Jak obliczyć pojemność akumulatora litowo-jonowego

Obliczenie pojemności akumulatora litowo-jonowego wymaga czegoś więcej niż tylko dodania pojemności wydrukowanej na każdym ogniwie.

Ostateczna pojemność zależy od sposobu połączenia ogniw:

• Połączenia szeregowe zwiększają napięcie.

• Połączenia równoległe zwiększają wydajność amperogodzinną.

• Konfiguracje szeregowo-równoległe zwiększają zarówno napięcie, jak i pojemność.

Przykładowo cztery ogniwa 3,7 V, 1000 mAh można rozmieścić na różne sposoby:

• 4S1P: około 14,8 V, 1000 mAh

• 2S2P: około 7,4 V, 2000 mAh

• 1S4P: około 3,7 V, 4000 mAh

Ta sama liczba ogniw może zatem skutkować bardzo różnymi specyfikacjami zestawu akumulatorów.

W tym przewodniku wyjaśniono, jak obliczyć pojemność akumulatora litowo-jonowego w mAh, Ah i Wh. Wyjaśnia także różnicę między pojemnością znamionową a pojemnością użytkową, dzięki czemu inżynierowie OEM mogą przygotować dokładniejszą specyfikację akumulatora.

Szerszy związek między napięciem, pojemnością, BMS i czasem pracy można znaleźć w artykule Konstrukcja akumulatora litowo-jonowego: napięcie, pojemność, BMS i czas pracy.

Szybka odpowiedź: Jak obliczyć pojemność akumulatora?

W przypadku dopasowanych ogniw o tej samej pojemności:

Pojemność opakowania w Ah

Pojemność opakowania (Ah) = Pojemność jednego ogniwa (Ah) × Liczba ogniw połączonych równolegle

Pojemność opakowania w mAh

Pojemność opakowania (mAh) = Pojemność jednego ogniwa (mAh) × Liczba równoległych grup ogniw

Napięcie pakietu

Napięcie pakietu (V) = Nominalne napięcie ogniwa (V) × Liczba ogniw połączonych szeregowo

Pakuj Energię

Energia pakietu (Wh) = Napięcie pakietu (V) × Pojemność pakietu (Ah)

Liczba ogniw połączonych szeregowo jest reprezentowana S. przez Liczba komórek połączonych równolegle jest reprezentowana przez P.

Na przykład:

• 2S1P oznacza dwie komórki połączone szeregowo i jedną równoległą ścieżkę.

• 1S2P oznacza jedną grupę komórek szeregowo i dwie komórki równolegle.

• 3S2P oznacza trzy grupy szeregowe z dwoma równoległymi komórkami w każdej grupie.

1. Zrozumienie pojemności, napięcia i energii

Przed obliczeniem pakietu akumulatorów ważne jest rozróżnienie trzech podstawowych wartości.

Pojemność

Pojemność opisuje, ile ładunku elektrycznego może zgromadzić bateria. Powszechnie wyraża się to w:

• Miliamperogodziny lub mAh

• Amperogodziny lub Ah

Konwersja to:

1 Ah = 1000 mAh

Ogniwo 3000 mAh odpowiada ogniwu 3 Ah.

Woltaż

Napięcie opisuje potencjał elektryczny akumulatora. Powszechnie wyraża się go w woltach.

W przypadku wielu standardowych ogniw litowo-jonowych i litowo-polimerowych napięcie nominalne wynosi około 3,6 V lub 3,7 V. Dokładna wartość zależy od składu chemicznego ogniwa i specyfikacji producenta.

Energia

Energia łączy w sobie napięcie i pojemność. Wyraża się ją w watogodzinach.

Energia (Wh) = Napięcie (V) × Pojemność (Ah)

Wyższa wartość mAh nie zawsze oznacza wyższą całkowitą energię, jeśli napięcie akumulatora jest inne.

Na przykład:

• 3,7 V × 2 Ah = 7,4 Wh

• 7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh

Obydwa pakiety mają tę samą pojemność amperogodzinną, ale różną energię, ponieważ ich napięcia są różne.

2. Jak połączenia szeregowe wpływają na pojemność

Kiedy ogniwa są połączone szeregowo, dodatni zacisk jednego ogniwa łączy się z ujemnym zaciskiem następnego ogniwa.

Połączenia szeregowe zwiększają napięcie.

