Як розрахувати ємність літій-іонного акумулятора

Розрахунок ємності літій-іонної батареї вимагає не лише додавання ємності, надрукованої на кожній клітинці.

Кінцева ємність залежить від способу з'єднання клітин:

• Послідовне з'єднання підвищує напругу.

• Паралельні підключення збільшують потужність в ампер-годинах.

• Послідовно-паралельні конфігурації підвищують як напругу, так і ємність.

Наприклад, чотири елементи 3,7 В, 1000 мАг можна розташувати по-різному:

• 4S1P: приблизно 14,8 В, 1000 мАг

• 2S2P: приблизно 7,4 В, 2000 мАг

• 1S4P: приблизно 3,7 В, 4000 мАг

Тому однакова кількість елементів може виробляти дуже різні технічні характеристики акумуляторної батареї.

У цьому посібнику пояснюється, як розрахувати ємність літій-іонного акумулятора в мАг, Аг і Втг. Він також уточнює різницю між номінальною та корисною ємністю, щоб інженери-виробники комплектного обладнання могли підготувати більш точні характеристики батареї.

Для ширшого співвідношення між напругою, потужністю, BMS і часом роботи див Дизайн літій-іонної батареї: напруга, ємність, BMS і час роботи.

Швидка відповідь: як розрахувати ємність акумулятора?

Для відповідних комірок однакової місткості:

Ємність упаковки в Аг

Ємність упаковки (Ah) = Ємність однієї клітини (Ah) × Кількість паралельних клітинок

Ємність упаковки в мАг

Ємність упаковки (мА·год) = Ємність однієї комірки (мА·год) × кількість паралельних груп комірок

Напруга пакета

Напруга пакета (В) = Номінальна напруга елемента (В) × Кількість елементів у серії

Pack Energy

Енергія упаковки (Вт·год) = Напруга упаковки (В) × Ємність упаковки (А·год)

Кількість комірок, з’єднаних послідовно, позначається S . Кількість паралельно з’єднаних комірок позначається P.

Наприклад:

• 2S1P означає дві комірки послідовно та один паралельний шлях.

• 1S2P означає одну групу комірок послідовно та дві комірки паралельно.

• 3S2P означає три послідовні групи з двома паралельними комірками в кожній групі.

1. Зрозумійте ємність, напругу та енергію

Перш ніж розрахувати акумуляторну батарею, важливо розрізнити три основні значення.

Ємність

Ємність описує, скільки електричного заряду може зберігати акумулятор. Це зазвичай виражається в:

• Міліампер-години, або мАг

• Ампер-години, або Ah

Перетворення:

1 Ач = 1000 мАг

Елемент на 3000 мАг еквівалентний елементу на 3 Аг.

Напруга

Напруга описує електричний потенціал акумулятора. Його зазвичай виражають у вольтах.

Для багатьох стандартних літій-іонних і літій-полімерних елементів номінальна напруга становить приблизно 3,6 В або 3,7 В. Точне значення залежить від хімічного складу елемента та специфікацій виробника.

Енергія

Енергія поєднує в собі напругу і ємність. Виражається у ват-годинах.

Енергія (Вт·год) = Напруга (В) × Ємність (А·год)

Вищий показник у мАг не завжди означає більшу загальну енергію, якщо напруга акумулятора відрізняється.

Наприклад:

• 3,7 В × 2 А·год = 7,4 Вт·год

• 7,4 В × 2 А·год = 14,8 Вт·год

Дві батареї мають однакову ємність в ампер-годинах, але різну енергію через різну напругу.

2. Як послідовні з'єднання впливають на ємність

Коли комірки з’єднані послідовно, плюсова клема однієї комірки з’єднується з негативною клемою наступної комірки.

Послідовне з'єднання підвищує напругу.

Для відповідних комірок, з’єднаних послідовно:

• Напруга зростає

• Ємність залишається приблизно такою ж

• Загальна енергія збільшується, тому що напруга зростає

Приклад: акумулятор 2S1P

Припустимо, що кожна клітинка має:

• Номінальна напруга: 3,7 В

• Ємність: 1000 мАг

Упаковка 2S1P містить дві комірки послідовно.

Напруга пакета:

3,7 В × 2 = 7,4 В

Ємність упаковки:

1000 мАг

Енергія упаковки:

7,4 В × 1 А·год = 7,4 Вт·год

Отже, акумуляторна батарея 2S1P становить приблизно:

7,4 В, 1000 мАг, 7,4 Вт·год

Таблиця конфігурації серії

Це номінальні значення на основі елементів 3,7 В. Напруга повного заряду вища, і її слід враховувати при виборі зарядного пристрою та системи захисту.

3. Як паралельні з'єднання впливають на ємність

Коли комірки з’єднані паралельно, їх позитивні клеми з’єднані разом, а негативні – разом.

