Как рассчитать емкость литий-ионного аккумулятора

Для расчета емкости литий-ионного аккумулятора требуется нечто большее, чем просто сложение емкости, указанной на каждой ячейке.

Конечная емкость зависит от способа соединения ячеек:

• Последовательные соединения увеличивают напряжение.

• Параллельные соединения увеличивают емкость в ампер-часах.

• Последовательно-параллельные конфигурации увеличивают как напряжение, так и емкость.

Например, четыре элемента 3,7 В, 1000 мАч можно расположить по-разному:

• 4S1P: примерно 14,8 В, 1000 мАч

• 2S2P: примерно 7,4 В, 2000 мАч

• 1S4P: примерно 3,7 В, 4000 мАч

Таким образом, одно и то же количество ячеек может производить аккумуляторные батареи с очень разными характеристиками.

В этом руководстве объясняется, как рассчитать емкость литий-ионного аккумулятора в мАч, Ач и Втч. Он также поясняет разницу между номинальной и полезной емкостью, чтобы инженеры OEM могли подготовить более точную спецификацию батареи.

Более широкую взаимосвязь между напряжением, емкостью, BMS и временем работы см. Конструкция литий-ионного аккумуляторного блока: напряжение, емкость, BMS и время работы.

Быстрый ответ: как рассчитать емкость аккумуляторной батареи?

Для совпадающих ячеек с одинаковой емкостью:

Емкость упаковки в Ач

Емкость упаковки (Ач) = Емкость одной ячейки (Ач) × Количество параллельно подключенных ячеек

Емкость упаковки в мАч

Емкость упаковки (мАч) = емкость одной ячейки (мАч) × количество параллельных групп ячеек

Напряжение упаковки

Напряжение упаковки (В) = номинальное напряжение ячейки (В) × количество ячеек последовательно

Пакет энергии

Энергия аккумулятора (Втч) = Напряжение аккумулятора (В) × Емкость аккумулятора (Ач)

Количество ячеек, соединенных последовательно обозначается S. , Количество ячеек, соединенных параллельно, обозначается P.

Например:

• 2S1P означает две ячейки последовательно и один параллельный путь.

• 1S2P означает одну группу ячеек последовательно и две ячейки параллельно.

• 3S2P означает три последовательные группы по две параллельные ячейки в каждой группе.

1. Понимание мощности, напряжения и энергии

Прежде чем рассчитывать аккумуляторный блок, важно различать три основных значения.

Емкость

Емкость описывает, сколько электрического заряда может хранить аккумулятор. Обычно это выражается в:

• Миллиампер-часы или мАч

• Ампер-часы, или Ач

Преобразование это:

1 Ач = 1000 мАч

Аккумулятор емкостью 3000 мАч эквивалентен аккумулятору емкостью 3 Ач.

Напряжение

Напряжение описывает электрический потенциал батареи. Обычно оно выражается в вольтах.

Для многих стандартных литий-ионных и литий-полимерных элементов номинальное напряжение составляет примерно 3,6 В или 3,7 В. Точное значение зависит от химического состава элемента и спецификаций производителя.

Энергия

Энергия сочетает в себе напряжение и мощность. Выражается в ватт-часах.

Энергия (Втч) = Напряжение (В) × Емкость (Ач)

Более высокий номинал мАч не всегда означает более высокую общую энергию, если напряжение батареи отличается.

Например:

• 3,7 В × 2 Ач = 7,4 Втч

• 7,4 В × 2 Ач = 14,8 Втч

Две батареи имеют одинаковую емкость в ампер-часах, но разную энергию, поскольку их напряжения различаются.

2. Как последовательные соединения влияют на емкость

Когда ячейки соединены последовательно, положительная клемма одной ячейки соединяется с отрицательной клеммой следующей ячейки.

Последовательные соединения увеличивают напряжение.