W przypadku dopasowanych ogniw połączonych szeregowo:

• Napięcie wzrasta

• Pojemność Ah pozostaje w przybliżeniu taka sama

• Całkowita energia wzrasta, ponieważ wzrasta napięcie

Przykład: Zestaw akumulatorów 2S1P

Załóżmy, że każda komórka ma:

• Napięcie nominalne: 3,7 V

• Pojemność: 1000 mAh

Pakiet 2S1P zawiera dwa ogniwa połączone szeregowo.

Napięcie pakietu:

3,7 V × 2 = 7,4 V

Pojemność opakowania:

1000 mAh

Pakiet energii:

7,4 V × 1 Ah = 7,4 Wh

Dlatego pakiet akumulatorów 2S1P wynosi w przybliżeniu:

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

Tabela konfiguracji serii

Są to wartości nominalne oparte na ogniwach 3,7 V. Napięcie pełnego ładowania jest wyższe i należy je wziąć pod uwagę przy wyborze ładowarki i systemu zabezpieczającego.

3. Jak połączenia równoległe wpływają na pojemność

Kiedy ogniwa są połączone równolegle, ich dodatnie zaciski są ze sobą połączone, a ich ujemne zaciski są ze sobą połączone.

Połączenia równoległe zwiększają pojemność.

W przypadku dopasowanych ogniw połączonych równolegle:

• Napięcie pozostaje w przybliżeniu takie samo

• Ah pojemność wzrasta

• Obecna wydajność może wzrosnąć

• Energia całkowita wzrasta, ponieważ zwiększa się pojemność

Przykład: Zestaw akumulatorów 1S2P

Załóżmy, że każda komórka ma:

• Napięcie nominalne: 3,7 V

• Pojemność: 1000 mAh

Pakiet 1S2P zawiera dwie komórki równolegle.

Napięcie pakietu:

3,7 V

Pojemność opakowania:

1000 mAh × 2 = 2000 mAh

Pakiet energii:

3,7 V × 2 Ah = 7,4 Wh

Dlatego zestaw akumulatorów 1S2P wynosi w przybliżeniu:

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

Tabela konfiguracji równoległej

Równoległe obliczenia pojemności zakładają, że ogniwa mają ten sam model, pojemność, stan i charakterystykę elektryczną.

4. Jak obliczyć akumulator szeregowo-równoległy

Zestaw akumulatorów szeregowo-równoległych łączy obie metody połączenia.

Ogólne formuły to:

Napięcie pakietu = napięcie ogniwa × S

Pojemność opakowania = Pojemność ogniwa × P

Całkowita liczba komórek = S × P

Gdzie:

• S = liczba ogniw w szeregu

• P = liczba komórek równolegle

Przykład: Zestaw akumulatorów 2S2P

Załóżmy, że każda komórka ma:

• Napięcie nominalne: 3,7 V

• Pojemność: 1000 mAh

W przypadku pakietu 2S2P:

Napięcie pakietu:

3,7 V × 2 = 7,4 V

Pojemność opakowania:

1000 mAh × 2 = 2000 mAh

Całkowita liczba komórek:

2 × 2 = 4 komórki

Pakiet energii:

7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh

Rezultatem jest:

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

Przykład: Zestaw akumulatorów 3S2P

Używając tych samych ogniw 3,7 V, 1000 mAh:

Napięcie pakietu:

3,7 V × 3 = 11,1 V

Pojemność opakowania:

1000 mAh × 2 = 2000 mAh

Całkowita liczba komórek:

3 × 2 = 6 komórek

Pakiet energii:

11,1 V × 2 Ah = 22,2 Wh

Rezultatem jest:

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

Aby uzyskać szersze wyjaśnienie wpływu tych konfiguracji na zgodność urządzeń, zobacz Zestawy akumulatorów szeregowych i równoległych.

5. Jak obliczyć wymaganą liczbę równoległą

Jeśli znana jest pojemność docelowa i pojemność poszczególnych ogniw, wymaganą liczbę równoległych ogniw można oszacować za pomocą:

Liczba równoległa = Docelowa pojemność pakietu ÷ Pojemność ogniwa

Przykład: cel 7,4 V, 3000 mAh

Przypuszczać:

• Docelowe napięcie nominalne: 7,4 V

• Pojemność docelowa: 3000 mAh

• Napięcie nominalne ogniwa: 3,7 V

• Pojemność ogniwa: 1500 mAh

Krok 1: Określ liczbę serii.

