Cum se calculează capacitatea acumulatorului litiu-ion

Calcularea capacității acumulatorului litiu-ion necesită mai mult decât adăugarea capacității imprimate pe fiecare celulă.

Capacitatea finală depinde de modul în care sunt conectate celulele:

• Conexiunile în serie cresc tensiunea.

• Conexiunile paralele cresc capacitatea amperi-oră.

• Configurațiile serie-paralel cresc atât tensiunea, cât și capacitatea.

De exemplu, patru celule de 3,7 V, 1000 mAh pot fi aranjate în moduri diferite:

• 4S1P: aproximativ 14,8 V, 1000 mAh

• 2S2P: aproximativ 7,4 V, 2000 mAh

• 1S4P: aproximativ 3,7 V, 4000 mAh

Același număr de celule poate produce așadar specificații foarte diferite ale pachetului de baterii.

Acest ghid explică cum se calculează capacitatea acumulatorului litiu-ion în mAh, Ah și Wh. De asemenea, clarifică diferența dintre capacitatea nominală și capacitatea utilizabilă, astfel încât inginerii OEM să poată pregăti o specificație mai precisă a bateriei.

Pentru relația mai largă dintre tensiune, capacitate, BMS și durata de funcționare, vezi Design pachet baterie litiu-ion: tensiune, capacitate, BMS și timp de funcționare.

Răspuns rapid: Cum se calculează capacitatea acumulatorului?

Pentru celule potrivite cu aceeași capacitate:

Capacitatea pachetului în Ah

Capacitatea pachetului (Ah) = Capacitatea unei celule (Ah) × Numărul de celule în paralel

Capacitate pachet în mAh

Capacitatea pachetului (mAh) = Capacitatea unei celule (mAh) × Numărul de grupuri de celule paralele

Tensiune pachet

Tensiunea pachetului (V) = Tensiunea nominală a celulei (V) × Numărul de celule în serie

Pack Energie

Energia pachetului (Wh) = Tensiunea pachetului (V) × Capacitatea pachetului (Ah)

Numărul de celule conectate în serie este reprezentat de S . Numărul de celule conectate în paralel este reprezentat de P.

De exemplu:

• 2S1P înseamnă două celule în serie și o cale paralelă.

• 1S2P înseamnă un grup de celule în serie și două celule în paralel.

• 3S2P înseamnă trei grupuri de serie cu două celule paralele în fiecare grup.

1. Înțelegeți capacitatea, tensiunea și energia

Înainte de a calcula un acumulator, este important să faceți distincția între trei valori de bază.

Capacitate

Capacitatea descrie cât de multă sarcină electrică poate stoca o baterie. Se exprimă în mod obișnuit în:

• Miliamp-oră sau mAh

• Amp-ore, sau Ah

Conversia este:

1 Ah = 1000 mAh

O celulă de 3000 mAh este echivalentă cu o celulă de 3 Ah.

Voltaj

Tensiunea descrie potențialul electric al bateriei. Este de obicei exprimat în volți.

Pentru multe celule standard litiu-ion și litiu-polimer, tensiunea nominală este de aproximativ 3,6 V sau 3,7 V. Valoarea exactă depinde de chimia celulei și de specificațiile producătorului.

Energie

Energia combină tensiunea și capacitatea. Este exprimat în wați-oră.

Energie (Wh) = Tensiune (V) × Capacitate (Ah)

O evaluare mai mare a mAh nu înseamnă întotdeauna o energie totală mai mare dacă tensiunea bateriei este diferită.

De exemplu:

• 3,7 V × 2 Ah = 7,4 Wh

• 7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh

Cele două pachete au aceeași capacitate amperi-oră, dar energie diferită, deoarece tensiunile lor sunt diferite.

2. Cum afectează conexiunile în serie capacitatea

Când celulele sunt conectate în serie, terminalul pozitiv al unei celule se conectează la terminalul negativ al celulei următoare.

Conexiunile în serie cresc tensiunea.

