Já se perguntou o que alimenta seu veículo elétrico Tesla ou BYD? À medida que os carros elétricos se tornam cada vez mais comuns em nossas vidas diárias, termos como “célula de bateria,” “módulo,” e “pacote” aparece com frequência. Mas o que exatamente esses termos significam, e como eles funcionam juntos para alimentar seu EV?
Pense nisso como construir com peças de LEGO: você começa com blocos individuais (células de bateria), combine-os em seções menores (módulos de bateria), e finalmente criar uma estrutura completa (bateria). Assim como cada peça LEGO desempenha um papel crucial na criação final, cada nível do sistema de bateria serve a um propósito específico na alimentação do seu veículo elétrico.
Agora vamos dar uma olhada mais profunda na célula da bateria, módulo e pacote, bem como a conexão e diferença entre eles.
Índice
O que é célula de bateria?
Uma célula de bateria é a unidade funcional mais básica de uma bateria de íon de lítio. Olhando para sua estrutura, cada célula de bateria contém cinco componentes principais: um eletrodo positivo (cátodo), um eletrodo negativo (ânodo), eletrólito, separador, e invólucro. O cátodo e o ânodo são onde os íons de lítio são armazenados – o material do cátodo pode ser óxido de lítio-cobalto (LCO), níquel-cobalto-manganês (NCM), ou fosfato de ferro-lítio (LFP), enquanto o ânodo é normalmente feito de materiais de grafite. O eletrólito atua como um caminho para os íons de lítio se movimentarem. O separador tem uma dupla função: evita o contato direto entre os eletrodos positivo e negativo, permitindo a passagem de íons de lítio. Finalmente, o invólucro fornece proteção física e vedação para toda a célula da bateria.
As células da bateria de íons de lítio vêm em três formatos principais: cilíndrico, prismático, e células de bolsa.
Célula de bateria cilíndrica
As células de bateria cilíndricas foram as primeiras baterias de íons de lítio a atingir a produção em massa. Eles são feitos enrolando o cátodo, ânodo, e separador em uma ordem específica em forma de cilindro e, em seguida, alojando-o em uma caixa de metal. Os tamanhos mais comuns no mercado hoje incluem 18650 (18mm de diâmetro, 65mm comprimento, com capacidade de cerca de 2,2-3,4Ah), 21700 (21mm de diâmetro, 70mm comprimento, com capacidade de cerca de 4,0-5,0Ah), e o mais novo 4680 (46mm de diâmetro, 80mm comprimento). Graças à sua excelente confiabilidade e vantagens de custo, células de bateria cilíndricas são amplamente utilizadas em ferramentas elétricas, dispositivos portáteis, e veículos eléctricos – com Tesla sendo um dos maiores usuários de células de bateria cilíndricas.
Vantagens das células de bateria cilíndricas
1. Seu processo de fabricação é o mais maduro e altamente automatizado, levando a benefícios de custo significativos e qualidade consistente do produto.
2. A forma cilíndrica garante uma distribuição uniforme da tensão quando sob pressão interna, proporcionando excelente resistência mecânica.
3. Alto grau de padronização – produtos de diferentes fabricantes são intercambiáveis.
4. Grande relação área de superfície/volume, o que os torna melhores na dissipação de calor.
Desvantagens das células de bateria cilíndricas
1. O problema mais notável é a baixa eficiência de espaço. As formas cilíndricas criam naturalmente lacunas quando compactadas em espaços retangulares, resultando em desperdício de espaço.
2. Devido à sua capacidade individual relativamente pequena, criar um sistema de bateria de alta capacidade requer a conexão de muitas células de bateria em série e paralelo. Isto aumenta o número de pontos de conexão e torna a montagem mais complexa.
3. As células de bateria cilíndricas normalmente têm menor densidade de energia em comparação com as células de bolsa, o que limita um pouco seu uso em aplicações que exigem alta densidade de energia.
4. Suas dimensões fixas limitam a flexibilidade do projeto, dificultando a otimização do formato da bateria para aplicações específicas.