7,4 V ÷ 3,7 V = 2S

Krok 2: Określ liczbę równoległą.

3000 mAh ÷ 1500 mAh = 2P

Wstępna konfiguracja to:

2S2P

Całkowita liczba komórek:

2 × 2 = 4 komórki

Przykład: 11,1 V, cel 5000 mAh

Przypuszczać:

• Docelowe napięcie nominalne: 11,1 V

• Pojemność docelowa: 5000 mAh

• Napięcie nominalne ogniwa: 3,7 V

• Pojemność ogniwa: 2500 mAh

Liczba serii:

11,1 V ÷ 3,7 V = 3S

Liczba równoległa:

5000 mAh ÷ 2500 mAh = 2P

Wstępna konfiguracja to:

3S2P

Całkowita liczba komórek:

3 × 2 = 6 komórek

Obliczenia te zapewniają wstępną konfigurację. Ostateczny projekt nadal musi zweryfikować bieżące zapotrzebowanie, dostępną przestrzeń, zdolność rozładowania ogniwa, wymagania dotyczące ochrony i wykonalność produkcji.

6. Jak obliczyć energię akumulatora w Wh

Pojemność amperogodzinna jest przydatna do porównywania akumulatorów o tym samym napięciu. Watogodziny są bardziej przydatne przy porównywaniu pakietów o różnych poziomach napięcia.

Formuła to:

Energia pakietu (Wh) = Nominalne napięcie pakietu (V) × Pojemność pakietu (Ah)

Przykładowe porównanie

Wartość mAh jest taka sama w tym przykładzie, ale całkowita energia zmienia się wraz z napięciem.

Dlatego zespoły OEM nie powinny porównywać akumulatorów wykorzystujących wyłącznie mAh. Jeżeli napięcie jest różne, porównaj także watogodziny.

7. Pojemność znamionowa a pojemność użytkowa

Pojemność wydrukowana na akumulatorze jest zwykle pojemnością znamionową lub nominalną zmierzoną w określonych warunkach testowych.

Rzeczywista pojemność użytkowa może być niższa ze względu na:

• Prąd rozładowania

• Napięcie odcięcia

• Temperatura

• Starzenie się komórek

• Opór wewnętrzny

• Limity ochrony BMS

• Konwersja mocy urządzenia

• Wymagana rezerwa żywotności

Prosta formuła koncepcyjna to:

Pojemność użytkowa ≈ Pojemność znamionowa × Stosowany współczynnik obniżania wartości znamionowych

Współczynnik obniżenia wartości znamionowych nie jest liczbą uniwersalną. Należy go ustalić zgodnie z arkuszem danych ogniwa, warunkami rozładowania i wymaganiami aplikacji.

Na przykład pakiet 2000 mAh może nie dostarczyć dokładnie 2000 mAh w każdym zastosowaniu, jeśli:

• Obciążenie jest wysokie;

• Urządzenie zatrzymuje się, zanim ogniwo osiągnie minimalne napięcie;

• Temperatura jest niska;

• Pakiet się zestarzał;

• BMS odłącza obciążenie w celu ochrony.

Dlatego pakiet powinien zawierać zarówno:

• Pojemność znamionowa

• Wymagana pojemność użytkowa w określonych warunkach

8. Dlaczego dopasowanie komórek ma znaczenie

Podstawowy wzór na pojemność zakłada, że ​​wszystkie komórki są dopasowane.

Ogniwa użyte w tym samym opakowaniu powinny być kompatybilne pod względem:

• Pojemność

• Woltaż

• Opór wewnętrzny

• Model komórki

• Partia produkcyjna

• Stan starzenia

• Stan naładowania

Jeśli ogniwa mają znacząco różne właściwości, najsłabsze ogniwo może osiągnąć swój limit napięcia wcześniej niż pozostałe. Może to zmniejszyć użyteczną pojemność całego pakietu i zwiększyć wymagania dotyczące równoważenia.

Aby uzyskać głębsze omówienie niespójności komórek, zobacz Dlaczego akumulatory litowo-jonowe stają się niespójne i co robić.

W specyfikacji OEM lepiej jest określić wymagany model ogniwa i pasujące wymagania, niż tylko podawać docelową pojemność akumulatora.

9. Jak pojemność ogniwa wpływa na wielkość opakowania

Ogniwo o większej pojemności może zmniejszyć liczbę potrzebnych ogniw równoległych, ale może być również fizycznie większe lub mieć inną charakterystykę rozładowania.

