppi ja tuotantomäärä

Kapasiteettiluku tulee aina liittää määriteltyyn testiehtoon. Tarjous, jossa lukee vain '4000 mAh akku' on epätäydellinen, ellei toimittaja ilmoita myös jännitettä, kennomallia, kokoonpanoa ja mittausolosuhteita.

FAQ

Kuinka lasken litiumioniakun kapasiteetin?

Kerro yhden solun kapasiteetti rinnakkain kytkettyjen solujen lukumäärällä. Esimerkiksi neljä 1000 mAh kennoa 2S2P-kokoonpanossa tarjoavat noin 2000 mAh kapasiteetin.

Lisääkö sarjaliitäntä akun kapasiteettia?

Ei. Sarjaliitäntä lisää jännitettä. Amp-tuntikapasiteetti pysyy normaalisti suunnilleen yhtä suurena kuin yhden rinnakkaisryhmän kapasiteetti.

Lisääkö rinnakkaisliitäntä akun kapasiteettia?

Kyllä. Rinnakkaisliitäntä lisää ampeerituntikapasiteettia rinnakkaisten kennojen lukumäärän mukaan.

Mikä on 2S2P-akun kapasiteetti?

Jos kunkin kennon nimellisjännite on 3,7 V ja 1 000 mAh, 2S2P-pakkaus on noin 7,4 V ja 2 000 mAh, yhteensä neljä kennoa.

Kuinka lasken akun wattitunnit?

Kerro nimellispakkausjännite kapasiteetilla ampeeritunteina. 7,4 V, 2 Ah paketti sisältää noin 14,8 Wh nimellisenergiaa.

Onko 3,7 V:n 2000 mAh akku sama kuin 7,4 V:n 2000 mAh akku?

Ei. 7,4 V:n 2 000 mAh:n pakkaus sisältää noin kaksi kertaa nimellisenergian 3,7 V:n 2 000 mAh:n pakettiin verrattuna.

Miksi akun todellinen kapasiteetti on pienempi kuin nimellisarvo?

Tulokseen voivat vaikuttaa purkausvirta, lämpötila, katkaisujännite, kennon ikääntyminen, sisäinen vastus, BMS-asetukset ja mittausolosuhteet.

Kuinka monta kennoa tarvitsen mukautettua akkua varten?

Solujen kokonaismäärä on:

Solujen kokonaismäärä = Sarjojen määrä × Rinnakkaismäärä

Lopullisen määrän on myös täytettävä jännitteen, kapasiteetin, virran, koon, painon ja suojausvaatimukset.

Johtopäätös

Litiumioniakun kapasiteetin laskeminen alkaa sarja- ja rinnakkaisliitäntöjen välisen eron ymmärtämisestä.

Ydinkaavat ovat:

Paketin jännite = kennojännite × sarjaluku

Pakkauksen kapasiteetti = Solun kapasiteetti × Rinnakkaismäärä

Solujen kokonaismäärä = Sarjojen määrä × Rinnakkaismäärä

Pakkauksen energia = Pakkauksen jännite × Pakkauksen kapasiteetti Ah

Esimerkiksi käyttämällä 3,7 V, 1000 mAh kennoja:

• 1S1P = 3,7 V, 1000 mAh

• 2S1P = 7,4 V, 1000 mAh

• 1S2P = 3,7 V, 2000 mAh

• 2S2P = 7,4 V, 2000 mAh

Nämä laskelmat tarjoavat lähtökohdan akkupaketin suunnittelulle. Lopullisen akun nykyinen kysyntä, kennojen yhteensopivuus, käyttökapasiteetti, BMS-vaatimukset, mekaaninen sovitus, latausyhteensopivuus ja tuotannon kannattavuus on vielä tarkistettava.

Jos kehität mukautettua litiumioniakkua, jaa tavoitejännite, kapasiteetti, virrantarve, käytettävissä oleva tila, käyttöaikatarve ja odotettu määrä ZERNE-tekniikan tiimille. ZERNE tarjoaa mukautettuja litiumakkuratkaisuja OEM- ja ODM-projekteihin ja voi auttaa muuttamaan alkuperäisen kapasiteettitavoitteen käytännölliseksi akkukokoonpanoksi.