Célula de bateria prismática
As células de bateria prismáticas usam caixas rígidas de alumínio ou aço para alojamento, com estruturas internas feitas usando processos de enrolamento ou empilhamento. Como formato de bateria convencional, as células prismáticas oferecem dimensões relativamente flexíveis e maiores capacidades individuais, variando de 20Ah a 314Ah, com alguns fabricantes até produzindo células de bateria de 560Ah. Atualmente, células prismáticas são usadas principalmente em veículos elétricos, VEs comerciais, e sistemas de armazenamento de energia. Principais fabricantes de baterias como BYD, CATL e CALVO são células prismáticas de produção em massa.
Vantagens das células de bateria prismáticas
1. A estrutura retangular proporciona melhor aproveitamento do espaço, ajudando a aumentar a densidade de energia das baterias.
2. As grandes superfícies de contato das células prismáticas facilitam a dissipação de calor, o que é benéfico para o gerenciamento térmico da bateria.
3. Maior capacidade de célula individual significa menos conexões em série e paralelas em comparação com células cilíndricas, simplificando o design do sistema.
4. As grandes superfícies planas tornam a montagem e montagem da bateria mais conveniente.
Desvantagens das células de bateria prismáticas
1. Em comparação com células cilíndricas, células prismáticas têm custos de fabricação mais elevados e exigem processos de produção mais rigorosos.
2. Devido à sua estrutura interna, células prismáticas tendem a inchar um pouco durante os ciclos de carga e descarga, exigindo espaço extra e restrições adicionais no projeto mecânico.
3. As especificações das células prismáticas variam significativamente entre os diferentes fabricantes do setor, dificultando o intercâmbio entre marcas diferentes.
Célula Bolsa
As células-bolsa usam filme plástico de alumínio como revestimento externo, normalmente com uma estrutura interna empilhada. O filme plástico-alumínio é feito de múltiplas camadas de materiais compósitos, incluindo náilon, folha de alumínio, e polipropileno, tornando-o leve e econômico. Em eletrônicos de consumo, células de bolsa vêm em vários tamanhos e capacidades para atender a diferentes requisitos do produto – por exemplo, baterias de smartphones normalmente têm capacidades de 3-4Ah, enquanto as baterias dos laptops podem atingir 5-8Ah. Atualmente, células de bolsa são usadas principalmente em eletrônicos de consumo (como smartphones, comprimidos, e laptops) e dispositivos eletrônicos portáteis.
Vantagens das células-bolsa
1. Graças ao seu leve invólucro de filme plástico de alumínio, eles têm alta densidade de energia gravimétrica (energia por unidade de peso).
2. As células-bolsa oferecem grande flexibilidade de design, permitindo personalização de tamanho e forma para diferentes aplicações.
3. A estrutura interna empilhada cria um contato firme entre as camadas condutoras, resultando em baixa resistência interna e bom desempenho de taxa.
4. Durante a fuga térmica, as células da bolsa tendem a liberar pressão interna por meio de inchaço e deformação, em vez de uma falha explosiva violenta.
Desvantagens das células-bolsa
1. O invólucro de filme plástico de alumínio tem resistência mecânica relativamente baixa e é vulnerável a danos externos, exigindo componentes estruturais adicionais para proteção.
2. As células-bolsa exigem condições de fabricação altamente controladas, sendo particularmente sensível à umidade. O processo de selagem deve ser feito em ambiente seco estritamente controlado.
3. Cuidados especiais são necessários durante o armazenamento e transporte para evitar exposição à umidade e pressão física, o que aumenta os custos logísticos.
4. As células-bolsa normalmente têm taxas de rendimento de produção mais baixas em comparação com baterias rígidas, o que afecta um pouco a sua competitividade em termos de custos.
O que é módulo de bateria?
Depois de introduzir a menor unidade – a célula da bateria – vamos explorar o próximo nível em um sistema de bateria: o módulo da bateria. Um módulo de bateria é uma unidade funcional feita pela conexão de várias células de bateria em série e paralelo. Inclui não apenas as próprias células da bateria, mas também conexões elétricas básicas e recursos de proteção de segurança. Simplificando, se as células da bateria são como blocos de construção, então um módulo de bateria é a unidade estrutural básica feita a partir desses blocos.