Pentru celulele potrivite conectate în serie:

• Tensiunea crește

• Capacitatea Ah rămâne aproximativ aceeași

• Energia totală crește deoarece tensiunea crește

Exemplu: pachet de baterii 2S1P

Să presupunem că fiecare celulă are:

• Tensiune nominală: 3,7 V

• Capacitate: 1000 mAh

Un pachet 2S1P conține două celule în serie.

Tensiunea pachetului:

3,7 V × 2 = 7,4 V

Capacitate pachet:

1000 mAh

Pachetul de energie:

7,4 V × 1 Ah = 7,4 Wh

Prin urmare, un acumulator 2S1P este aproximativ:

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

Tabel de configurare a seriei

Acestea sunt valori nominale bazate pe celule de 3,7 V. Tensiunea de încărcare completă este mai mare și trebuie luată în considerare atunci când alegeți încărcătorul și sistemul de protecție.

3. Cum afectează conexiunile paralele capacitatea

Când celulele sunt conectate în paralel, bornele lor pozitive sunt conectate împreună, iar bornele lor negative sunt conectate împreună.

Conexiunile paralele cresc capacitatea.

Pentru celulele potrivite conectate în paralel:

• Tensiunea rămâne aproximativ aceeași

• Capacitatea Ah crește

• Capacitatea curentă poate crește

• Energia totală crește deoarece capacitatea crește

Exemplu: pachet de baterii 1S2P

Să presupunem că fiecare celulă are:

• Tensiune nominală: 3,7 V

• Capacitate: 1000 mAh

Un pachet 1S2P conține două celule în paralel.

Tensiunea pachetului:

3,7 V

Capacitate pachet:

1000 mAh × 2 = 2000 mAh

Pachetul de energie:

3,7 V × 2 Ah = 7,4 Wh

Prin urmare, un acumulator 1S2P este aproximativ:

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

Tabelul de configurare paralel

Calculele paralele de capacitate presupun că celulele au același model, capacitate, stare și caracteristici electrice.

4. Cum se calculează un pachet de baterii serie-paralel

Un acumulator în serie-paralel combină ambele metode de conectare.

Formulele generale sunt:

Tensiunea pachetului = Tensiunea celulei × S

Capacitatea pachetului = Capacitatea celulei × P

Numărul total de celule = S × P

Unde:

• S = numărul de celule în serie

• P = numărul de celule în paralel

Exemplu: pachet de baterii 2S2P

Să presupunem că fiecare celulă are:

• Tensiune nominală: 3,7 V

• Capacitate: 1000 mAh

Pentru un pachet 2S2P:

Tensiunea pachetului:

3,7 V × 2 = 7,4 V

Capacitate pachet:

1000 mAh × 2 = 2000 mAh

Numărul total de celule:

2 × 2 = 4 celule

Pachetul de energie:

7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh

Rezultatul este:

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

Exemplu: pachet de baterii 3S2P

Folosind aceleași celule de 3,7 V, 1000 mAh:

Tensiunea pachetului:

3,7 V × 3 = 11,1 V

Capacitate pachet:

1000 mAh × 2 = 2000 mAh

Numărul total de celule:

3 × 2 = 6 celule

Pachetul de energie:

11,1 V × 2 Ah = 22,2 Wh

Rezultatul este:

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

Pentru o explicație mai amplă a modului în care aceste configurații afectează compatibilitatea dispozitivului, consultați Seria vs. Pachete de baterii paralele.

5. Cum se calculează numărul paralel necesar

Dacă se cunosc capacitatea țintă și capacitatea celulei individuale, numărul necesar de celule paralele poate fi estimat cu:

Număr paralel = Capacitate pachet țintă ÷ Capacitate celule

Exemplu: țintă de 7,4 V, 3000 mAh

Presupunem:

• Tensiune nominală țintă: 7,4 V

• Capacitate tinta: 3000 mAh

• Tensiune nominală a celulei: 3,7 V

• Capacitatea celulei: 1500 mAh

Pasul 1: Determinați numărul de serie.

7,4 V ÷ 3,7 V = 2S

Pasul 2: Determinați numărul de paralele.

