Ti sei mai chiesto cosa alimenta il tuo veicolo elettrico Tesla o BYD? Poiché le auto elettriche diventano sempre più comuni nella nostra vita quotidiana, termini come “cella della batteria,” “modulo,” E “pacchetto” appaiono frequentemente. Ma cosa significano esattamente questi termini?, e come interagiscono per alimentare il tuo veicolo elettrico?
Immaginatelo come costruire con i mattoncini LEGO: inizi con i singoli blocchi (celle della batteria), combinarli in sezioni più piccole (moduli batteria), e infine creare una struttura completa (pacco batteria). Così come ogni pezzo LEGO gioca un ruolo cruciale nella creazione finale, ogni livello del sistema batteria ha uno scopo specifico nell'alimentare il tuo veicolo elettrico.
Ora diamo uno sguardo più approfondito alla cella della batteria, modulo e confezione, così come la connessione e la differenza tra loro.
Sommario
Cos'è la cella della batteria?
Una cella della batteria è l'unità funzionale più elementare di una batteria agli ioni di litio. Osservando la sua struttura, ciascuna cella della batteria contiene cinque componenti chiave: un elettrodo positivo (catodo), un elettrodo negativo (anodo), elettrolita, separatore, e involucro. Il catodo e l'anodo sono i luoghi in cui vengono immagazzinati gli ioni di litio – il materiale del catodo può essere ossido di litio cobalto (LCO), nichel-cobalto-manganese (NCM), o litio ferro fosfato (LFP), mentre l'anodo è tipicamente costituito da materiali di grafite. L'elettrolita funge da percorso per il movimento degli ioni di litio. Il separatore ha un duplice ruolo: impedisce il contatto diretto tra gli elettrodi positivo e negativo consentendo il passaggio degli ioni di litio. Finalmente, l'involucro fornisce protezione fisica e sigillatura per l'intera cella della batteria.
Le celle della batteria agli ioni di litio sono disponibili in tre formati principali: cilindrico, prismatico, e celle a sacchetto.
Cella della batteria cilindrica
Le celle della batteria cilindrica sono state le prime batterie agli ioni di litio a raggiungere la produzione di massa. Sono realizzati avvolgendo il catodo, anodo, e separatore in un ordine specifico in una forma cilindrica e quindi alloggiandolo in un involucro metallico. Le dimensioni più comuni oggi sul mercato includono 18650 (18diametro mm, 65lunghezza mm, con una capacità di circa 2,2-3,4Ah), 21700 (21diametro mm, 70lunghezza mm, con una capacità di circa 4,0-5,0 Ah), e il più recente 4680 (46diametro mm, 80lunghezza mm). Grazie alla loro eccellente affidabilità e ai vantaggi in termini di costi, le celle cilindriche della batteria sono ampiamente utilizzate negli utensili elettrici, dispositivi portatili, e veicoli elettrici – con Tesla che è uno dei maggiori utilizzatori di celle di batterie cilindriche.
Vantaggi delle batterie cilindriche
1. Il loro processo di produzione è il più maturo e altamente automatizzato, portando a notevoli vantaggi in termini di costi e ad una qualità costante del prodotto.
2. La forma cilindrica garantisce una distribuzione uniforme delle sollecitazioni quando è sotto pressione interna, fornendo un'eccellente resistenza meccanica.
3. Elevato grado di standardizzazione – i prodotti di diversi produttori sono intercambiabili.
4. Ampio rapporto superficie/volume, che li rende migliori nella dissipazione del calore.
Svantaggi delle batterie cilindriche
1. Il problema più notevole è la loro bassa efficienza spaziale. Le forme cilindriche creano naturalmente degli spazi vuoti se imballate in spazi rettangolari, con conseguente spazio sprecato.
2. A causa della loro capacità individuale relativamente piccola, la creazione di un sistema di batterie ad alta capacità richiede il collegamento di molte celle della batteria in serie e in parallelo. Ciò aumenta il numero di punti di connessione e rende il montaggio più complesso.
3. Le celle della batteria cilindriche hanno in genere una densità di energia inferiore rispetto alle celle a sacchetto, che ne limita in qualche modo l'uso in applicazioni che richiedono un'elevata densità di energia.
4. Le loro dimensioni fisse limitano la flessibilità di progettazione, rendendo difficile ottimizzare le forme delle batterie per applicazioni specifiche.