Os módulos de bateria desempenham um papel intermediário crucial no sistema geral de baterias. Através de conexões em série adequadas, eles podem aumentar a voltagem de uma única célula de bateria (normalmente 3,2-3,7 V) para os níveis exigidos (como 48V ou superior). Conexões paralelas aumentam a capacidade e as capacidades de saída de energia. Além de melhorar o desempenho elétrico, o projeto do módulo de bateria deve enfrentar vários desafios técnicos, incluindo balanceamento de células de bateria, controle de temperatura, e suporte estrutural.
Uma compreensão completa dos módulos de bateria é essencial para o projeto e aplicação de todo o sistema de bateria. Se você quiser saber mais sobre módulos de bateria, sinta-se à vontade para ler nosso artigo dedicado: o que é um módulo de bateria?. Este artigo fornece informações mais detalhadas sobre módulos de bateria.
Ao compreender as células e os módulos da bateria, lançamos as bases para explorar como as baterias funcionam e seus recursos de design. Uma bateria integra vários módulos de bateria para formar um sistema completo de armazenamento de energia. Vamos continuar aprendendo sobre baterias.
O que é bateria?
Uma bateria é uma unidade de armazenamento de energia de nível superior do que um módulo de bateria. Vários módulos de bateria são conectados em série e paralelo através de sistemas de barramento cuidadosamente projetados para atingir os níveis de tensão e capacidade necessários. No entanto, uma bateria não é apenas uma simples combinação de módulos de bateria – é um sistema complexo. Um sistema completo de bateria inclui principalmente: uma variedade de módulos de bateria, um sistema de gerenciamento de bateria (BMS), um sistema de gerenciamento térmico (EMT), uma unidade de distribuição de alta tensão, um sistema de suporte estrutural, e vários sensores.
As configurações da bateria variam significativamente dependendo da aplicação. Em veículos elétricos, as tensões da bateria normalmente variam de 300-400V (com alguns modelos topo de linha usando sistemas de 800V), e capacidades variam de 30 kWh a 100 kWh. EVs comerciais podem exigir projetos de capacidade ainda maior. Enquanto em aplicações de armazenamento de energia, a faixa se estende de alguns kWh para armazenamento doméstico de energia até centenas de MWh para armazenamento em nível de rede.
BMS
O sistema de gerenciamento de bateria (BMS) atua como o “cérebro” da bateria. Ele precisa monitorar e gerenciar vários parâmetros operacionais em tempo real para garantir a operação segura e eficiente do sistema. Um BMS completo normalmente inclui um controlador mestre e vários controladores escravos, formando uma estrutura de gestão hierárquica. O controlador mestre lida com o gerenciamento e a tomada de decisões em nível de sistema, enquanto os controladores escravos trabalham no nível do módulo para coletar dados mais detalhados.
A principal tarefa do BMS é garantir a segurança do sistema de bateria. Ele faz isso monitorando a tensão, atual, temperatura, e outros parâmetros em tempo real para verificar se a bateria está operando dentro de limites seguros. Se alguma anormalidade for detectada, a BMS toma imediatamente medidas de proteção, como desconectar o circuito de alta tensão ou ativar o sistema de refrigeração. Adicionalmente, o BMS gerencia o controle de pré-carga, acumulando gradualmente alta tensão através de um circuito de pré-carga durante a inicialização do sistema para evitar danos aos componentes causados por picos de corrente.
O equilíbrio das células da bateria é outra função crucial do BMS. Durante a operação da bateria, células de bateria individuais podem desenvolver diferenças de estado devido a variações de fabricação e diferentes condições operacionais. O BMS utiliza técnicas de balanceamento ativo ou passivo para ajustar o estado de carga de células individuais da bateria, garantindo que eles permaneçam consistentes. Isto é vital para maximizar a vida útil e o desempenho da bateria.