Паралельні з'єднання збільшують пропускну здатність.

Для відповідних комірок, з’єднаних паралельно:

• Напруга залишається приблизно однаковою

• Ємність збільшується

• Поточні можливості можуть збільшитися

• Загальна енергія збільшується, оскільки збільшується ємність

Приклад: акумулятор 1S2P

Припустимо, що кожна клітинка має:

• Номінальна напруга: 3,7 В

• Ємність: 1000 мАг

Пакет 1S2P містить дві комірки паралельно.

Напруга пакета:

3,7 В

Ємність упаковки:

1000 мАг × 2 = 2000 мАг

Енергія упаковки:

3,7 В × 2 А·год = 7,4 Вт·год

Таким чином, акумуляторна батарея 1S2P становить приблизно:

3,7 В, 2000 мАг, 7,4 Вт*год

Таблиця паралельної конфігурації

Паралельні розрахунки потужності припускають, що елементи мають однакову модель, потужність, стан і електричні характеристики.

4. Як розрахувати послідовно-паралельний акумулятор

Послідовно-паралельний акумулятор поєднує обидва способи підключення.

Загальні формули:

Напруга пакета = Напруга елемента × S

Ємність упаковки = Ємність комірки × П

Загальна кількість клітин = S × P

Де:

• S = кількість комірок у серії

• P = кількість комірок паралельно

Приклад: акумулятор 2S2P

Припустимо, що кожна клітинка має:

• Номінальна напруга: 3,7 В

• Ємність: 1000 мАг

Для пакета 2S2P:

Напруга пакета:

3,7 В × 2 = 7,4 В

Ємність упаковки:

1000 мАг × 2 = 2000 мАг

Загальна кількість комірок:

2 × 2 = 4 клітинки

Енергія упаковки:

7,4 В × 2 А·год = 14,8 Вт·год

Результат:

7,4 В, 2000 мАг, 14,8 Вт*год

Приклад: акумулятор 3S2P

Використання тих самих елементів 3,7 В, 1000 мАг:

Напруга пакета:

3,7 В × 3 = 11,1 В

Ємність упаковки:

1000 мАг × 2 = 2000 мАг

Загальна кількість комірок:

3 × 2 = 6 клітин

Енергія упаковки:

11,1 В × 2 А·год = 22,2 Вт·год

Результат:

11,1 В, 2000 мАг, 22,2 Вт*год

Для більш широкого пояснення того, як ці конфігурації впливають на сумісність пристрою, див Серія проти паралельних акумуляторних батарей.

5. Як обчислити необхідний паралельний рахунок

Якщо цільова ємність і ємність окремої комірки відомі, необхідну кількість паралельних комірок можна оцінити за допомогою:

Паралельний підрахунок = Ємність цільової упаковки ÷ Ємність клітини

Приклад: 7,4 В, 3000 мАг Ціль

Припустимо:

• Цільова номінальна напруга: 7,4 В

• Цільова ємність: 3000 мАг

• Номінальна напруга елемента: 3,7 В

• Ємність елемента: 1500 мАг

Крок 1. Визначте кількість серій.

7,4 В ÷ 3,7 В = 2S

Крок 2: Визначте паралельний рахунок.

3000 мАг ÷ 1500 мАг = 2P

Попередня конфігурація:

2S2P

Загальна кількість комірок:

2 × 2 = 4 клітинки

Приклад: 11,1 В, цільова ємність 5000 мАг

Припустимо:

• Цільова номінальна напруга: 11,1 В

• Цільова ємність: 5000 мАг

• Номінальна напруга елемента: 3,7 В

• Ємність елемента: 2500 мАг

Кількість серій:

11,1 В ÷ 3,7 В = 3S

Паралельний рахунок:

5000 мАг ÷ 2500 мАг = 2P

Попередня конфігурація:

3S2P

Загальна кількість комірок:

3 × 2 = 6 клітин

Цей розрахунок забезпечує початкову конфігурацію. Остаточний проект все ще потребує перевірки поточного попиту, доступного простору, здатності розряджати клітини, вимог до захисту та можливості виробництва.

6. Як розрахувати енергію акумулятора у Вт-год

Ємність в ампер-годинах корисна для порівняння акумуляторів з однаковою напругою. Ватт-години більш корисні, якщо порівнювати пакети з різними рівнями напруги.

Формула така:

Енергія упаковки (Вт·год) = Номінальна напруга упаковки (В) × Ємність упаковки (А·год)

Приклад Порівняння

У цьому прикладі значення мАг однакове, але загальна енергія змінюється залежно від напруги.

Ось чому команди OEM не повинні порівнювати акумулятори, використовуючи лише мАг. Якщо напруга відрізняється, порівняйте також ват-години.

7. Номінальна ємність проти корисної ємності

Ємність, надрукована на батареї, зазвичай є номінальною або номінальною ємністю, виміряною за певних умов випробування.

