Cách tính dung lượng bộ pin Lithium-Ion

Việc tính toán dung lượng của bộ pin lithium-ion đòi hỏi nhiều hơn việc cộng dung lượng được in trên mỗi ô.

Dung lượng cuối cùng phụ thuộc vào cách các ô được kết nối:

• Kết nối nối tiếp làm tăng điện áp.

• Kết nối song song tăng công suất amp-giờ.

• Cấu hình song song nối tiếp tăng cả điện áp và công suất.

Ví dụ: bốn ô 3,7 V, 1000 mAh có thể được sắp xếp theo nhiều cách khác nhau:

• 4S1P: khoảng 14,8 V, 1000 mAh

• 2S2P: khoảng 7,4 V, 2000 mAh

• 1S4P: khoảng 3,7 V, 4000 mAh

Do đó, cùng một số lượng tế bào có thể tạo ra các thông số kỹ thuật của bộ pin rất khác nhau.

Hướng dẫn này giải thích cách tính dung lượng pin lithium-ion bằng mAh, Ah và Wh. Nó cũng làm rõ sự khác biệt giữa công suất định mức và công suất sử dụng để các kỹ sư OEM có thể chuẩn bị thông số kỹ thuật pin chính xác hơn.

Để biết mối quan hệ rộng hơn giữa điện áp, công suất, BMS và thời gian chạy, hãy xem Thiết kế bộ pin Lithium-Ion: Điện áp, Công suất, BMS và Thời gian chạy.

Trả lời nhanh: Bạn tính dung lượng bộ pin như thế nào?

Đối với các ô phù hợp có cùng dung lượng:

Dung lượng gói tính bằng Ah

Dung lượng gói (Ah) = Dung lượng 1 cell (Ah) × Số lượng cell mắc song song

Dung lượng gói tính bằng mAh

Dung lượng gói (mAh) = Dung lượng 1 ô (mAh) × Số lượng nhóm ô song song

gói điện áp

Điện áp gói (V) = Điện áp di động danh nghĩa (V) × Số lượng tế bào trong chuỗi

Gói năng lượng

Năng lượng gói (Wh) = Điện áp gói (V) × Dung lượng gói (Ah)

Số lượng ô được kết nối nối tiếp được biểu thị bằng S . Số lượng ô kết nối song song được biểu thị bằng P.

Ví dụ:

• 2S1P có nghĩa là hai ô nối tiếp và một đường dẫn song song.

• 1S2P có nghĩa là một nhóm ô nối tiếp và hai ô song song.

• 3S2P có nghĩa là ba nhóm chuỗi có hai ô song song trong mỗi nhóm.

1. Hiểu rõ công suất, điện áp và năng lượng

Trước khi tính toán bộ pin, điều quan trọng là phải phân biệt ba giá trị cơ bản.

Dung tích

Dung lượng mô tả lượng điện tích mà pin có thể lưu trữ. Nó thường được thể hiện ở:

• Milliamp-giờ, hoặc mAh

• Amp-giờ, hoặc Ah

Việc chuyển đổi là:

1 A = 1000mAh

Một cell 3000 mAh tương đương với một cell 3 Ah.

Điện áp

Điện áp mô tả điện thế của pin. Nó thường được biểu thị bằng vôn.

Đối với nhiều pin lithium-ion và lithium-polymer tiêu chuẩn, điện áp danh định là khoảng 3,6 V hoặc 3,7 V. Giá trị chính xác phụ thuộc vào thành phần hóa học của pin và thông số kỹ thuật của nhà sản xuất.

Năng lượng

Năng lượng kết hợp điện áp và công suất. Nó được biểu thị bằng watt-giờ.

Năng lượng (Wh) = Điện áp (V) × Công suất (Ah)

Xếp hạng mAh cao hơn không phải lúc nào cũng có nghĩa là tổng năng lượng cao hơn nếu điện áp pin khác nhau.

Ví dụ:

• 3,7 V × 2 Ah = 7,4 Wh

• 7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh

Hai gói có cùng công suất amp-giờ nhưng năng lượng khác nhau vì điện áp của chúng khác nhau.

2. Kết nối nối tiếp ảnh hưởng đến công suất như thế nào

Khi các ô được mắc nối tiếp, cực dương của một ô sẽ kết nối với cực âm của ô tiếp theo.