3000 mAh ÷ 1500 mAh = 2P

Configurația preliminară este:

2S2P

Numărul total de celule:

2 × 2 = 4 celule

Exemplu: țintă de 11,1 V, 5000 mAh

Presupunem:

• Tensiune nominală țintă: 11,1 V

• Capacitate tinta: 5000 mAh

• Tensiune nominală a celulei: 3,7 V

• Capacitatea celulei: 2500 mAh

Număr de serii:

11,1 V ÷ 3,7 V = 3S

Număr paralel:

5000 mAh ÷ 2500 mAh = 2P

Configurația preliminară este:

3S2P

Numărul total de celule:

3 × 2 = 6 celule

Acest calcul oferă o configurație inițială. Proiectul final mai trebuie să verifice cererea curentă, spațiul disponibil, capacitatea de descărcare a celulei, cerințele de protecție și fezabilitatea producției.

6. Cum se calculează energia acumulatorului în Wh

Capacitatea amperi-oră este utilă pentru a compara bateriile cu aceeași tensiune. Wați-oră sunt mai utile atunci când se compară pachetele cu diferite niveluri de tensiune.

Formula este:

Energia pachetului (Wh) = Tensiunea nominală a pachetului (V) × Capacitatea pachetului (Ah)

Exemplu de comparație

Valoarea mAh este aceeași în acest exemplu, dar energia totală se modifică în funcție de tensiune.

Acesta este motivul pentru care echipele OEM nu ar trebui să compare pachetele de baterii folosind numai mAh. Când tensiunea diferă, comparați și watt-oră.

7. Capacitatea nominală vs. Capacitatea utilizabilă

Capacitatea imprimată pe o baterie este în mod normal o capacitate nominală sau nominală măsurată în condiții de testare specificate.

Capacitatea efectivă utilizabilă poate fi mai mică din cauza:

• Curent de descărcare

• Tensiunea de întrerupere

• Temperatură

• Îmbătrânirea celulară

• Rezistenta interioara

• Limitele de protecție BMS

• Conversia puterii dispozitivului

• Rezervă necesară pentru durata de viață

O formulă conceptuală simplă este:

Capacitate utilizabilă ≈ Capacitate nominală × Factor de reducere aplicabil

Factorul de derating nu este un număr universal. Acesta trebuie stabilit în conformitate cu fișa tehnică a celulei, condițiile de descărcare și cerințele de aplicare.

De exemplu, un pachet de 2000 mAh poate să nu livreze exact 2000 mAh în fiecare aplicație dacă:

• Sarcina este mare;

• Dispozitivul se oprește înainte ca celula să atingă tensiunea minimă;

• Temperatura este scăzută;

• Pachetul a îmbătrânit;

• BMS-ul deconectează sarcina pentru protecție.

Prin urmare, pachetul trebuie specificat cu ambele:

• Capacitate nominală

• Capacitate utilă necesară în condiții definite

8. De ce contează potrivirea celulelor

Formula de bază a capacității presupune că toate celulele sunt potrivite.

Celulele utilizate în același pachet ar trebui să fie compatibile în ceea ce privește:

• Capacitate

• Voltaj

• Rezistenta interioara

• Modelul celular

• Lotul de producție

• Stare de imbatranire

• Starea de încărcare

Dacă celulele au caracteristici semnificativ diferite, celula cea mai slabă poate atinge limita de tensiune mai devreme decât celelalte. Acest lucru poate reduce capacitatea utilizabilă a pachetului complet și poate crește cerințele de echilibrare.

Pentru o discuție mai profundă despre inconsecvența celulară, vezi De ce acumulatorii litiu-ion devin inconsecvenți și ce trebuie făcut.

Într-o specificație OEM, este mai bine să definiți modelul de celulă necesar și cerințele de potrivire, mai degrabă decât să specificați doar capacitatea țintă a bateriei.