Для совпадающих ячеек, соединенных последовательно:

• Напряжение увеличивается

• Емкость Ач остается примерно такой же

• Полная энергия увеличивается, потому что увеличивается напряжение

Пример: аккумуляторный блок 2S1P.

Предположим, что каждая ячейка имеет:

• Номинальное напряжение: 3,7 В

• Емкость: 1000 мАч

Пакет 2С1П содержит два последовательно соединенных элемента.

Напряжение аккумулятора:

3,7 В × 2 = 7,4 В

Емкость упаковки:

1000 мАч

Энергия пакета:

7,4 В × 1 Ач = 7,4 Втч

Следовательно, аккумуляторная батарея 2С1П составляет примерно:

7,4 В, 1000 мАч, 7,4 Втч

Таблица конфигурации серии

Это номинальные значения, основанные на элементах с напряжением 3,7 В. Напряжение полной зарядки выше, и его следует учитывать при выборе зарядного устройства и системы защиты.

3. Как параллельные соединения влияют на емкость

Когда ячейки соединены параллельно, их положительные клеммы соединяются вместе, а их отрицательные клеммы соединяются вместе.

Параллельное соединение увеличивает пропускную способность.

Для совпадающих ячеек, соединенных параллельно:

• Напряжение остается примерно таким же

• Ах, емкость увеличивается

• Текущие возможности могут увеличиться

• Общая энергия увеличивается, потому что увеличивается мощность

Пример: аккумуляторный блок 1S2P.

Предположим, что каждая ячейка имеет:

• Номинальное напряжение: 3,7 В

• Емкость: 1000 мАч

Пакет 1S2P содержит две параллельно соединенные ячейки.

Напряжение аккумулятора:

3,7 В

Емкость упаковки:

1000 мАч × 2 = 2000 мАч

Энергия пакета:

3,7 В × 2 Ач = 7,4 Втч

Следовательно, аккумуляторная батарея 1S2P составляет примерно:

3,7 В, 2000 мАч, 7,4 Втч

Таблица параллельной конфигурации

Параллельные расчеты емкости предполагают, что элементы имеют одинаковую модель, емкость, состояние и электрические характеристики.

4. Как рассчитать последовательно-параллельный аккумуляторный блок

Последовательно-параллельный аккумуляторный блок сочетает в себе оба способа подключения.

Общие формулы:

Напряжение аккумулятора = напряжение ячейки × S

Емкость упаковки = Емкость ячейки × P

Общее количество клеток = S × P

Где:

• S = количество ячеек в серии

• P = количество ячеек параллельно

Пример: аккумуляторный блок 2S2P.

Предположим, что каждая ячейка имеет:

• Номинальное напряжение: 3,7 В

• Емкость: 1000 мАч

Для пакета 2S2P:

Напряжение аккумулятора:

3,7 В × 2 = 7,4 В

Емкость упаковки:

1000 мАч × 2 = 2000 мАч

Общее количество ячеек:

2 × 2 = 4 ячейки

Энергия пакета:

7,4 В × 2 Ач = 14,8 Втч

Результат:

7,4 В, 2000 мАч, 14,8 Втч

Пример: аккумуляторный блок 3S2P.

Используя те же элементы 3,7 В, 1000 мАч:

Напряжение аккумулятора:

3,7 В × 3 = 11,1 В

Емкость упаковки:

1000 мАч × 2 = 2000 мАч

Общее количество ячеек:

3 × 2 = 6 ячеек

Энергия пакета:

11,1 В × 2 Ач = 22,2 Втч

Результат:

11,1 В, 2000 мАч, 22,2 Втч

Более подробное объяснение того, как эти конфигурации влияют на совместимость устройств, см. Последовательные и параллельные аккумуляторные блоки.

5. Как рассчитать необходимое количество параллельных вычислений

Если известны целевая емкость и емкость отдельной ячейки, необходимое количество параллельных ячеек можно оценить с помощью:

Параллельный подсчет = Целевая емкость упаковки ÷ Емкость ячейки

Пример: цель 7,4 В, 3000 мАч.