A estimativa precisa da carga também é uma tarefa fundamental do BMS. Ao contrário dos medidores de combustível em veículos tradicionais, estimando o estado de carga (SOC) e a autonomia restante em veículos elétricos é muito mais complexa. O BMS deve considerar vários fatores, incluindo o status da bateria em tempo real, dados históricos de uso, temperatura ambiente, e condições de condução para construir modelos de estimativa precisos. Simultaneamente, avalia o estado de saúde da bateria (SOH) e prevê tendências de degradação de capacidade, fornecendo informações importantes para usuários e pessoal de manutenção.
Sistema de gerenciamento térmico
O Sistema de Gerenciamento Térmico (EMT) é crucial para garantir o desempenho e a segurança da bateria. As baterias de lítio geram calor significativo durante a operação, que se não for dissipado imediatamente, pode não apenas afetar o desempenho, mas também levar a problemas de segurança. As soluções atuais de gerenciamento térmico convencionais incluem: sistemas de refrigeração de ar, sistemas de refrigeração líquida, e sistemas de resfriamento de materiais com mudança de fase. Em veículos elétricos, os sistemas de refrigeração líquida estão se tornando a escolha dominante devido à sua excelente dissipação de calor e eficiência de espaço. Para sistemas de armazenamento de energia, diferentes soluções de resfriamento podem ser usadas dependendo dos requisitos de capacidade e do ambiente operacional. Um sistema abrangente de gerenciamento térmico deve considerar não apenas o resfriamento, mas também o aquecimento em ambientes frios – isso é essencial para manter o desempenho e a longevidade do carregamento/descarregamento da bateria.
Proteção de segurança
A proteção de segurança é um fator crítico no design da bateria. As baterias exigem vários mecanismos de proteção de segurança, incluindo: segurança elétrica, proteção contra fuga térmica, e segurança estrutural. Para segurança elétrica, o conjunto deve estar equipado com dispositivos de desconexão de alta tensão, monitoramento de isolamento, e proteção contra sobrecarga e descarga excessiva. Para proteção contra fuga térmica, o projeto deve incluir barreiras de propagação térmica, sistemas de alerta, e dispositivos de alívio de pressão. Quanto à segurança estrutural, a embalagem precisa ser projetada para resistência à água, proteção contra poeira, resistência à vibração, e proteção contra colisões. Especialmente em aplicações automotivas, as baterias devem atender a rigorosos padrões de segurança contra colisões.
Aplicativos
As baterias têm diferentes prioridades de design para diferentes aplicações.
Em veículos elétricos, combinar a bateria com o sistema geral do veículo é um processo complexo. Primeiro vem a integração mecânica – a bateria precisa estar altamente integrada à carroceria do veículo, atendendo aos requisitos de espaço e garantindo resistência estrutural e segurança contra colisões. Em seguida vem a integração elétrica, exigindo coordenação com os sistemas de alta tensão e carregamento do veículo. Depois, há integração de gerenciamento térmico, que precisa funcionar com o sistema de ar condicionado do veículo para um controle eficiente da temperatura. Finalmente, fatores como distribuição de peso do veículo e controle de custos devem ser considerados. Os veículos elétricos de passageiros normalmente usam um “skate” projeto, integrando a bateria sob o chassi – isso reduz o centro de gravidade para melhor manuseio e maximiza a utilização do espaço do veículo.
Em aplicações de armazenamento de energia, As prioridades de design de baterias diferem das aplicações de veículos elétricos. Em comparação com o uso de veículos elétricos, baterias de armazenamento de energia concentram-se mais na escalabilidade do sistema, ciclo de vida, e custo-benefício, ao mesmo tempo em que tem requisitos mais relaxados para densidade de potência e restrições de volume. Grandes estações de armazenamento de energia normalmente usam projetos baseados em contêineres, combinando organicamente vários sistemas de baterias com sistemas independentes de proteção contra incêndio e controle ambiental. Adicionalmente, baterias de armazenamento de energia requerem sistemas de gerenciamento de energia especializados (EMS) para otimizar estratégias de carga/descarga, melhorar a economia do sistema, e reduzir custos operacionais.
