Hur man beräknar litiumjonbatteriets kapacitet

Att beräkna litiumjonbatteriets kapacitet kräver mer än att lägga till kapaciteten som är tryckt på varje cell.

Den slutliga kapaciteten beror på hur cellerna är anslutna:

• Serieanslutningar ökar spänningen.

• Parallella anslutningar ökar kapaciteten i amperetimmar.

• Serieparallella konfigurationer ökar både spänning och kapacitet.

Till exempel kan fyra 3,7 V, 1000 mAh-celler ordnas på olika sätt:

• 4S1P: cirka 14,8 V, 1000 mAh

• 2S2P: cirka 7,4 V, 2000 mAh

• 1S4P: cirka 3,7 V, 4000 mAh

Samma antal celler kan därför producera mycket olika batteripaketspecifikationer.

Den här guiden förklarar hur man beräknar litiumjonbatteriets kapacitet i mAh, Ah och Wh. Den klargör också skillnaden mellan nominell kapacitet och användbar kapacitet så att OEM-ingenjörer kan förbereda en mer exakt batterispecifikation.

För det bredare förhållandet mellan spänning, kapacitet, BMS och körtid, se Lithium-Ion Battery Pack Design: Spänning, Kapacitet, BMS och Runtime.

Snabbsvar: Hur beräknar du batteripaketets kapacitet?

För matchade celler med samma kapacitet:

Förpackningskapacitet i Ah

Paketkapacitet (Ah) = Kapacitet för en cell (Ah) × Antal celler parallellt

Paketkapacitet i mAh

Paketkapacitet (mAh) = Kapacitet för en cell (mAh) × Antal parallella cellgrupper

Packspänning

Packspänning (V) = Nominell cellspänning (V) × Antal celler i serie

Packa energi

Packenergi (Wh) = Packspänning (V) × Packkapacitet (Ah)

Antalet celler kopplade i serie representeras av S . Antalet parallellkopplade celler representeras av P.

Till exempel:

• 2S1P betyder två celler i serie och en parallell bana.

• 1S2P betyder en cellgrupp i serie och två celler parallellt.

• 3S2P betyder tre seriegrupper med två parallella celler i varje grupp.

1. Förstå kapacitet, spänning och energi

Innan du beräknar ett batteripaket är det viktigt att skilja mellan tre grundvärden.

Kapacitet

Kapaciteten beskriver hur mycket elektrisk laddning ett batteri kan lagra. Det uttrycks vanligtvis i:

• Milliamp-timmar, eller mAh

• Amp-timmar, eller Ah

Konverteringen är:

1 Ah = 1000 mAh

En 3000 mAh-cell motsvarar en 3 Ah-cell.

Spänning

Spänning beskriver batteriets elektriska potential. Det uttrycks vanligtvis i volt.

För många standard litiumjon- och litiumpolymerceller är den nominella spänningen cirka 3,6 V eller 3,7 V. Det exakta värdet beror på cellkemin och tillverkarens specifikation.

Energi

Energi kombinerar spänning och kapacitet. Det uttrycks i wattimmar.

Energi (Wh) = Spänning (V) × Kapacitet (Ah)

En högre mAh-klassificering betyder inte alltid en högre total energi om batterispänningen är annorlunda.

Till exempel:

• 3,7 V × 2 Ah = 7,4 Wh

• 7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh

De två paketen har samma kapacitet i amperetimmar men olika energi eftersom deras spänningar är olika.

2. Hur serieanslutningar påverkar kapaciteten

När celler är seriekopplade ansluts den positiva terminalen på en cell till den negativa terminalen på nästa cell.

Serieanslutningar ökar spänningen.

För matchade celler kopplade i serie:

• Spänningen ökar

• Ah-kapaciteten förblir ungefär densamma

• Den totala energin ökar eftersom spänningen ökar

Exempel: 2S1P batteripaket

Antag att varje cell har:

• Nominell spänning: 3,7 V

• Kapacitet: 1000 mAh

Ett 2S1P-paket innehåller två celler i serie.

Paketspänning:

3,7 V × 2 = 7,4 V

Paketkapacitet:

1000 mAh

Pack energi:

7,4 V × 1 Ah = 7,4 Wh

Därför är ett 2S1P batteripaket ungefär:

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

Seriekonfigurationstabell

Dessa är nominella värden baserade på 3,7 V-celler. Fullladdningsspänningen är högre och måste beaktas vid val av laddare och skyddssystem.

3. Hur parallella anslutningar påverkar kapaciteten

När celler är parallellkopplade är deras positiva terminaler sammankopplade och deras negativa terminaler sammankopplade.

Parallella anslutningar ökar kapaciteten.