Предполагать:

• Целевое номинальное напряжение: 7,4 В

• Целевая емкость: 3000 мАч

• Номинальное напряжение ячейки: 3,7 В

• Емкость ячейки: 1500 мАч

Шаг 1: Определите количество серий.

7,4 В ÷ 3,7 В = 2S

Шаг 2: Определите количество параллельных вычислений.

3000 мАч ÷ 1500 мАч = 2P

Предварительная конфигурация:

2С2П

Общее количество ячеек:

2 × 2 = 4 ячейки

Пример: цель 11,1 В, 5000 мАч.

Предполагать:

• Целевое номинальное напряжение: 11,1 В

• Целевая емкость: 5000 мАч

• Номинальное напряжение ячейки: 3,7 В

• Емкость ячейки: 2500 мАч

Количество серий:

11,1 В ÷ 3,7 В = 3S

Параллельный счет:

5000 мАч ÷ 2500 мАч = 2P

Предварительная конфигурация:

3С2П

Общее количество ячеек:

3 × 2 = 6 ячеек

Этот расчет обеспечивает начальную конфигурацию. Окончательный проект все еще требует проверки текущего спроса, доступного пространства, возможности разряда элементов, требований защиты и осуществимости производства.

6. Как рассчитать энергию аккумуляторной батареи в Втч

Емкость в ампер-часах полезна для сравнения батарей с одинаковым напряжением. Ватт-часы более полезны при сравнении блоков с разными уровнями напряжения.

Формула:

Энергия аккумулятора (Втч) = Номинальное напряжение аккумулятора (В) × Емкость аккумулятора (Ач)

Пример сравнения

Значение мАч в этом примере такое же, но общая энергия меняется в зависимости от напряжения.

Вот почему командам OEM не следует сравнивать аккумуляторные блоки только по мАч. Если напряжение отличается, сравните также ватт-часы.

7. Номинальная мощность и полезная мощность

Емкость, указанная на батарее, обычно представляет собой номинальную или номинальную емкость, измеренную в определенных условиях испытаний.

Фактическая полезная емкость может быть ниже по следующим причинам:

• Ток разряда

• Напряжение отсечки

• Температура

• Старение клеток

• Внутреннее сопротивление

• Пределы защиты BMS

• Преобразование мощности устройства

• Требуемый запас ресурса

Простая концептуальная формула:

Полезная мощность ≈ Номинальная мощность × Применимый коэффициент снижения мощности

Коэффициент снижения мощности не является универсальным числом. Оно должно быть установлено в соответствии с паспортом элемента, условиями разряда и требованиями применения.

Например, аккумулятор емкостью 2000 мАч может не обеспечивать ровно 2000 мАч в каждом приложении, если:

• Нагрузка высокая;

• Устройство останавливается до того, как ячейка достигнет минимального напряжения;

• Температура низкая;

• Упаковка устарела;

• BMS отключает нагрузку в целях защиты.

Поэтому пакет должен быть указан с обоими:

• Номинальная мощность

• Требуемая полезная мощность при определенных условиях

8. Почему совпадение ячеек имеет значение

Формула базовой емкости предполагает, что все ячейки совпадают.

Элементы, используемые в одной упаковке, должны быть совместимы с точки зрения:

• Емкость

• Напряжение

• Внутреннее сопротивление

• Модель ячейки

• Производственная партия

• Состояние старения

• Состояние заряда

Если ячейки имеют существенно разные характеристики, самая слабая ячейка может достичь предела напряжения раньше, чем другие. Это может снизить полезную емкость всего пакета и повысить требования к балансировке.

Более подробное обсуждение несогласованности ячеек см. Почему литий-ионные аккумуляторы перестают работать и что делать.

В спецификации OEM лучше определить требуемую модель элемента и соответствующие требования, а не просто указывать целевую емкость аккумулятора.