Cella della batteria prismatica
Le celle della batteria prismatiche utilizzano custodie rigide in alluminio o acciaio per l'alloggiamento, con strutture interne realizzate mediante processi di avvolgimento o impilamento. Come formato di batteria tradizionale, le celle prismatiche offrono dimensioni relativamente flessibili e capacità individuali maggiori, da 20Ah a 314Ah, alcuni produttori producono anche celle della batteria da 560 Ah. Attualmente, le celle prismatiche sono utilizzate principalmente nei veicoli elettrici, veicoli elettrici commerciali, e sistemi di accumulo dell'energia. I principali produttori di batterie come BYD, CATL e CALVO sono cellule prismatiche che producono in serie.
Vantaggi delle celle della batteria prismatiche
1. La struttura rettangolare garantisce un migliore utilizzo dello spazio, contribuendo ad aumentare la densità energetica dei pacchi batteria.
2. Le ampie superfici di contatto delle celle prismatiche facilitano la dissipazione del calore, che è vantaggioso per la gestione termica della batteria.
3. Una maggiore capacità delle singole celle significa meno collegamenti in serie e in parallelo rispetto alle celle cilindriche, semplificare la progettazione del sistema.
4. Le ampie superfici piane rendono più comodo il montaggio e l'assemblaggio della batteria.
Svantaggi delle celle della batteria prismatiche
1. Rispetto alle celle cilindriche, le celle prismatiche hanno costi di produzione più elevati e richiedono processi di produzione più rigorosi.
2. A causa della loro struttura interna, le celle prismatiche tendono a gonfiarsi leggermente durante i cicli di carica e scarica, che richiedono spazio aggiuntivo e vincoli aggiuntivi nella progettazione meccanica.
3. Le specifiche delle celle prismatiche variano in modo significativo tra i diversi produttori del settore, rendendo difficile lo scambio tra marchi diversi.
Cella a sacchetto
Le celle a sacchetto utilizzano una pellicola di alluminio-plastica come involucro esterno, tipicamente con una struttura interna impilata. La pellicola in alluminio-plastica è costituita da più strati di materiali compositi compreso il nylon, foglio di alluminio, e polipropilene, rendendolo leggero ed economico. Nell'elettronica di consumo, le celle a sacchetto sono disponibili in varie dimensioni e capacità per soddisfare i diversi requisiti di prodotto – Per esempio, le batterie degli smartphone hanno in genere una capacità di 3-4 Ah, mentre le batterie dei laptop possono raggiungere 5-8Ah. Attualmente, le celle a sacchetto vengono utilizzate principalmente nell'elettronica di consumo (come gli smartphone, compresse, e laptop) e dispositivi elettronici portatili.
Vantaggi delle celle a sacchetto
1. Grazie al loro involucro leggero in pellicola di alluminio-plastica, hanno un'elevata densità di energia gravimetrica (energia per unità di peso).
2. Le celle a sacchetto offrono una grande flessibilità di progettazione, consentendo la personalizzazione di dimensioni e forma per diverse applicazioni.
3. La struttura interna impilata crea uno stretto contatto tra gli strati conduttivi, con conseguente bassa resistenza interna e buone prestazioni di velocità.
4. Durante la fuga termica, le cellule della sacca tendono a rilasciare la pressione interna attraverso gonfiore e deformazione, piuttosto che un violento fallimento esplosivo.
Svantaggi delle celle a sacchetto
1. L'involucro in pellicola di alluminio-plastica ha una resistenza meccanica relativamente bassa ed è vulnerabile ai danni esterni, che richiedono componenti strutturali aggiuntivi per la protezione.
2. Le celle a sacchetto richiedono condizioni di produzione altamente controllate, essendo particolarmente sensibile all'umidità. Il processo di sigillatura deve essere eseguito in un ambiente asciutto rigorosamente controllato.
3. È necessaria particolare attenzione durante lo stoccaggio e il trasporto per prevenire l'esposizione all'umidità e la pressione fisica, che aumenta i costi logistici.
4. Le celle a sacchetto hanno in genere tassi di rendimento di produzione inferiori rispetto alle batterie con custodia rigida, il che incide in qualche modo sulla loro competitività in termini di costi.
Cos'è il modulo batteria?