Фактична корисна ємність може бути нижчою через:

• Струм розряду

• Напруга відсічення

• температура

• Старіння клітини

• Внутрішній опір

• Межі захисту BMS

• Перетворення потужності пристрою

• Необхідний запас ресурсу

Проста концептуальна формула:

Корисна потужність ≈ Номінальна потужність × Застосований коефіцієнт зниження

Коефіцієнт зниження не є універсальним числом. Він повинен бути встановлений відповідно до таблиці даних клітини, умов розряду та вимог до застосування.

Наприклад, акумулятор ємністю 2000 мАг може не забезпечити точно 2000 мАг у кожному застосуванні, якщо:

• Навантаження висока;

• Пристрій зупиняється до того, як елемент досягає мінімальної напруги;

• Температура низька;

• Пачка постаріла;

• BMS відключає навантаження для захисту.

Таким чином, пакет повинен бути вказаний з обома:

• Номінальна потужність

• Необхідна корисна ємність за визначених умов

8. Чому зіставлення клітинок має значення

Основна формула ємності передбачає, що всі комірки збігаються.

Клітини, що використовуються в одній упаковці, повинні бути сумісними з точки зору:

• Ємність

• Напруга

• Внутрішній опір

• Модель клітини

• Виробнича партія

• Стан старіння

• Стан заряду

Якщо клітини мають істотно різні характеристики, найслабша клітина може досягти своєї межі напруги раніше, ніж інші. Це може зменшити корисну ємність усієї упаковки та збільшити вимоги до балансування.

Для більш глибокого обговорення неузгодженості клітин див Чому літій-іонні акумулятори стають несумісними і що робити.

У специфікації OEM краще визначити необхідну модель елемента та відповідні вимоги, а не лише вказувати цільову ємність акумулятора.

9. Як ємність клітини впливає на розмір упаковки

Осередок більшої ємності може зменшити кількість необхідних паралельних осередків, але він також може бути фізично більшим або мати інші характеристики розряду.

Інженери OEM повинні оцінити:

• Розміри комірки

• Макет упаковки

• Доступна площа

• Цільова ємність

• Поточний попит

• вага

• Термічні умови

• Доступність стільникового зв'язку

Наприклад, елемент на 3000 мАг може дозволити менший паралельний підрахунок, ніж елемент на 1500 мАг. Однак, якщо елемент на 3000 мАг занадто великий або не може забезпечити необхідний струм, він може бути не найкращим вибором.

Таким чином, розрахунок потужності слід поєднувати з техніко-технічним аналізом механічної та електричної потужності.

10. Приклад розрахунку ємності для спеціального OEM-пакета

Припустімо, що пристрій OEM потребує:

• Номінальна напруга: приблизно 7,4 В

• Цільова ємність: 4000 мАг

• Номінальна напруга елемента: 3,7 В

• Ємність елемента: 2000 мАг

Крок 1: обчисліть кількість серій.

7,4 В ÷ 3,7 В = 2S

Крок 2: обчисліть паралельний рахунок.

4000 мАг ÷ 2000 мАг = 2P

Крок 3: Обчисліть загальну кількість клітин.

2S × 2P = 4 клітинки

Крок 4: Обчисліть номінальну енергію.

7,4 В × 4 А·год = 29,6 Вт·год

Попередня специфікація упаковки:

2S2P, номінал 7,4 В, 4000 мА·год, приблизно 29,6 Вт·год

Перш ніж затвердити цю конфігурацію, виробник обладнання та батареї повинні перевірити:

• Чи можуть клітини забезпечити необхідний струм;

• Чи підходить рюкзак до доступного простору;

• Чи потрібна BMS з балансуванням;

• Чи сумісний зарядний пристрій;

• Чи витримують роз'єм і проводка навантаження;

• Чи вимірюється цільова ємність за необхідних умов випробування.

11. Поширені помилки розрахунку ємності акумулятора

Помилка 1: додавання ємності послідовно

Батарея 2S1P, яка складається з двох елементів ємністю 1000 мАг, не є батарею 2000 мАг. Це приблизно 7,4 В і 1000 мАг.

Помилка 2: ігнорування паралельного підрахунку

Якщо пакет використовує кілька паралельних шляхів, ємність потрібно помножити на кількість паралельних комірок.

Помилка 3: порівняння мАг без порівняння напруги

Акумулятор ємністю 2000 мАг при напрузі 3,7 В і блок ємністю 2000 мАг при напрузі 7,4 В не містять однакову кількість енергії.

Помилка 4: використання напруги повного заряду для розрахунку енергії

Номінальна енергія зазвичай розраховується з використанням номінальної напруги, а не максимальної напруги заряджання.

