Pacco Batteria e Configurazione

Configurazione del Pacco Batteria

In un veicolo elettrico (EV), la configurazione del pacco batteria si riferisce alla disposizione delle singole celle batteria all'interno del pacco batteria. Questa configurazione influisce sulla tensione, sulla capacità, sulla potenza di uscita e sulle prestazioni complessive del veicolo.

La configurazione più comune per le batterie di un veicolo elettrico è un ibrido serie-parallelo. In questa configurazione, più celle sono collegate in serie per aumentare la tensione del pacco batteria, e più gruppi di celle collegate in serie sono poi collegati in parallelo per aumentare la capacità complessiva del pacco batteria.

• Collegamento in Serie: Aumenta la tensione del pacco batteria, fondamentale per fornire la potenza necessaria a muovere il veicolo.
• Collegamento in Parallelo: Aumenta la capacità del pacco batteria, essenziale per immagazzinare l'energia richiesta a raggiungere l'autonomia desiderata.

Per calcolare la dimensione lorda del pacco batteria, moltiplicare la capacità totale in parallelo in ampere-ora (Ah) per la tensione nominale del pacco batteria in volt (V). Il risultato è in wattora (Wh).

Esempio: Audi Q8 e-tron 55

Il diagramma sottostante mostra la configurazione di un modulo batteria della Audi Q8 e-tron 55. Questo modulo contiene 12 celle batteria, quattro delle quali montate in parallelo, e ci sono tre gruppi di questa configurazione in parallelo collegati in serie.

• Specifiche delle Celle: Ogni cella ha una tensione nominale di 3.6667 volt e una capacità di 72 Ah.
• Tensione del Modulo: Tre celle in serie forniscono una tensione del modulo di 11 volt.
• Capacità del Modulo: 4 x 72 Ah in parallelo forniscono una capacità totale del modulo di 288 Ah.
• Tensione del Pacco: La Q8 e-tron 55 ha un totale di 36 moduli in serie. 36 x 11 volt dà 396 volt per il pacco.
• Capacità Lorda: 396 volt x 288 Ah = 114,048 Wh o 114 kWh di capacità lorda.

Esempio: Tesla Model Y Long Range

La Tesla Model Y Long Range utilizza 4.416 celle nel formato 21700, con 96 file e 46 celle in parallelo.

• Specifiche delle Celle: Ogni cella ha 4.8 Ah con una tensione nominale di 3.7 volt.
• Capacità in Parallelo: 4.8 Ah x 46 dà un totale di 220.8 Ah.
• Tensione del Pacco: 96 x 3.7 volt dà una tensione nominale del pacco di 355 volt.
• Capacità Lorda: 355 volt x 220.8 Ah = 78.4 kWh.

Esempio: Kia EV6 Long Range

La batteria long-range della Kia EV6 ha 384 celle in totale, configurate in 192 file con due celle in parallelo, strutturate in moduli da 12 celle.

• Specifiche delle Celle: Ogni cella ha 55.6 Ah.
• Capacità in Parallelo: 2 x 55.6 Ah = 111.2 Ah.
• Tensione del Pacco: La tensione nominale è di 3.63 volt per cella. 192 x 3.63 volt = 696.96 volt nominali per il pacco.
• Capacità Lorda: 696.96 volt x 111.2 Ah = 77.5 kWh.

Altri Esempi di Pacchi Batteria

Qui ci sono alcuni esempi di configurazioni:

La configurazione specifica del pacco batteria utilizzata in un veicolo elettrico dipende da vari fattori, come l'autonomia desiderata, la potenza erogata e il peso complessivo del veicolo.

400 o 800 Volt?

I produttori in genere configurano i pacchi batteria intorno ai 400 Volt o agli 800 Volt. Ogni configurazione ha vantaggi e svantaggi:

Vantaggi del pacco a 400 Volt

• Tecnologia più consolidata: i sistemi a 400 Volt sono più collaudati e affidabili.
• Costo inferiore: meno costosi da produrre.
• Infrastruttura di ricarica ampiamente disponibile: più facile trovare stazioni di ricarica.
• Più configurazioni di celle disponibili: offre maggiore flessibilità nelle opzioni delle celle.

Svantaggi del pacco a 400 Volt

• Ricarica più lenta: richiede tempi di ricarica più lunghi.
• Potenza limitata: potrebbe non erogare la stessa potenza dei sistemi a 800 Volt.
• Più pesante: richiede cavi più spessi per la stessa velocità di ricarica.

Vantaggi del pacco a 800 Volt

• Ricarica più rapida: supporta velocità di ricarica maggiori.
• Potenza di uscita maggiore: può erogare più potenza.
• Peso inferiore: richiede cavi più sottili.

Svantaggi del pacco a 800 Volt

• Infrastruttura di ricarica limitata: meno stazioni di ricarica pubbliche supportano la ricarica a 800 Volt.
• Richiede celle di dimensioni ridotte: impedisce l'uso di celle più grandi, che offrono densità maggiore e meno cablaggio.