Dopo aver introdotto l'unità più piccola – la cella della batteria – esploriamo il livello successivo in un sistema a batteria: il modulo batteria. Un modulo batteria è un'unità funzionale realizzata collegando più celle della batteria in serie e in parallelo. Comprende non solo le celle stesse della batteria, ma anche i collegamenti elettrici di base e le funzioni di protezione di sicurezza. In poche parole, se le celle della batteria sono come mattoni, quindi un modulo batteria è l'unità strutturale di base composta da questi blocchi.
I moduli batteria svolgono un ruolo intermedio cruciale nel sistema batteria complessivo. Attraverso opportuni collegamenti in serie, possono aumentare la tensione di una singola cella della batteria (tipicamente 3,2-3,7 V) ai livelli richiesti (come 48 V o superiore). Le connessioni parallele aumentano la capacità e le capacità di potenza in uscita. Oltre a migliorare le prestazioni elettriche, La progettazione del modulo batteria deve affrontare molteplici sfide tecniche, incluso il bilanciamento delle celle della batteria, controllo della temperatura, e supporto strutturale.
Una conoscenza approfondita dei moduli batteria è essenziale per la progettazione e l'applicazione dell'intero sistema batteria. Se desideri saperne di più sui moduli batteria, sentitevi liberi di leggere il nostro articolo dedicato: cos'è un modulo batteria?. Questo articolo fornisce informazioni più dettagliate sui moduli batteria.
Comprendendo sia le celle della batteria che i moduli della batteria, abbiamo gettato le basi per esplorare il funzionamento dei pacchi batteria e le loro caratteristiche di progettazione. Un pacco batteria integra più moduli batteria per formare un sistema completo di accumulo di energia. Continuiamo con la conoscenza dei pacchi batteria.
Cos'è il pacco batteria?
Un pacco batteria è un'unità di accumulo di energia di livello superiore rispetto a un modulo batteria. Più moduli batteria sono collegati in serie e in parallelo attraverso sistemi di sbarre accuratamente progettati per ottenere i livelli di tensione e capacità richiesti. Tuttavia, un pacco batteria non è solo una semplice combinazione di moduli batteria – è un sistema complesso. Un sistema completo di batterie include principalmente: una serie di moduli batteria, un sistema di gestione della batteria (BMS), un sistema di gestione termica (TMS), un'unità di distribuzione ad alta tensione, un sistema di sostegno strutturale, e vari sensori.
Le configurazioni del pacco batteria variano in modo significativo a seconda della loro applicazione. Nei veicoli elettrici, le tensioni del pacco batteria variano generalmente da 300 a 400 V (con alcuni modelli di fascia alta che utilizzano sistemi a 800 V), e le capacità vanno da 30kWh a 100kWh. I veicoli elettrici commerciali potrebbero richiedere progetti di capacità ancora maggiore. Mentre nelle applicazioni di accumulo di energia, la gamma si estende da pochi kWh per lo stoccaggio energetico domestico a centinaia di MWh per lo stoccaggio a livello di rete.
BMS
Il sistema di gestione della batteria (BMS) agisce come il “cervello” del pacco batteria. Deve monitorare e gestire vari parametri operativi in tempo reale per garantire un funzionamento sicuro ed efficiente del sistema. Un BMS completo include in genere un controller master e più controller slave, formare una struttura gerarchica di gestione. Il controller principale gestisce la gestione e il processo decisionale a livello di sistema, mentre i controller slave lavorano a livello di modulo per raccogliere dati più dettagliati.
Il compito principale del BMS è garantire la sicurezza del sistema batteria. Lo fa monitorando la tensione, attuale, temperatura, e altri parametri in tempo reale per verificare che la batteria funzioni entro limiti di sicurezza. Se viene rilevata qualsiasi anomalia, il BMS adotta immediatamente misure di protezione, come scollegare il circuito ad alta tensione o attivare il sistema di raffreddamento. Inoltre, il BMS gestisce il controllo della precarica, aumento graduale dell'alta tensione attraverso un circuito di precarica durante l'avvio del sistema per evitare danni ai componenti dovuti a picchi di corrente.
Il bilanciamento delle celle della batteria è un’altra funzione cruciale del BMS. Durante il funzionamento del pacco batteria, le singole celle della batteria possono sviluppare differenze di stato dovute a variazioni di produzione e diverse condizioni operative. Il BMS utilizza tecniche di bilanciamento attivo o passivo per regolare lo stato di carica delle singole celle della batteria, garantendo che rimangano coerenti. Ciò è vitale per massimizzare la durata e le prestazioni della batteria.