För matchade celler kopplade parallellt:

• Spänningen förblir ungefär densamma

• Ah kapaciteten ökar

• Nuvarande kapacitet kan öka

• Den totala energin ökar eftersom kapaciteten ökar

Exempel: 1S2P batteripaket

Antag att varje cell har:

• Nominell spänning: 3,7 V

• Kapacitet: 1000 mAh

Ett 1S2P-paket innehåller två celler parallellt.

Paketspänning:

3,7 V

Paketkapacitet:

1000 mAh × 2 = 2000 mAh

Pack energi:

3,7 V × 2 Ah = 7,4 Wh

Därför är ett 1S2P batteripaket ungefär:

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

Parallell konfigurationstabell

Parallella kapacitetsberäkningar förutsätter att cellerna har samma modell, kapacitet, kondition och elektriska egenskaper.

4. Hur man beräknar ett serieparallellt batteripaket

Ett serieparallellt batteripaket kombinerar båda anslutningsmetoderna.

De allmänna formlerna är:

Paketspänning = Cellspänning × S

Paketkapacitet = Cellkapacitet × P

Totalt antal celler = S × P

Där:

• S = antal celler i serie

• P = antal celler parallellt

Exempel: 2S2P batteripaket

Antag att varje cell har:

• Nominell spänning: 3,7 V

• Kapacitet: 1000 mAh

För ett 2S2P-paket:

Paketspänning:

3,7 V × 2 = 7,4 V

Paketkapacitet:

1000 mAh × 2 = 2000 mAh

Totalt antal celler:

2 × 2 = 4 celler

Pack energi:

7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh

Resultatet är:

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

Exempel: 3S2P batteripaket

Använder samma 3,7 V, 1000 mAh-celler:

Paketspänning:

3,7 V × 3 = 11,1 V

Paketkapacitet:

1000 mAh × 2 = 2000 mAh

Totalt antal celler:

3 × 2 = 6 celler

Pack energi:

11,1 V × 2 Ah = 22,2 Wh

Resultatet är:

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

För en bredare förklaring av hur dessa konfigurationer påverkar enhetskompatibilitet, se Serie kontra parallella batteripaket.

5. Hur man beräknar det nödvändiga parallella antalet

Om målkapaciteten och individuell cellkapacitet är kända, kan det erforderliga antalet parallella celler uppskattas med:

Parallellräkning = Målpaketkapacitet ÷ Cellkapacitet

Exempel: 7,4 V, 3000 mAh mål

Anta:

• Nominell målspänning: 7,4 V

• Målkapacitet: 3000 mAh

• Cellens nominella spänning: 3,7 V

• Cellkapacitet: 1500 mAh

Steg 1: Bestäm serieräkningen.

7,4 V ÷ 3,7 V = 2S

Steg 2: Bestäm parallellräkningen.

3000 mAh ÷ 1500 mAh = 2P

Den preliminära konfigurationen är:

2S2P

Totalt antal celler:

2 × 2 = 4 celler

Exempel: 11,1 V, 5000 mAh mål

Anta:

• Nominell målspänning: 11,1 V

• Målkapacitet: 5000 mAh

• Cellens nominella spänning: 3,7 V

• Cellkapacitet: 2500 mAh

Antal serier:

11,1 V ÷ 3,7 V = 3S

Parallellt antal:

5000 mAh ÷ 2500 mAh = 2P

Den preliminära konfigurationen är:

3S2P

Totalt antal celler:

3 × 2 = 6 celler

Denna beräkning ger en initial konfiguration. Den slutliga designen behöver fortfarande verifiera nuvarande efterfrågan, tillgängligt utrymme, cellurladdningskapacitet, skyddskrav och produktionsgenomförbarhet.

6. Hur man beräknar batteripaketets energi i Wh

Amp-timkapacitet är användbar för att jämföra batterier med samma spänning. Wattimmar är mer användbara när man jämför paket med olika spänningsnivåer.

Formeln är:

Packenergi (Wh) = Nominell packspänning (V) × Packkapacitet (Ah)

Exempel Jämförelse

mAh-värdet är detsamma i detta exempel, men den totala energin ändras med spänningen.

Det är därför OEM-team inte bör jämföra batteripaket med enbart mAh. När spänningen skiljer sig, jämför wattimmar också.

7. Nominell kapacitet kontra användbar kapacitet

Kapaciteten som skrivs ut på ett batteri är normalt en nominell eller nominell kapacitet mätt under specificerade testförhållanden.