Kết nối nối tiếp làm tăng điện áp.

Đối với các ô khớp được kết nối nối tiếp:

• Điện áp tăng

• Ah công suất vẫn xấp xỉ như nhau

• Tổng năng lượng tăng vì điện áp tăng

Ví dụ: Bộ pin 2S1P

Giả sử mỗi ô có:

• Điện áp danh định: 3,7 V

• Dung lượng: 1000 mAh

Gói 2S1P chứa hai ô nối tiếp.

Điện áp gói:

3,7V × 2 = 7,4V

Dung lượng gói:

1000 mAh

Gói năng lượng:

7,4 V × 1 Ah = 7,4 Wh

Do đó, bộ pin 2S1P xấp xỉ:

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

Bảng cấu hình dòng

Đây là các giá trị danh nghĩa dựa trên các ô 3,7 V. Điện áp sạc đầy cao hơn và phải được cân nhắc khi lựa chọn bộ sạc và hệ thống bảo vệ.

3. Kết nối song song ảnh hưởng đến dung lượng như thế nào

Khi các ô được kết nối song song, các cực dương của chúng được kết nối với nhau và các cực âm của chúng được kết nối với nhau.

Kết nối song song tăng dung lượng.

Đối với các ô phù hợp được kết nối song song:

• Điện áp gần như không đổi

• Ah công suất tăng

• Năng lực hiện tại có thể tăng lên

• Tổng năng lượng tăng vì công suất tăng

Ví dụ: Bộ pin 1S2P

Giả sử mỗi ô có:

• Điện áp danh định: 3,7 V

• Dung lượng: 1000 mAh

Gói 1S2P chứa hai ô song song.

Điện áp gói:

3,7 V

Dung lượng gói:

1000 mAh × 2 = 2000 mAh

Gói năng lượng:

3,7 V × 2 Ah = 7,4 Wh

Do đó, bộ pin 1S2P xấp xỉ:

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

Bảng cấu hình song song

Tính toán công suất song song giả định rằng các tế bào có cùng kiểu dáng, công suất, điều kiện và đặc tính điện.

4. Cách tính bộ pin song song nối tiếp

Bộ pin song song nối tiếp kết hợp cả hai phương thức kết nối.

Các công thức chung là:

Điện áp gói = Điện áp di động × S

Dung lượng gói = Dung lượng ô × P

Tổng số tế bào = S × P

Ở đâu:

• S = số ô trong chuỗi

• P = số ô song song

Ví dụ: Bộ pin 2S2P

Giả sử mỗi ô có:

• Điện áp danh định: 3,7 V

• Dung lượng: 1000 mAh

Đối với gói 2S2P:

Điện áp gói:

3,7V × 2 = 7,4V

Dung lượng gói:

1000 mAh × 2 = 2000 mAh

Tổng số ô:

2 × 2 = 4 ô

Gói năng lượng:

7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh

Kết quả là:

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

Ví dụ: Bộ pin 3S2P

Sử dụng cùng cell 3,7 V, 1000 mAh:

Điện áp gói:

3,7V × 3 = 11,1V

Dung lượng gói:

1000 mAh × 2 = 2000 mAh

Tổng số ô:

3 × 2 = 6 ô

Gói năng lượng:

11,1 V × 2 Ah = 22,2 Wh

Kết quả là:

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

Để có giải thích rộng hơn về cách các cấu hình này ảnh hưởng đến khả năng tương thích của thiết bị, hãy xem Bộ pin nối tiếp và song song.

5. Cách tính số lượng song song cần thiết

Nếu đã biết dung lượng mục tiêu và dung lượng ô riêng lẻ, số lượng ô song song cần thiết có thể được ước tính bằng:

Số lượng song song = Dung lượng gói mục tiêu Dung lượng ô

Ví dụ: Mục tiêu 7,4 V, 3000 mAh

Cho rằng:

• Điện áp danh định mục tiêu: 7,4 V

• Dung lượng mục tiêu: 3000 mAh

• Điện áp danh định của tế bào: 3,7 V

• Dung lượng tế bào: 1500 mAh

Bước 1: Xác định số chuỗi.

7,4V 3,7V = 2S

Bước 2: Xác định số lượng song song.