Inżynierowie OEM powinni ocenić:

• Wymiary komórki

• Układ paczki

• Dostępna przestrzeń

• Docelowa pojemność

• Aktualne zapotrzebowanie

• Waga

• Warunki termiczne

• Dostępność komórek

Na przykład ogniwo 3000 mAh może umożliwiać mniejsze zliczanie równoległe niż ogniwo 1500 mAh. Jeśli jednak ogniwo 3000 mAh będzie za duże lub nie będzie w stanie sprostać wymaganemu prądowi, może nie być najlepszym wyborem.

Dlatego obliczenie wydajności należy połączyć z oceną wykonalności mechanicznej i elektrycznej.

10. Przykład obliczenia pojemności dla niestandardowego pakietu OEM

Załóżmy, że urządzenie OEM wymaga:

• Napięcie nominalne: około 7,4 V

• Docelowa pojemność: 4000 mAh

• Napięcie nominalne ogniwa: 3,7 V

• Pojemność ogniwa: 2000 mAh

Krok 1: Oblicz liczbę serii.

7,4 V ÷ 3,7 V = 2S

Krok 2: Oblicz liczbę równoległą.

4000 mAh ÷ 2000 mAh = 2P

Krok 3: Oblicz całkowitą liczbę komórek.

2S × 2P = 4 komórki

Krok 4: Oblicz energię nominalną.

7,4 V × 4 Ah = 29,6 Wh

Wstępna specyfikacja pakietu to:

2S2P, nominalne 7,4 V, 4000 mAh, około 29,6 Wh

Przed zatwierdzeniem tej konfiguracji producent OEM i akumulator powinni sprawdzić:

• Czy ogniwa mogą dostarczyć wymagany prąd;

• Czy opakowanie pasuje do dostępnej przestrzeni;

• Czy wymagany jest BMS z równoważeniem;

• Czy ładowarka jest kompatybilna;

• Czy złącze i okablowanie obsługują obciążenie;

• Czy docelowa wydajność jest mierzona w wymaganych warunkach testowych.

11. Typowe błędy w obliczaniu pojemności akumulatora

Błąd 1: Dodawanie pojemności szeregowo

Pakiet 2S1P wykonany z dwóch ogniw 1000 mAh nie jest pakietem 2000 mAh. Jest to około 7,4 V i 1000 mAh.

Błąd 2: Ignorowanie liczby równoległej

Jeśli pakiet korzysta z wielu równoległych ścieżek, pojemność należy pomnożyć przez liczbę równoległych komórek.

Błąd 3: Porównywanie mAh bez porównywania napięcia

Pakiet 2000 mAh przy 3,7 V i pakiet 2000 mAh przy 7,4 V nie zawierają tej samej ilości energii.

Błąd 4: Używanie napięcia pełnego ładowania do obliczania energii

Energię nominalną zwykle oblicza się na podstawie napięcia znamionowego, a nie maksymalnego napięcia ładowania.

Błąd 5: Zakładanie, że pojemność znamionowa jest równa pojemności użytkowej

Rzeczywista pojemność użyteczna zależy od prądu, temperatury, napięcia odcięcia, starzenia i ustawień zabezpieczeń.

Błąd 6: Mieszanie różnych modeli komórek

Ogniwa o różnej pojemności, oporze wewnętrznym lub warunkach starzenia nie powinny być przypadkowo łączone w tym samym opakowaniu.

Błąd 7: Ignorowanie zapotrzebowania na moc urządzenia

Samo obliczenie wydajności nie określa czasu pracy. Czas działania zależy również od mocy urządzenia i wydajności systemu.

Informacje na temat oddzielnej metody obliczania czasu działania można znaleźć w artykule Jak obliczyć czas pracy pakietu baterii litowych.