Design dei Pacchi Batteria

Esistono diversi design standard utilizzati per realizzare i pacchi batteria.

Cell-to-Module (C2M)

Il design Cell-to-Module (C2M) prevede l'assemblaggio di più celle batteria in un unico modulo autonomo con elettronica integrata e sistemi di raffreddamento. Questi moduli possono poi essere facilmente collegati per formare il pacco batteria completo.

Ogni modulo ha il proprio Battery Management System (BMS) che monitora e controlla la ricarica e la scarica delle celle all'interno del modulo, consentendo un controllo e un monitoraggio più precisi delle singole celle.

Vantaggi del Cell-to-Module (C2M):

• Modularità: i moduli batteria individuali possono essere sostituiti o manutenuti indipendentemente. Se un modulo si guasta, può essere sostituito senza influire sull'intero pacco batteria.
• Gestione termica: i moduli offrono spazio per i componenti di gestione termica (come piastre di raffreddamento o canali di raffreddamento a liquido), contribuendo a regolare la temperatura delle celle e garantire prestazioni ottimali.
• Scalabilità: i design C2M consentono flessibilità nella configurazione dei pacchi batteria. I produttori possono regolare il numero di moduli per soddisfare diverse esigenze del veicolo (ad esempio, autonomia, potenza o dimensioni).
• Sicurezza: l'isolamento delle celle nei moduli migliora la sicurezza. Se una cella subisce un runaway termico o altri problemi, non influirà direttamente sulle celle adiacenti.
• Efficienza produttiva: la costruzione separata dei moduli semplifica l'assemblaggio e il controllo qualità. Consente inoltre la produzione parallela dei moduli, snellendo il processo di fabbricazione.

Cell-to-Pack (CTP)

Le batterie Cell-to-Pack (CTP) sono un nuovo tipo di tecnologia di batteria che elimina la necessità di moduli batteria integrando le celle direttamente all'interno del pacco. Diverse aziende, come Tesla, BYD e CATL, stanno sviluppando questa tecnologia.

BYD Blade e CATL Qilin sono due esempi di batterie CTP. La principale differenza tra queste due batterie è il loro sistema di raffreddamento. BYD Blade utilizza un sistema di raffreddamento a liquido, mentre CATL Qilin utilizza un sistema di raffreddamento strutturale, che è più efficiente.

Vantaggi del Cell-to-Pack (CTP):

• Semplicità: i design CTP eliminano la necessità di moduli intermedi, riducendo la complessità. Il pacco batteria integra direttamente le singole celle.
• Utilizzo dello spazio: senza moduli, c'è più spazio disponibile per le celle, aumentando potenzialmente la densità energetica.
• Efficienza dei costi: meno componenti (assenza di moduli) può portare a risparmi nei costi di produzione e assemblaggio.
• Riduzione del peso: eliminare le custodie dei moduli riduce il peso complessivo, migliorando l'efficienza del veicolo.

Pacco Batteria Strutturale

Un pacco batteria strutturale è progettato per diventare un componente strutturale dell'auto elettrica. Questo approccio può ridurre il peso dell'auto elettrica eliminando le strutture duplicate tra il pacco e la struttura del veicolo, poiché il pacco batteria diventa parte della struttura del veicolo.

Questo design può migliorare le prestazioni e l'efficienza complessive dell'auto elettrica. I pacchi batteria strutturali sono ancora relativamente nuovi, ma diverse aziende e istituti di ricerca li stanno esplorando e sviluppando.

I pacchi batteria strutturali, una svolta nella progettazione delle auto elettriche, offrono molti vantaggi. Ridimensionano peso e complessità, aumentano le prestazioni e facilitano l'integrazione senza soluzione di continuità della tecnologia delle batterie in varie applicazioni.

Tesla Model Y e Tesla Cybertruck sono due modelli che utilizzano pacchi strutturali. Secondo Tesla, questa soluzione presenta molti vantaggi, come la riduzione significativa del numero di parti utilizzate sia nel pacco batteria sia nell'auto.

Ancora più importante, l'azienda ha dichiarato che le nuove celle e il pacco strutturale dovrebbero aumentare l'autonomia della Model Y del 16% e diminuire il peso complessivo dell'auto del 10%, portando a una migliore accelerazione e maneggevolezza.

Tesla utilizza schiuma di poliuretano rosa per incapsulare e fissare i componenti all'interno del pacco batteria strutturale. Questa schiuma funge sia da isolante che da elemento strutturale, fornendo rigidità e protezione. La schiuma assicura che le celle batteria e altri componenti critici rimangano saldamente in posizione e funge da parete tagliafuoco tra le diverse sezioni del pacco batteria.

Questa schiuma è forte come un mattone, contribuendo all'integrità strutturale complessiva del pacco.

Il video seguente mostra un'analisi dettagliata del pacco batteria eseguita da Munro & Associates.

Densità energetica a livello di pacco batteria

La tabella seguente mostra come la densità del pacco sia variata nel tempo per alcuni esempi di pacchi batteria.

Per maggiori dettagli sui pacchi batteria, consigliamo di visitare BatteryDesign.net.