Помилка 5: припускати, що номінальна ємність дорівнює корисній ємності

Фактична корисна ємність залежить від струму, температури, напруги відключення, старіння та налаштувань захисту.

Помилка 6: змішування різних моделей клітин

Елементи з різною ємністю, внутрішнім опором або умовами старіння не слід випадково поєднувати в одній упаковці.

Помилка 7: Ігнорування потреби пристрою в потужності

Сам по собі розрахунок потужності не визначає час роботи. Час роботи також залежить від потужності пристрою та ефективності системи.

Окремий метод розрахунку часу виконання див Як розрахувати час роботи літієвої батареї.

12. Контрольний список для розрахунку потужності для покупців OEM

Перш ніж запитувати пропозицію акумулятора, підтвердьте:

• Цільова номінальна напруга

• Мінімальна і максимальна напруга пристрою

• Цільова ємність у мАг або Аг

• Необхідна корисна енергія у Вт·год

• Номінальна напруга комірки

• Номінальна ємність клітини

• Необхідна кількість серій

• Необхідний паралельний підрахунок

• Загальна кількість клітин

• Безперервний струм

• Піковий струм

• Робоча температура

• Доступне місце для акумулятора

• Спосіб зарядки

• BMS або вимоги до захисту

• Умови перевірки ємності

• Очікуваний час виконання

• Прототип і кількість виробництва

Показник потужності завжди повинен бути пов’язаний із визначеною умовою випробування. Пропозиція, у якій зазначено лише «акумулятор ємністю 4000 мАг», є неповною, якщо постачальник також не вкаже напругу, модель елемента, конфігурацію та умови вимірювання.

FAQ

Як розрахувати ємність літій-іонного акумулятора?

Помножте ємність однієї клітини на кількість паралельно з’єднаних клітин. Наприклад, чотири елементи на 1000 мАг у конфігурації 2S2P забезпечують приблизно 2000 мАг.

Чи збільшує послідовне з'єднання ємність акумулятора?

Послідовне з’єднання підвищує напругу. Ємність в ампер-годинах зазвичай залишається приблизно рівною ємності однієї паралельної групи.

Паралельне підключення збільшує ємність акумулятора?

так Паралельне підключення збільшує ємність в ампер-годинах відповідно до кількості паралельних комірок.

Яка ємність акумулятора 2S2P?

Якщо кожна комірка розрахована на 3,7 В і 1000 мАг, пакет 2S2P має приблизно 7,4 В і 2000 мАг із чотирма елементами.

Як розрахувати кількість ват-годин акумулятора?

Помножте номінальну напругу акумулятора на ємність в ампер-годинах. Блок живлення 7,4 В, 2 А·год містить приблизно 14,8 Вт·год номінальної енергії.

Акумулятор 3,7 В, 2000 мАг – це те саме, що акумулятор 7,4 В, 2000 мАг?

Ні. Батарея 7,4 В, 2000 мАг містить приблизно вдвічі більше номінальної енергії, ніж батарея 3,7 В, 2000 мАг.

Чому фактична ємність акумулятора нижча за номінальну?

На результат може вплинути струм розряду, температура, напруга відключення, старіння елемента, внутрішній опір, налаштування BMS та умови вимірювання.

Скільки елементів мені потрібно для індивідуальної батареї?

Загальна кількість клітин:

Загальна кількість клітинок = кількість серій × кількість паралельних клітинок

Остаточний підрахунок також повинен задовольняти вимогам щодо напруги, ємності, струму, розміру, ваги та захисту.

Висновок

Розрахунок ємності літій-іонного акумулятора починається з розуміння різниці між послідовним і паралельним підключенням.

Основні формули:

Напруга пакета = Напруга елемента × кількість серій

Ємність упаковки = Ємність комірок × Паралельна кількість

Загальна кількість клітинок = кількість серій × кількість паралельних клітинок

Енергія упаковки = Напруга упаковки × Ємність упаковки в Аг

Наприклад, використовуючи елементи 3,7 В, 1000 мАг:

• 1S1P = 3,7 В, 1000 мАг

• 2S1P = 7,4 В, 1000 мАг

• 1S2P = 3,7 В, 2000 мАг

• 2S2P = 7,4 В, 2000 мАг

Ці розрахунки є відправною точкою для конструкції акумуляторної батареї. Остаточна батарея все ще повинна бути перевірена на поточний попит, відповідність елементів, корисну ємність, вимоги BMS, механічну підгонку, сумісність заряджання та доцільність виробництва.

Якщо ви розробляєте індивідуальну літій-іонну батарею, поділіться цільовою напругою, ємністю, струмом, доступним простором, вимогами до часу роботи та очікуваною кількістю з технічною командою ZERNE. ZERNE пропонує індивідуальні літієві акумуляторні батареї для проектів OEM та ODM і може допомогти перетворити початкову цільову ємність у практичну конфігурацію батареї.