Anche la stima accurata della carica è un compito chiave del BMS. A differenza degli indicatori di carburante nei veicoli tradizionali, stima dello stato di carica (SOC) e l’autonomia rimanente nei veicoli elettrici è molto più complessa. Il BMS deve considerare molteplici fattori, incluso lo stato della batteria in tempo reale, dati storici sull'utilizzo, temperatura ambiente, e condizioni di guida per costruire modelli di stima accurati. Contemporaneamente, valuta lo stato di salute della batteria (SOH) e prevede le tendenze di degrado della capacità, fornire informazioni importanti agli utenti e al personale di manutenzione.
Sistema di gestione termica
Il sistema di gestione termica (TMS) è fondamentale per garantire le prestazioni e la sicurezza della batteria. Le batterie al litio generano un calore significativo durante il funzionamento, che se non dissipato tempestivamente, può non solo influenzare le prestazioni ma anche portare a problemi di sicurezza. Le attuali soluzioni tradizionali di gestione termica includono: sistemi di raffreddamento dell'aria, sistemi di raffreddamento a liquido, e sistemi di raffreddamento dei materiali a cambiamento di fase. Nei veicoli elettrici, i sistemi di raffreddamento a liquido stanno diventando la scelta dominante grazie alla loro eccellente dissipazione del calore ed efficienza dello spazio. Per sistemi di accumulo dell'energia, È possibile utilizzare diverse soluzioni di raffreddamento a seconda dei requisiti di capacità e dell'ambiente operativo. Un sistema completo di gestione termica deve considerare non solo il raffreddamento ma anche il riscaldamento in ambienti freddi – questo è essenziale per mantenere le prestazioni di carica/scarica e la longevità della batteria.
Protezione della sicurezza
La protezione della sicurezza è un fattore critico nella progettazione del pacco batteria. I pacchi batteria richiedono più meccanismi di protezione di sicurezza, compreso: sicurezza elettrica, protezione contro la fuga termica, e sicurezza strutturale. Per la sicurezza elettrica, il pacco deve essere dotato di dispositivi di disconnessione dell'alta tensione, monitoraggio dell'isolamento, e protezione contro il sovraccarico e lo scaricamento eccessivo. Per la protezione dalle fughe termiche, la progettazione deve prevedere barriere alla propagazione termica, sistemi di allarme, e dispositivi di limitazione della pressione. Per quanto riguarda la sicurezza strutturale, la confezione deve essere progettata per resistere all'acqua, protezione dalla polvere, resistenza alle vibrazioni, e protezione dagli urti. In particolare nelle applicazioni automobilistiche, i pacchi batteria devono soddisfare rigorosi standard di sicurezza in caso di incidente.
Applicazioni
I pacchi batteria hanno priorità di progettazione diverse per diverse applicazioni.
Nei veicoli elettrici, L'abbinamento del pacco batteria con l'intero sistema del veicolo è un processo complesso. Per prima cosa viene l’integrazione meccanica – il pacco batteria deve essere altamente integrato con la carrozzeria del veicolo, soddisfare sia i requisiti di spazio che garantire resistenza strutturale e sicurezza in caso di incidente. Poi c’è l’integrazione elettrica, che richiedono il coordinamento con i sistemi ad alta tensione e di ricarica del veicolo. Poi c’è l’integrazione della gestione termica, che deve funzionare con il sistema di climatizzazione del veicolo per un controllo efficiente della temperatura. Finalmente, devono essere considerati fattori come la distribuzione del peso del veicolo e il controllo dei costi. I veicoli passeggeri elettrici utilizzano tipicamente a “skateboard” progetto, integrazione del pacco batteria sotto il telaio – questo abbassa il baricentro per una migliore manovrabilità e massimizza l'utilizzo dello spazio del veicolo.
Nelle applicazioni di accumulo di energia, Le priorità di progettazione del pacco batteria differiscono dalle applicazioni dei veicoli elettrici. Rispetto all'uso dei veicoli elettrici, i pacchi batteria per l'accumulo di energia si concentrano maggiormente sulla scalabilità del sistema, ciclo di vita, ed efficienza in termini di costi, pur avendo requisiti più rilassati per densità di potenza e vincoli di volume. Le grandi stazioni di stoccaggio dell’energia utilizzano in genere progetti basati su container, combinando organicamente più sistemi di batterie con sistemi di protezione antincendio e di controllo ambientale indipendenti. Inoltre, i pacchi batteria di accumulo dell'energia richiedono sistemi di gestione dell'energia specializzati (SME) per ottimizzare le strategie di carica/scarica, migliorare l’economia del sistema, e ridurre i costi operativi.