3000 mAh 1500 mAh = 2P

Cấu hình sơ bộ là:

2S2P

Tổng số ô:

2 × 2 = 4 ô

Ví dụ: Mục tiêu 11,1 V, 5000 mAh

Cho rằng:

• Điện áp danh định mục tiêu: 11,1 V

• Dung lượng mục tiêu: 5000 mAh

• Điện áp danh định của tế bào: 3,7 V

• Dung lượng tế bào: 2500 mAh

Số loạt:

11,1V 3,7V = 3S

Số lượng song song:

5000 mAh 2500 mAh = 2P

Cấu hình sơ bộ là:

3S2P

Tổng số ô:

3 × 2 = 6 ô

Tính toán này cung cấp một cấu hình ban đầu. Thiết kế cuối cùng vẫn cần xác minh nhu cầu hiện tại, không gian sẵn có, khả năng phóng điện của tế bào, yêu cầu bảo vệ và tính khả thi trong sản xuất.

6. Cách tính năng lượng của bộ pin theo Wh

Công suất amp-giờ rất hữu ích để so sánh pin có cùng điện áp. Watt-giờ hữu ích hơn khi so sánh các gói có mức điện áp khác nhau.

Công thức là:

Năng lượng gói (Wh) = Điện áp gói danh định (V) × Dung lượng gói (Ah)

So sánh ví dụ

Giá trị mAh giống nhau trong ví dụ này, nhưng tổng năng lượng thay đổi theo điện áp.

Đây là lý do tại sao nhóm OEM không nên so sánh các bộ pin chỉ sử dụng mAh. Khi điện áp khác nhau, hãy so sánh watt-giờ.

7. Công suất định mức so với công suất sử dụng được

Dung lượng được in trên pin thường là dung lượng định mức hoặc danh nghĩa được đo trong các điều kiện thử nghiệm quy định.

Công suất sử dụng thực tế có thể thấp hơn do:

• Dòng xả

• Điện áp cắt

• Nhiệt độ

• Lão hóa tế bào

• Kháng nội bộ

• Giới hạn bảo vệ BMS

• Chuyển đổi năng lượng thiết bị

• Dự trữ tuổi thọ cần thiết

Một công thức khái niệm đơn giản là:

Công suất hữu dụng ≈ Công suất định mức × Hệ số suy giảm áp dụng

Hệ số suy giảm không phải là một con số phổ quát. Nó phải được thiết lập theo bảng dữ liệu tế bào, điều kiện phóng điện và yêu cầu ứng dụng.

Ví dụ: gói 2000 mAh có thể không cung cấp chính xác 2000 mAh cho mọi ứng dụng nếu:

• Tải trọng cao;

• Thiết bị dừng trước khi tế bào đạt điện áp tối thiểu;

• Nhiệt độ thấp;

• Gói đã cũ;

• BMS ngắt kết nối tải để bảo vệ.

Do đó, gói phải được chỉ định bằng cả hai:

• Công suất định mức

• Công suất sử dụng cần thiết trong điều kiện xác định

8. Tại sao việc kết hợp ô lại quan trọng

Công thức dung lượng cơ bản giả định rằng tất cả các ô đều khớp.

Các tế bào được sử dụng trong cùng một gói phải tương thích về:

• Dung tích

• Điện áp

• Kháng nội bộ

• Mô hình tế bào

• Lô sản xuất

• tình trạng lão hóa

• Trạng thái sạc

Nếu các tế bào có các đặc điểm khác biệt đáng kể, tế bào yếu nhất có thể đạt đến giới hạn điện áp sớm hơn các tế bào khác. Điều này có thể làm giảm công suất sử dụng của gói hoàn chỉnh và tăng yêu cầu cân bằng.

Để thảo luận sâu hơn về tính không nhất quán của tế bào, hãy xem Tại sao bộ pin Lithium-Ion trở nên không nhất quán và phải làm gì.

Trong thông số kỹ thuật OEM, tốt hơn là xác định kiểu ô cần thiết và các yêu cầu phù hợp thay vì chỉ nêu rõ dung lượng pin mục tiêu.

9. Dung lượng tế bào ảnh hưởng đến kích thước gói như thế nào

Một ô có dung lượng cao hơn có thể giảm số lượng ô song song cần thiết, nhưng nó cũng có thể lớn hơn về mặt vật lý hoặc có các đặc tính phóng điện khác nhau.