9. Cum afectează capacitatea celulei dimensiunea pachetului

O celulă de capacitate mai mare poate reduce numărul de celule paralele necesare, dar poate fi, de asemenea, mai mare din punct de vedere fizic sau poate avea caracteristici de descărcare diferite.

Inginerii OEM ar trebui să evalueze:

• Dimensiunile celulei

• Aspectul pachetului

• Spațiu disponibil

• Capacitate țintă

• Cererea curentă

• Greutate

• Conditii termice

• Disponibilitatea celulei

De exemplu, o celulă de 3000 mAh poate permite un număr mai mic în paralel decât o celulă de 1500 mAh. Cu toate acestea, dacă celula de 3000 mAh este prea mare sau nu poate îndeplini curentul necesar, este posibil să nu fie cea mai bună alegere.

Prin urmare, calculul capacității ar trebui combinat cu evaluarea fezabilității mecanice și electrice.

10. Exemplu de calcul al capacității pentru un pachet OEM personalizat

Să presupunem că un dispozitiv OEM necesită:

• Tensiune nominală: aproximativ 7,4 V

• Capacitate tinta: 4000 mAh

• Tensiune nominală a celulei: 3,7 V

• Capacitatea celulei: 2000 mAh

Pasul 1: Calculați numărul de serie.

7,4 V ÷ 3,7 V = 2S

Pasul 2: Calculați numărul de paralele.

4000 mAh ÷ 2000 mAh = 2P

Pasul 3: Calculați numărul total de celule.

2S × 2P = 4 celule

Pasul 4: Calculați energia nominală.

7,4 V × 4 Ah = 29,6 Wh

Specificația preliminară a pachetului este:

2S2P, 7,4 V nominal, 4000 mAh, aproximativ 29,6 Wh

Înainte ca această configurație să fie aprobată, OEM și producătorul bateriei ar trebui să verifice:

• Dacă celulele pot furniza curentul necesar;

• Dacă pachetul se potrivește spațiului disponibil;

• Dacă este necesar un BMS cu echilibrare;

• Dacă încărcătorul este compatibil;

• Dacă conectorul și cablajul suportă sarcina;

• Dacă capacitatea țintă este măsurată în condițiile de testare necesare.

11. Greșeli obișnuite de calcul a capacității pachetului de baterii

Greșeala 1: Adăugarea capacității în serie

Un pachet 2S1P format din două celule de 1000 mAh nu este un pachet de 2000 mAh. Este de aproximativ 7,4 V și 1000 mAh.

Greșeala 2: Ignorarea numărării paralele

Dacă pachetul utilizează mai multe căi paralele, capacitatea trebuie înmulțită cu numărul de celule paralele.

Greșeala 3: Compararea mAh fără a compara tensiunea

Un pachet de 2000 mAh la 3,7 V și un pachet de 2000 mAh la 7,4 V nu conțin aceeași cantitate de energie.

Greșeala 4: Utilizarea tensiunii de încărcare completă pentru calcularea energiei

Energia nominală este calculată în mod normal utilizând tensiunea nominală, nu tensiunea maximă de încărcare.

Greșeala 5: Presupunând că capacitatea nominală este egală cu capacitatea utilizabilă

Capacitatea efectivă utilizabilă depinde de curent, temperatură, tensiune de întrerupere, îmbătrânire și setări de protecție.

Greșeala 6: Amestecarea diferitelor modele de celule

Celulele cu capacități diferite, rezistență internă sau condiții de îmbătrânire nu trebuie combinate întâmplător în același pachet.

Greșeala 7: Ignorarea cererii de putere a dispozitivului

Numai calculul capacității nu determină timpul de rulare. Timpul de funcționare depinde și de puterea dispozitivului și de eficiența sistemului.

Pentru metoda de calcul separată a timpului de rulare, vezi Cum se calculează durata de funcționare pentru un pachet de baterii cu litiu.