Differenze tra le celle della batteria, Modulo e pacchetto
La relazione tra le celle della batteria, moduli, e i pacchi non sono solo un semplice processo di impilamento, ma piuttosto il risultato di considerazioni globali che includono le prestazioni, sicurezza, e fattori di costo. Esaminiamo le differenze e le connessioni tra questi tre livelli da diverse prospettive.
Funzionale
Dal punto di vista funzionale, ogni livello ha il suo focus. Come unità di base, le celle della batteria funzionano principalmente per convertire l'energia elettrochimica ed elettrica, immagazzinare e rilasciare energia attraverso reazioni elettrochimiche interne. I moduli batteria servono principalmente a combinare in modo efficace le celle della batteria, fornendo collegamenti elettrici di base e supporto meccanico, offrendo allo stesso tempo una protezione preliminare per le celle della batteria. Il pacco batteria è un sistema completo che non solo immagazzina energia ma implementa anche funzioni a livello di sistema, inclusa la gestione completa della batteria, gestione termica, e protezione della sicurezza.
Prestazione
In termini di caratteristiche prestazionali, ci sono chiare differenze tra i tre livelli. Le singole celle della batteria funzionano generalmente a tensioni comprese tra 3,2 e 3,7 V, con capacità che vanno da poche a diverse centinaia di ampere-ora. Le loro caratteristiche prestazionali determinano le capacità fondamentali dell’intero sistema di accumulo dell’energia. Per esempio, la densità energetica di una cella della batteria influisce direttamente sulla portata del sistema, mentre la sua capacità di velocità determina le velocità di carica e scarica.
I moduli batteria combinano più celle della batteria in serie e in parallelo per ottenere tensioni più elevate e capacità maggiori. Inoltre, i moduli batteria forniscono supporto strutturale per garantire che le celle della batteria siano correttamente allineate e fissate saldamente. I moduli batteria integrano anche funzioni di base di rilevamento della tensione e di monitoraggio della temperatura. Ancora più importante, la progettazione del modulo batteria deve considerare i requisiti di raffreddamento, tipicamente incorporando canali di raffreddamento dedicati o piastre di raffreddamento. Tutti questi elementi di progettazione gettano le basi per l'integrazione del sistema a livello del pacco batteria.
I pacchi batteria non solo contengono più moduli batteria, ma integrano anche sistemi BMS e di gestione termica completi. Così, la loro caratteristica più distintiva è la completezza del sistema e la funzionalità completa.
A causa del crescente numero di componenti ausiliari ad ogni livello, la densità energetica diminuisce gradualmente dalle celle della batteria ai moduli batteria fino ai pacchi batteria. Prendendo come esempio una specifica batteria NCM, La densità energetica delle celle della batteria può raggiungere i 260 Wh/kg, La densità energetica del modulo batteria è di circa 230 Wh/kg, mentre il pacco batteria scende a circa 190Wh/kg.
Struttura dei costi
Ci sono anche differenze significative nella struttura dei costi. Nel costo totale della batteria, le celle della batteria rappresentano la porzione più grande in circa 50%, con i materiali catodici che rappresentano la principale componente di costo delle celle della batteria. A livello del modulo batteria, aumento dei costi a causa dei componenti strutturali e dei connettori. Il livello del pacco batteria aggiunge costi di sistema per il BMS, gestione termica, e protezione strutturale. Questa distribuzione dei costi indica che la riduzione dei costi delle celle della batteria è fondamentale per migliorare l’economia dell’intero sistema di accumulo dell’energia.
Vale la pena notare che con i progressi tecnologici, la tradizionale struttura a tre livelli continua ad evolversi. Per esempio, alcuni produttori hanno introdotto il CTP (Da cellula a pacco) tecnologia, che semplifica il tradizionale “pacco-modulo-cella” gerarchia passando direttamente dalla cella al branco. Mentre questa innovazione porta miglioramenti nella densità energetica, pone inoltre requisiti più elevati in termini di progettazione e processi di produzione.
Insomma, è importante conoscere il SOC e il SOH della batteria. Per gli utenti, possono comprendere lo stato della batteria e utilizzarla e mantenerla meglio. Per i produttori, possono aggiornare continuamente i loro prodotti e le loro tecnologie per produrre batterie con prestazioni migliori.