Kỹ sư OEM nên đánh giá:

• Kích thước ô

• Bố cục gói

• Không gian có sẵn

• Công suất mục tiêu

• Nhu cầu hiện tại

• Cân nặng

• Điều kiện nhiệt

• Tính khả dụng của tế bào

Ví dụ: một ô 3000 mAh có thể cho phép số lượng song song nhỏ hơn một ô 1500 mAh. Tuy nhiên, nếu cell 3000 mAh quá lớn hoặc không đáp ứng được dòng điện yêu cầu thì đó có thể không phải là lựa chọn tốt nhất.

Do đó, việc tính toán công suất nên được kết hợp với việc xem xét tính khả thi về cơ và điện.

10. Ví dụ tính toán công suất cho gói OEM tùy chỉnh

Giả sử một thiết bị OEM yêu cầu:

• Điện áp danh định: khoảng 7,4 V

• Dung lượng mục tiêu: 4000 mAh

• Điện áp danh định của tế bào: 3,7 V

• Dung lượng tế bào: 2000 mAh

Bước 1: Tính số chuỗi.

7,4V 3,7V = 2S

Bước 2: Tính số song song.

4000 mAh 2000 mAh = 2P

Bước 3: Tính tổng số ô.

2S × 2P = 4 ô

Bước 4: Tính năng lượng danh nghĩa.

7,4 V × 4 Ah = 29,6 Wh

Thông số kỹ thuật gói sơ bộ là:

2S2P, 7,4 V danh nghĩa, 4000 mAh, khoảng 29,6 Wh

Trước khi cấu hình này được phê duyệt, OEM và nhà sản xuất pin phải xác minh:

• Liệu các tế bào có thể cung cấp dòng điện cần thiết hay không;

• Liệu gói có phù hợp với không gian có sẵn hay không;

• Liệu có cần BMS có cân bằng hay không;

• Bộ sạc có tương thích hay không;

• Liệu đầu nối và hệ thống dây điện có hỗ trợ tải hay không;

• Liệu công suất mục tiêu có được đo trong các điều kiện thử nghiệm được yêu cầu hay không.

11. Những lỗi tính toán dung lượng pin thường gặp

Sai lầm 1: Thêm công suất theo chuỗi

Gói 2S1P được làm từ hai ô 1000 mAh không phải là gói 2000 mAh. Nó xấp xỉ 7,4 V và 1000 mAh.

Sai lầm 2: Bỏ qua số lượng song song

Nếu gói sử dụng nhiều đường dẫn song song thì dung lượng phải được nhân với số ô song song.

Sai lầm 3: So sánh mAh mà không so sánh điện áp

Gói 2000 mAh ở 3,7 V và gói 2000 mAh ở 7,4 V không chứa cùng một lượng năng lượng.

Sai lầm 4: Sử dụng điện áp sạc đầy để tính toán năng lượng

Năng lượng danh nghĩa thường được tính bằng điện áp danh định, không phải điện áp sạc tối đa.

Sai lầm 5: Giả sử công suất định mức bằng công suất sử dụng được

Công suất sử dụng thực tế phụ thuộc vào cài đặt dòng điện, nhiệt độ, điện áp cắt, lão hóa và bảo vệ.

Sai lầm 6: Trộn các mô hình tế bào khác nhau

Không nên kết hợp các tế bào có công suất, điện trở trong hoặc điều kiện lão hóa khác nhau trong cùng một gói.

Sai lầm 7: Bỏ qua nhu cầu điện năng của thiết bị

Chỉ tính toán công suất không xác định được thời gian chạy. Thời gian chạy cũng phụ thuộc vào sức mạnh của thiết bị và hiệu quả của hệ thống.

Để biết phương pháp tính toán thời gian chạy riêng biệt, hãy xem Cách tính thời gian chạy cho bộ pin lithium.