12. Lista de verificare pentru calculul capacității pentru cumpărătorii OEM

Înainte de a solicita o ofertă de baterie, confirmați:

• Tensiunea nominală țintă

• Tensiunea minimă și maximă a dispozitivului

• Capacitate țintă în mAh sau Ah

• Energia utilizabilă necesară în Wh

• Tensiunea nominală a celulei

• Capacitate nominală a celulei

• Număr de serii obligatorii

• Numărarea paralelă necesară

• Numărul total de celule

• Curent continuu

• Curent de vârf

• Temperatura de functionare

• Spațiu disponibil pentru baterie

• Metoda de încărcare

• BMS sau cerințe de protecție

• Condiții de testare a capacității

• Timp de rulare așteptat

• Prototip și cantitate de producție

Cifra de capacitate ar trebui să fie întotdeauna conectată la o condiție de testare definită. O cotație care afirmă doar „pachet baterie de 4000 mAh” este incompletă, cu excepția cazului în care furnizorul identifică și tensiunea, modelul celulei, configurația și condițiile de măsurare.

FAQ

Cum calculez capacitatea acumulatorului litiu-ion?

Înmulțiți capacitatea unei celule cu numărul de celule conectate în paralel. De exemplu, patru celule de 1000 mAh într-o configurație 2S2P oferă o capacitate de aproximativ 2000 mAh.

O conexiune în serie crește capacitatea bateriei?

Nu. O conexiune în serie crește tensiunea. Capacitatea amperi-oră rămâne în mod normal aproximativ egală cu capacitatea unui grup paralel.

O conexiune paralelă crește capacitatea bateriei?

Da. O conexiune paralelă crește capacitatea amperi-oră în funcție de numărul de celule paralele.

Care este capacitatea unui acumulator 2S2P?

Dacă fiecare celulă este evaluată la 3,7 V și 1000 mAh, un pachet 2S2P este de aproximativ 7,4 V și 2000 mAh, cu patru celule totale.

Cum calculez wați-oră ale acumulatorului?

Înmulțiți tensiunea nominală a pachetului cu capacitatea în amperi-oră. Un pachet de 7,4 V, 2 Ah conține aproximativ 14,8 Wh de energie nominală.

Este o baterie de 3,7 V, 2000 mAh la fel cu o baterie de 7,4 V, 2000 mAh?

Nu. Pachetul de 7,4 V, 2000 mAh conține aproximativ dublul energiei nominale a pachetului de 3,7 V, 2000 mAh.

De ce capacitatea reală a bateriei este mai mică decât valoarea nominală?

Rezultatul poate fi afectat de curentul de descărcare, temperatură, tensiune de întrerupere, îmbătrânirea celulei, rezistența internă, setările BMS și condițiile de măsurare.

De câte celule am nevoie pentru un acumulator personalizat?

Numărul total de celule este:

Total celule = Număr de serie × Număr de paralel

Numărarea finală trebuie să satisfacă, de asemenea, cerințele de tensiune, capacitate, curent, dimensiune, greutate și protecție.

Concluzie

Calcularea capacității acumulatorului litiu-ion începe cu înțelegerea diferenței dintre conexiunile în serie și paralele.

Formulele de bază sunt:

Tensiune pachet = Tensiunea celulei × Număr de serie

Capacitate pachet = Capacitate celule × Număr paralel

Total celule = Număr de serie × Număr de paralel

Energia pachetului = Tensiunea pachetului × Capacitatea pachetului în Ah

De exemplu, folosind celule de 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

Aceste calcule oferă punctul de plecare pentru proiectarea unui pachet de baterii. Bateria finală trebuie încă verificată pentru cererea curentă, potrivirea celulelor, capacitatea utilizabilă, cerințele BMS, potrivirea mecanică, compatibilitatea încărcării și fezabilitatea producției.

Dacă dezvoltați un pachet de baterii litiu-ion personalizat, împărtășiți echipa tehnică ZENE tensiunea țintă, capacitatea, cererea curentă, spațiul disponibil, necesarul de timp de funcționare și cantitatea așteptată. ZENE oferă soluții personalizate de pachete de baterii cu litiu pentru proiecte OEM și ODM și poate ajuta la transformarea țintei de capacitate inițială într-o configurație practică a bateriei.