12. Lista kontrolna obliczania wydajności dla nabywców OEM

Zanim poprosisz o wycenę pakietu akumulatorów, potwierdź:

• Docelowe napięcie nominalne

• Minimalne i maksymalne napięcie urządzenia

• Docelowa pojemność w mAh lub Ah

• Wymagana energia użytkowa w Wh

• Napięcie znamionowe ogniwa

• Pojemność znamionowa ogniwa

• Wymagana liczba serii

• Wymagana liczba równoległa

• Całkowita liczba komórek

• Prąd ciągły

• Prąd szczytowy

• Temperatura robocza

• Dostępne miejsce na akumulator

• Metoda ładowania

• BMS lub wymagania dotyczące ochrony

• Warunki testu wydajności

• Oczekiwany czas działania

• Prototyp i wielkość produkcji

Wartość wydajności należy zawsze powiązać z określonym warunkiem testowym. Oferta zawierająca jedynie „zestaw akumulatorów 4000 mAh” jest niekompletna, jeśli dostawca nie określi również napięcia, modelu ogniwa, konfiguracji i warunków pomiaru.

Często zadawane pytania

Jak obliczyć pojemność akumulatora litowo-jonowego?

Pomnóż pojemność jednego ogniwa przez liczbę ogniw połączonych równolegle. Na przykład cztery ogniwa 1000 mAh w konfiguracji 2S2P zapewniają pojemność około 2000 mAh.

Czy połączenie szeregowe zwiększa pojemność baterii?

Nie. Połączenie szeregowe zwiększa napięcie. Pojemność amperogodzinna zwykle pozostaje w przybliżeniu równa wydajności jednej grupy równoległej.

Czy połączenie równoległe zwiększa pojemność baterii?

Tak. Połączenie równoległe zwiększa pojemność amperogodzinną w zależności od liczby równoległych ogniw.

Jaka jest pojemność pakietu akumulatorów 2S2P?

Jeśli każde ogniwo ma napięcie znamionowe 3,7 V i 1000 mAh, pakiet 2S2P ma około 7,4 V i 2000 mAh, łącznie z czterema ogniwami.

Jak obliczyć watogodziny akumulatora?

Pomnóż nominalne napięcie pakietu przez pojemność w amperogodzinach. Pakiet 7,4 V, 2 Ah zawiera około 14,8 Wh energii nominalnej.

Czy bateria 3,7 V, 2000 mAh to to samo, co bateria 7,4 V, 2000 mAh?

Nie. Pakiet 7,4 V, 2000 mAh zawiera w przybliżeniu dwukrotnie większą energię nominalną niż pakiet 3,7 V, 2000 mAh.

Dlaczego rzeczywista pojemność baterii jest niższa niż wartość znamionowa?

Na wynik może mieć wpływ prąd rozładowania, temperatura, napięcie odcięcia, starzenie się ogniwa, rezystancja wewnętrzna, ustawienia BMS i warunki pomiaru.

Ile ogniw potrzebuję do niestandardowego zestawu baterii?

Całkowita liczba komórek wynosi:

Całkowita liczba komórek = liczba serii × liczba równoległych

Ostateczna liczba musi również spełniać wymagania dotyczące napięcia, pojemności, prądu, rozmiaru, wagi i ochrony.

Wniosek

Obliczanie pojemności akumulatora litowo-jonowego rozpoczyna się od zrozumienia różnicy między połączeniami szeregowymi i równoległymi.

Podstawowe formuły to:

Napięcie pakietu = napięcie ogniwa × liczba serii

Pojemność opakowania = Pojemność ogniwa × Liczba równoległych

Całkowita liczba komórek = liczba serii × liczba równoległych

Energia pakietu = napięcie pakietu × pojemność pakietu w Ah

Przykładowo przy zastosowaniu ogniw 3,7 V, 1000 mAh:

• 1S1P = 3,7 V, 1000 mAh

• 2S1P = 7,4 V, 1000 mAh

• 1S2P = 3,7 V, 2000 mAh

• 2S2P = 7,4 V, 2000 mAh

Obliczenia te stanowią punkt wyjścia do projektowania zestawu akumulatorów. Ostateczny akumulator należy jeszcze sprawdzić pod kątem zapotrzebowania na prąd, dopasowania ogniw, pojemności użytkowej, wymagań BMS, dopasowania mechanicznego, kompatybilności ładowania i wykonalności produkcji.

Jeśli opracowujesz niestandardowy zestaw akumulatorów litowo-jonowych, udostępnij zespołowi technicznemu ZERNE docelowe napięcie, pojemność, zapotrzebowanie na prąd, dostępną przestrzeń, wymagania dotyczące czasu pracy i oczekiwaną ilość. ZERNE dostarcza niestandardowe rozwiązania w zakresie akumulatorów litowych dla projektów OEM i ODM i może pomóc w przekształceniu docelowej pojemności początkowej w praktyczną konfigurację akumulatorów.