9. Как емкость ячейки влияет на размер упаковки

Ячейка большей емкости может уменьшить количество необходимых параллельных ячеек, но она также может быть физически больше или иметь другие характеристики разряда.

Инженеры OEM должны оценить:

• Размеры ячейки

• Макет упаковки

• Доступное пространство

• Целевая мощность

• Текущий спрос

• Масса

• Термические условия

• Доступность сотовой связи

Например, элемент емкостью 3000 мАч может обеспечить меньшее количество параллельных соединений, чем элемент емкостью 1500 мАч. Однако если элемент емкостью 3000 мАч слишком велик или не может обеспечить требуемый ток, это может быть не лучшим выбором.

Поэтому расчет мощности следует сочетать с анализом механической и электрической осуществимости.

10. Пример расчета мощности для индивидуального OEM-пакета

Предположим, что OEM-устройству требуется:

• Номинальное напряжение: примерно 7,4 В

• Целевая емкость: 4000 мАч

• Номинальное напряжение ячейки: 3,7 В

• Емкость ячейки: 2000 мАч

Шаг 1: Рассчитайте количество серий.

7,4 В ÷ 3,7 В = 2S

Шаг 2: Рассчитайте количество параллельных.

4000 мАч ÷ 2000 мАч = 2P

Шаг 3: Рассчитайте общее количество клеток.

2S × 2P = 4 ячейки

Шаг 4: Рассчитайте номинальную энергию.

7,4 В × 4 Ач = 29,6 Втч

Предварительная спецификация упаковки:

2S2P, номинал 7,4 В, 4000 мАч, примерно 29,6 Втч

Прежде чем эта конфигурация будет одобрена, OEM-производитель и производитель аккумуляторов должны проверить:

• Могут ли элементы обеспечить необходимый ток;

• Вмещается ли упаковка в доступное пространство;

• Требуется ли BMS с балансировкой;

• Совместимо ли зарядное устройство;

• выдерживают ли разъем и проводка нагрузку;

• Измеряется ли целевая емкость в требуемых условиях испытаний.

11. Распространенные ошибки при расчете емкости аккумуляторной батареи

Ошибка 1: последовательное добавление мощности

Пакет 2S1P, состоящий из двух элементов емкостью 1000 мАч, не является блоком емкостью 2000 мАч. Это примерно 7,4 В и 1000 мАч.

Ошибка 2: игнорирование подсчета параллелей

Если в пакете используется несколько параллельных путей, емкость необходимо умножить на количество параллельных ячеек.

Ошибка 3: сравнение мАч без сравнения напряжения

Батарея емкостью 2000 мАч при напряжении 3,7 В и батарея емкостью 2000 мАч при напряжении 7,4 В не содержат одинаковое количество энергии.

Ошибка 4: использование напряжения полной зарядки для расчета энергии

Номинальная энергия обычно рассчитывается с использованием номинального напряжения, а не максимального зарядного напряжения.

Ошибка 5: предположение, что номинальная мощность равна полезной мощности

Фактическая полезная емкость зависит от тока, температуры, напряжения отключения, старения и настроек защиты.

Ошибка 6: Смешение разных моделей ячеек

Элементы с разной емкостью, внутренним сопротивлением или условиями старения не следует случайно объединять в одной упаковке.

Ошибка 7: игнорирование потребляемой мощности устройства

Сам по себе расчет мощности не определяет время работы. Время работы также зависит от мощности устройства и эффективности системы.

Для получения информации об отдельном методе расчета времени выполнения см. Как рассчитать время работы литиевой батареи.