12. Danh sách kiểm tra tính toán công suất cho người mua OEM

Trước khi yêu cầu báo giá bộ pin, hãy xác nhận:

• Điện áp danh định mục tiêu

• Điện áp thiết bị tối thiểu và tối đa

• Dung lượng mục tiêu tính bằng mAh hoặc Ah

• Năng lượng sử dụng cần thiết tính bằng Wh

• Điện áp danh định của tế bào

• Công suất định mức của tế bào

• Số sê-ri bắt buộc

• Số lượng song song bắt buộc

• Tổng số tế bào

• Dòng điện liên tục

• Dòng điện cực đại

• Nhiệt độ hoạt động

• Dung lượng pin có sẵn

• Phương pháp sạc

• BMS hoặc yêu cầu bảo vệ

• Điều kiện kiểm tra công suất

• Thời gian chạy dự kiến

• Nguyên mẫu và số lượng sản xuất

Số liệu công suất phải luôn được kết nối với điều kiện thử nghiệm xác định. Báo giá chỉ ghi rõ 'bộ pin 4000 mAh' là không đầy đủ trừ khi nhà cung cấp cũng xác định rõ điện áp, kiểu pin, cấu hình và điều kiện đo lường.

Câu hỏi thường gặp

Làm cách nào để tính toán dung lượng pin lithium-ion?

Nhân công suất của một ô với số ô được kết nối song song. Ví dụ: bốn ô 1000 mAh trong cấu hình 2S2P cung cấp dung lượng khoảng 2000 mAh.

Kết nối nối tiếp có làm tăng dung lượng pin không?

Không. Kết nối nối tiếp làm tăng điện áp. Công suất amp-giờ thường xấp xỉ bằng công suất của một nhóm song song.

Kết nối song song có làm tăng dung lượng pin không?

Đúng. Kết nối song song làm tăng công suất amp-giờ theo số lượng ô song song.

Dung lượng của bộ pin 2S2P là bao nhiêu?

Nếu mỗi ô được đánh giá ở mức 3,7 V và 1000 mAh thì gói 2S2P có mức điện áp xấp xỉ 7,4 V và 2000 mAh, có tổng cộng bốn ô.

Làm cách nào để tính số giờ của bộ pin?

Nhân điện áp danh nghĩa của gói với công suất tính bằng amp-giờ. Một gói 7,4 V, 2 Ah chứa khoảng 14,8 Wh năng lượng danh định.

Pin 3,7 V, 2000 mAh có giống pin 7,4 V, 2000 mAh không?

Không. Gói 7,4 V, 2000 mAh chứa khoảng gấp đôi năng lượng danh nghĩa của gói 3,7 V, 2000 mAh.

Tại sao dung lượng pin thực tế thấp hơn giá trị định mức?

Kết quả có thể bị ảnh hưởng bởi dòng phóng điện, nhiệt độ, điện áp cắt, lão hóa tế bào, điện trở trong, cài đặt BMS và điều kiện đo.

Tôi cần bao nhiêu cell cho một bộ pin tùy chỉnh?

Tổng số tế bào là:

Tổng số ô = Số lượng chuỗi × Số lượng song song

Số lượng cuối cùng cũng phải đáp ứng các yêu cầu về điện áp, công suất, dòng điện, kích thước, trọng lượng và bảo vệ.

Phần kết luận

Tính toán dung lượng bộ pin lithium-ion bắt đầu bằng việc hiểu sự khác biệt giữa kết nối nối tiếp và kết nối song song.

Các công thức cốt lõi là:

Điện áp gói = Điện áp di động × Số sê-ri

Dung lượng gói = Dung lượng ô × Số lượng song song

Tổng số ô = Số lượng chuỗi × Số lượng song song

Năng lượng gói = Điện áp gói × Dung lượng gói tính bằng Ah

Ví dụ: sử dụng pin 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

Những tính toán này cung cấp điểm khởi đầu cho việc thiết kế bộ pin. Pin cuối cùng vẫn phải được kiểm tra về nhu cầu hiện tại, mức độ phù hợp của tế bào, dung lượng sử dụng, yêu cầu BMS, độ vừa vặn cơ học, khả năng tương thích sạc và tính khả thi trong sản xuất.

Nếu bạn đang phát triển bộ pin lithium-ion tùy chỉnh, hãy chia sẻ điện áp mục tiêu, công suất, nhu cầu hiện tại, dung lượng trống, yêu cầu về thời gian chạy và số lượng dự kiến ​​với nhóm kỹ thuật ZERNE. ZERNE cung cấp các giải pháp gói pin lithium tùy chỉnh cho các dự án OEM và ODM, đồng thời có thể giúp chuyển đổi mục tiêu công suất ban đầu thành cấu hình pin thực tế.