Diferenças entre células de bateria, Módulo e Pacote
A relação entre as células da bateria, módulos, e pacotes não é apenas um simples processo de empilhamento, mas sim o resultado de considerações abrangentes, incluindo desempenho, segurança, e fatores de custo. Vamos examinar as diferenças e conexões entre esses três níveis sob diferentes perspectivas.
Funcional
De uma perspectiva funcional, cada nível tem seu próprio foco. Como unidade básica, as células da bateria funcionam principalmente para converter entre energia eletroquímica e elétrica, armazenar e liberar energia por meio de reações eletroquímicas internas. Os módulos de bateria servem principalmente para combinar células de bateria de forma eficaz, fornecendo conexões elétricas básicas e suporte mecânico, ao mesmo tempo que oferece proteção preliminar para as células da bateria. A bateria é um sistema completo que não apenas armazena energia, mas também implementa funções no nível do sistema, incluindo gerenciamento abrangente da bateria, gerenciamento térmico, e proteção de segurança.
Desempenho
Em termos de características de desempenho, existem diferenças claras entre os três níveis. Células de bateria individuais normalmente operam em tensões entre 3,2-3,7V, com capacidades que variam de algumas a várias centenas de amperes-hora. Suas características de desempenho determinam as principais capacidades de todo o sistema de armazenamento de energia. Por exemplo, a densidade de energia de uma célula de bateria afeta diretamente o alcance do sistema, enquanto sua capacidade de taxa determina as velocidades de carga e descarga.
Os módulos de bateria combinam múltiplas células de bateria em série e em paralelo para atingir tensões mais altas e capacidades maiores. Adicionalmente, módulos de bateria fornecem suporte estrutural para garantir que as células da bateria estejam devidamente alinhadas e fixadas com segurança. Os módulos de bateria também integram funções básicas de detecção de tensão e monitoramento de temperatura. Mais importante, o projeto do módulo de bateria deve considerar os requisitos de resfriamento, normalmente incorporando canais de resfriamento dedicados ou placas de resfriamento. Todos esses elementos de design estabelecem a base para a integração do sistema no nível da bateria.
As baterias não apenas contêm vários módulos de bateria, mas também integram BMS completos e sistemas de gerenciamento térmico. Por isso, sua característica mais distintiva é a integridade do sistema e funcionalidade abrangente.
Devido ao número crescente de componentes auxiliares em cada nível, a densidade de energia diminui gradualmente das células da bateria para os módulos de bateria e para as baterias. Tomando uma bateria NCM específica como exemplo, a densidade de energia das células da bateria pode chegar a 260Wh/kg, a densidade de energia do módulo de bateria é de cerca de 230Wh/kg, enquanto a bateria cai para cerca de 190Wh/kg.
Estrutura de custos
Existem também diferenças significativas na estrutura de custos. No custo total da bateria, as células da bateria representam a maior parte em torno 50%, sendo os materiais catódicos o principal componente de custo das células da bateria. No nível do módulo de bateria, aumento de custos devido a componentes estruturais e conectores. O nível da bateria aumenta os custos do sistema para o BMS, gerenciamento térmico, e proteção estrutural. Esta distribuição de custos indica que a redução dos custos das células da bateria é fundamental para melhorar a economia de todo o sistema de armazenamento de energia.
Vale ressaltar que com os avanços tecnológicos, a estrutura tradicional de três níveis continua a evoluir. Por exemplo, alguns fabricantes introduziram o CTP (Célula para Pacote) tecnologia, o que simplifica o tradicional “pacote de módulo de célula” hierarquia indo diretamente da célula para o pacote. Embora esta inovação traga melhorias na densidade energética, também impõe maiores demandas aos processos de design e fabricação.
Para concluir, é importante conhecer o SOC e SOH da bateria. Para usuários, eles podem compreender o status da bateria e usá-la e mantê-la melhor. Para fabricantes, eles podem atualizar continuamente seus produtos e tecnologias para produzir baterias com melhor desempenho.