Den faktiska användbara kapaciteten kan vara lägre på grund av:

• Urladdningsström

• Brytspänning

• Temperatur

• Cellernas åldrande

• Inre motstånd

• BMS-skyddsgränser

• Enhetens strömkonvertering

• Erforderlig reserv för livslängd

En enkel konceptuell formel är:

Användbar kapacitet ≈ Nominell kapacitet × Tillämplig reduktionsfaktor

Nedstämplingsfaktorn är inte ett universellt tal. Det måste upprättas enligt celldatabladet, urladdningsförhållanden och tillämpningskrav.

Till exempel kanske ett 2000 mAh-paket inte levererar exakt 2000 mAh i varje applikation om:

• Belastningen är hög;

• Enheten stannar innan cellen når sin lägsta spänning;

• Temperaturen är låg;

• Förpackningen har åldrats;

• BMS kopplar bort belastningen för skydd.

Förpackningen bör därför specificeras med båda:

• Nominell kapacitet

• Erforderlig användbar kapacitet under definierade förhållanden

8. Varför cellmatchning är viktig

Den grundläggande kapacitetsformeln förutsätter att alla celler är matchade.

Celler som används i samma förpackning bör vara kompatibla när det gäller:

• Kapacitet

• Spänning

• Inre motstånd

• Cellmodell

• Produktionsbatch

• Åldrande tillstånd

• Laddningsläge

Om celler har väsentligt olika egenskaper kan den svagaste cellen nå sin spänningsgräns tidigare än de andra. Detta kan minska den användbara kapaciteten för hela paketet och öka balanseringskraven.

För en djupare diskussion om cellinkonsekvens, se Varför litiumjonbatterier blir inkonsekventa och vad man ska göra.

I en OEM-specifikation är det bättre att definiera den nödvändiga cellmodellen och matchande krav snarare än att bara ange målbatterikapaciteten.

9. Hur cellkapaciteten påverkar förpackningsstorleken

En cell med högre kapacitet kan minska antalet parallella celler som behövs, men den kan också vara fysiskt större eller ha olika urladdningsegenskaper.

OEM-ingenjörer bör utvärdera:

• Celldimensioner

• Paketlayout

• Tillgängligt utrymme

• Målkapacitet

• Aktuell efterfrågan

• Vikt

• Termiska förhållanden

• Celltillgänglighet

Till exempel kan en 3000 mAh-cell tillåta ett mindre parallellantal än en 1500 mAh-cell. Men om 3000 mAh-cellen är för stor eller inte kan uppfylla den erforderliga strömmen kanske det inte är det bästa valet.

Kapacitetsberäkningen bör därför kombineras med mekanisk och elektrisk genomförbarhetsgranskning.

10. Exempel på kapacitetsberäkning för ett anpassat OEM-paket

Anta att en OEM-enhet kräver:

• Nominell spänning: cirka 7,4 V

• Målkapacitet: 4000 mAh

• Cellens nominella spänning: 3,7 V

• Cellkapacitet: 2000 mAh

Steg 1: Beräkna serieantalet.

7,4 V ÷ 3,7 V = 2S

Steg 2: Beräkna parallellantalet.

4000 mAh ÷ 2000 mAh = 2P

Steg 3: Beräkna totala cellantalet.

2S x 2P = 4 celler

Steg 4: Beräkna nominell energi.

7,4 V × 4 Ah = 29,6 Wh

Den preliminära förpackningsspecifikationen är:

2S2P, 7,4 V nominellt, 4000 mAh, cirka 29,6 Wh

Innan denna konfiguration godkänns bör OEM- och batteritillverkaren verifiera:

• Om cellerna kan leverera den erforderliga strömmen;

• Om paketet passar det tillgängliga utrymmet;

• Om ett BMS med balansering krävs;

• Huruvida laddaren är kompatibel;

• Huruvida kontakten och kablarna stödjer belastningen;

• Om målkapaciteten mäts under de erforderliga testförhållandena.

11. Vanliga beräkningsmisstag för batteripaketkapacitet

Misstag 1: Lägga till kapacitet i serier

Ett 2S1P-paket tillverkat av två 1000 mAh-celler är inte ett 2000 mAh-paket. Den är cirka 7,4 V och 1000 mAh.

Misstag 2: Ignorera den parallella räkningen

Om paketet använder flera parallella banor, måste kapaciteten multipliceras med antalet parallella celler.

Misstag 3: Jämföra mAh utan att jämföra spänning

Ett 2000 mAh-paket vid 3,7 V och ett 2000 mAh-paket på 7,4 V innehåller inte samma mängd energi.

Misstag 4: Att använda full laddningsspänning för energiberäkning

Nominell energi beräknas normalt med hjälp av nominell spänning, inte den maximala laddningsspänningen.

Misstag 5: Antag att nominell kapacitet är lika med användbar kapacitet

Faktisk användbar kapacitet beror på ström, temperatur, brytspänning, åldring och skyddsinställningar.