12. Контрольный список расчета мощности для OEM-покупателей

Прежде чем запросить цену на аккумуляторный блок, подтвердите:

• Целевое номинальное напряжение

• Минимальное и максимальное напряжение устройства

• Целевая емкость в мАч или Ач

• Требуемая полезная энергия в Втч

• Номинальное напряжение ячейки

• Номинальная емкость ячейки

• Требуемое количество серий

• Требуемое количество параллельных

• Общее количество клеток

• Непрерывный ток

• Пиковый ток

• Рабочая температура

• Доступное место для аккумулятора

• Способ зарядки

• BMS или требования к защите

• Условия испытания емкости

• Ожидаемое время работы

• Прототип и объем производства

Значение мощности всегда должно быть связано с определенными условиями испытаний. Предложение, в котором указано только «аккумулятор на 4000 мАч», является неполным, если поставщик также не укажет напряжение, модель элемента, конфигурацию и условия измерения.

Часто задаваемые вопросы

Как рассчитать емкость литий-ионного аккумулятора?

Умножьте емкость одной ячейки на количество ячеек, соединенных параллельно. Например, четыре элемента емкостью 1000 мАч в конфигурации 2S2P обеспечивают емкость примерно 2000 мАч.

Увеличивает ли последовательное соединение емкость аккумулятора?

Нет. Последовательное соединение увеличивает напряжение. Емкость в ампер-часах обычно остается примерно равной емкости одной параллельной группы.

Увеличивает ли параллельное соединение емкость аккумулятора?

Да. Параллельное соединение увеличивает емкость в ампер-часах в зависимости от количества параллельных ячеек.

Какая емкость аккумуляторного блока 2С2П?

Если каждая ячейка рассчитана на напряжение 3,7 В и 1000 мАч, блок 2S2P будет иметь примерно 7,4 В и 2000 мАч, всего четыре ячейки.

Как рассчитать ватт-часы аккумуляторной батареи?

Умножьте номинальное напряжение батареи на емкость в ампер-часах. Блок 7,4 В, 2 Ач содержит примерно 14,8 Втч номинальной энергии.

Является ли аккумулятор 3,7 В, 2000 мАч таким же, как аккумулятор 7,4 В, 2000 мАч?

Нет. Блок 7,4 В, 2000 мАч содержит примерно в два раза больше номинальной энергии, чем блок 3,7 В, 2000 мАч.

Почему фактическая емкость аккумулятора ниже номинальной?

На результат могут влиять ток разряда, температура, напряжение отсечки, старение элемента, внутреннее сопротивление, настройки BMS и условия измерения.

Сколько ячеек мне нужно для индивидуального аккумуляторного блока?

Общее количество клеток составляет:

Общее количество ячеек = количество серий × количество параллельных

Окончательный подсчет также должен соответствовать требованиям по напряжению, мощности, току, размеру, весу и защите.

Заключение

Расчет емкости литий-ионного аккумулятора начинается с понимания разницы между последовательным и параллельным соединениями.

Основные формулы:

Напряжение упаковки = напряжение ячейки × количество серий

Емкость упаковки = Емкость ячейки × Число параллельных вычислений

Общее количество ячеек = количество серий × количество параллельных

Энергия аккумулятора = Напряжение аккумулятора × Емкость аккумулятора в Ач

Например, используя элементы 3,7 В, 1000 мАч:

• 1S1P = 3,7 В, 1000 мАч

• 2S1P = 7,4 В, 1000 мАч

• 1S2P = 3,7 В, 2000 мАч

• 2S2P = 7,4 В, 2000 мАч

Эти расчеты служат отправной точкой для проектирования аккумуляторной батареи. Окончательную батарею все равно необходимо проверить на предмет потребляемого тока, соответствия ячеек, полезной емкости, требований BMS, механической посадки, совместимости зарядки и осуществимости производства.

Если вы разрабатываете индивидуальный литий-ионный аккумулятор, сообщите технической команде ZERNE целевое напряжение, емкость, потребляемый ток, доступное пространство, требования к времени автономной работы и ожидаемое количество. ZERNE предоставляет индивидуальные литиевые аккумуляторные батареи для проектов OEM и ODM и может помочь преобразовать первоначальную целевую емкость в практичную конфигурацию батареи.