Misstag 6: Blanda olika cellmodeller

Celler med olika kapacitet, inre motstånd eller åldringsförhållanden bör inte kombineras slentrianmässigt i samma förpackning.

Misstag 7: Ignorera enhetens strömbehov

Enbart kapacitetsberäkning avgör inte körtid. Körtiden beror också på enhetens effekt och systemeffektivitet.

För den separata körtidsberäkningsmetoden, se Hur man beräknar körtid för ett litiumbatteri.

12. Checklista för kapacitetsberäkning för OEM-köpare

Innan du begär en offert på batteripaketet, bekräfta:

• Mål nominell spänning

• Minsta och maximala enhetsspänning

• Målkapacitet i mAh eller Ah

• Erforderlig användbar energi i Wh

• Cellens nominella spänning

• Cellklassad kapacitet

• Obligatoriskt antal serier

• Erforderlig parallellräkning

• Totalt antal celler

• Kontinuerlig ström

• Toppström

• Driftstemperatur

• Tillgängligt batteriutrymme

• Laddningsmetod

• BMS eller skyddskrav

• Kapacitetstestförhållanden

• Förväntad körtid

• Prototyp och produktionsmängd

Kapacitetssiffran ska alltid kopplas till ett definierat testvillkor. En offert som endast anger '4000 mAh batteripaket' är ofullständig om inte leverantören också identifierar spänning, cellmodell, konfiguration och mätförhållanden.

FAQ

Hur beräknar jag litiumjonbatteriets kapacitet?

Multiplicera kapaciteten hos en cell med antalet parallellkopplade celler. Till exempel ger fyra 1000 mAh-celler i en 2S2P-konfiguration cirka 2000 mAh kapacitet.

Ökar en seriekoppling batterikapaciteten?

Nej. En seriekoppling ökar spänningen. Kapaciteten i amperetimmar förblir normalt ungefär lika med kapaciteten för en parallell grupp.

Ökar en parallellkoppling batteriets kapacitet?

Ja. En parallellkoppling ökar ampere-timkapaciteten enligt antalet parallella celler.

Vilken kapacitet har ett 2S2P-batteri?

Om varje cell är klassad till 3,7 V och 1000 mAh, är ett 2S2P-paket cirka 7,4 V och 2000 mAh, med totalt fyra celler.

Hur beräknar jag batteripaketets wattimmar?

Multiplicera nominell packspänning med kapacitet i amperetimmar. Ett 7,4 V, 2 Ah-paket innehåller cirka 14,8 Wh nominell energi.

Är ett 3,7 V, 2000 mAh-batteri detsamma som ett 7,4 V, 2000 mAh-batteri?

Nej. 7,4 V, 2000 mAh-paketet innehåller ungefär två gånger den nominella energin av 3,7 V, 2000 mAh-paketet.

Varför är den faktiska batterikapaciteten lägre än det nominella värdet?

Resultatet kan påverkas av urladdningsström, temperatur, brytspänning, cellåldring, internt motstånd, BMS-inställningar och mätförhållanden.

Hur många celler behöver jag för ett anpassat batteripaket?

Det totala cellantalet är:

Totalt antal celler = Serieantal × Parallellantal

Den slutliga räkningen måste också uppfylla kraven på spänning, kapacitet, ström, storlek, vikt och skydd.

Slutsats

Att beräkna litiumjonbatteriets kapacitet börjar med att förstå skillnaden mellan serie- och parallellkopplingar.

Kärnformlerna är:

Paketspänning = Cellspänning × Serieantal

Paketkapacitet = Cellkapacitet × Parallellantal

Totalt antal celler = Serieantal × Parallellantal

Packenergi = Packspänning × Packkapacitet i Ah

Till exempel, med 3,7 V, 1000 mAh-celler:

• 1S1P = 3,7 V, 1000 mAh

• 2S1P = 7,4 V, 1000 mAh

• 1S2P = 3,7 V, 2000 mAh

• 2S2P = 7,4 V, 2000 mAh

Dessa beräkningar ger utgångspunkten för ett batteripaketdesign. Det slutliga batteriet måste fortfarande kontrolleras för aktuell efterfrågan, cellmatchning, användbar kapacitet, BMS-krav, mekanisk passning, laddningskompatibilitet och produktionsmöjlighet.

Om du utvecklar ett anpassat litiumjonbatteri, dela målspänning, kapacitet, strömbehov, tillgängligt utrymme, körtidskrav och förväntad kvantitet med ZERNE tekniska team. ZERNE tillhandahåller anpassade litiumbatteripaketlösningar för OEM- och ODM-projekt och kan hjälpa till att omvandla det initiala kapacitetsmålet till en praktisk batterikonfiguration.