Pack da bateria & configuração

Configuração da bateria

Em um veículo elétrico (EV), a configuração da bateria refere-se ao arranjo das células da bateria dentro do pack da bateria. Essa configuração afeta a tensão, a capacidade, a potência de saída e o desempenho geral do veículo.

A configuração mais comum para baterias de veículo elétrico é a híbrida série-paralelo. Nesse arranjo, múltiplas células são conectadas em série para aumentar a tensão do pack da bateria, e vários grupos de células em série são então conectados em paralelo para aumentar a capacidade total do pack da bateria.

• Conexão em série: aumenta a tensão do pack da bateria, o que é vital para fornecer a potência necessária para mover o veículo.
• Conexão em paralelo: aumenta a capacidade do pack da bateria, essencial para armazenar a energia necessária para atingir a autonomia desejada.

Para calcular o tamanho bruto do pack da bateria, multiplique a capacidade total em paralelo em ampère-hora (Ah) pela tensão nominal do pack da bateria em volts (V). O resultado é em watt-hora (Wh).

Exemplo: Audi Q8 e-tron 55

• Especificações da célula: cada célula tem tensão nominal de 3.6667 volts e capacidade de 72 Ah.
• Tensão do módulo: três células em série resultam em 11 volts no módulo.
• Capacidade do módulo: 4 x 72 Ah em paralelo totalizam 288 Ah de capacidade no módulo.
• Tensão do pack: o Q8 e-tron 55 possui 36 módulos em série. 36 x 11 volts resultam em 396 volts para o pack.
• Capacidade bruta: 396 volts x 288 Ah = 114,048 Wh ou 114 kWh de capacidade bruta.

Exemplo: Tesla Model Y Long Range

O Tesla Model Y Long Range usa 4,416 células no formato 21700, com 96 fileiras e 46 células em paralelo.

• Especificações da célula: cada célula possui 4.8 Ah com tensão nominal de 3.7 volts.
• Capacidade em paralelo: 4.8 Ah x 46 totaliza 220.8 Ah.
• Tensão do pack: 96 x 3.7 volts resultam em uma tensão nominal de 355 volts.
• Capacidade bruta: 355 volts x 220.8 Ah = 78.4 kWh.

Exemplo: Kia EV6 Long Range

A bateria de longa autonomia do Kia EV6 possui 384 células no total, configuradas em 192 fileiras com duas células em paralelo, estruturadas em módulos com 12 células.

• Especificações da célula: cada célula possui 55.6 Ah.
• Capacidade em paralelo: 2 x 55.6 Ah = 111.2 Ah.
• Tensão do pack: a tensão nominal é de 3.63 volts por célula. 192 x 3.63 volts = 696.96 volts nominais para o pack.
• Capacidade bruta: 696.96 volts x 111.2 Ah = 77.5 kWh.

Mais exemplos de packs da bateria

A seguir, alguns exemplos de configuração:

A configuração específica do pack da bateria utilizada em um veículo elétrico depende de vários fatores, como a autonomia desejada, a potência de saída e o peso total do veículo.

400 ou 800 volts?

Os fabricantes normalmente configuram packs da bateria para cerca de 400 volts ou 800 volts. Cada configuração tem seus prós e contras:

Vantagens do pack de 400 volts

• Tecnologia mais madura: sistemas de 400 volts são mais comprovados e confiáveis.
• Custo mais baixo: menos caros de produzir.
• Infraestrutura de carregamento amplamente disponível: mais fácil encontrar estações de carregamento.
• Mais configurações de células disponíveis: oferece mais flexibilidade nas opções de células.

Desvantagens do pack de 400 volts

• Carregamento mais lento: requer tempos de carregamento mais longos.
• Potência de saída limitada: pode não fornecer a mesma potência que sistemas de 800 volts.
• Mais pesado: requer cabos mais grossos para a mesma velocidade de carregamento.

Vantagens do pack de 800 volts

• Carregamento mais rápido: suporta velocidades de carregamento maiores.
• Maior potência de saída: pode fornecer mais potência.
• Menor peso: requer cabos mais finos.

Desvantagens do pack de 800 volts

• Infraestrutura de carregamento limitada: menos estações de carregamento público suportam carregamento de 800 volts.
• Requer células menores: impede o uso de células maiores, que oferecem maior densidade e menos fiação.

Design de pack da bateria

Existem vários designs padrão usados para montar packs da bateria.

Célula-para-Módulo (C2M)

O design Célula-para-Módulo (C2M) envolve montar várias células da bateria em um único módulo autônomo com eletrônica integrada e sistemas de refrigeração. Esses módulos podem então ser facilmente conectados para formar o pack da bateria completo.

Cada módulo possui seu próprio Sistema de Gerenciamento de Bateria (BMS) que monitora e controla o carregamento e descarregamento das células dentro do módulo, permitindo um controle e monitoramento mais precisos de células individuais.

Vantagens do Célula-para-Módulo (C2M):

• Modularidade: módulos de bateria individuais podem ser substituídos ou mantidos de forma independente. Se um módulo falhar, ele pode ser trocado sem afetar o pack da bateria inteiro.
• Gerenciamento térmico: os módulos fornecem espaço para componentes de gerenciamento térmico (como placas de refrigeração ou canais de refrigeração líquida), ajudando a regular a temperatura das células e garantir desempenho ideal.
• Escalabilidade: designs C2M permitem flexibilidade na configuração de packs da bateria. Os fabricantes podem ajustar o número de módulos para atender a diferentes requisitos do veículo (por exemplo, autonomia, potência ou tamanho).
• Segurança: isolar as células dentro dos módulos melhora a segurança. Se uma célula sofrer fuga térmica ou outros problemas, não afetará diretamente as células vizinhas.
• Eficiência de fabricação: construir módulos separadamente simplifica a montagem e o controle de qualidade. Também possibilita a produção paralela de módulos, agilizando o processo de fabricação.

Célula-para-Pack (CTP)

As baterias Célula-para-Pack (CTP) são um novo tipo de tecnologia de bateria que elimina a necessidade de módulos de bateria ao integrar as células diretamente no pack. Várias empresas, como Tesla, BYD e CATL, estão desenvolvendo essa tecnologia.

BYD Blade e CATL Qilin são dois exemplos de baterias CTP. A principal diferença entre essas duas baterias é o seu sistema de refrigeração. A BYD Blade usa um sistema de refrigeração líquida, enquanto a CATL Qilin utiliza um sistema de refrigeração estrutural, que é mais eficiente.

Vantagens do Célula-para-Pack (CTP):

• Simplicidade: designs CTP eliminam a necessidade de módulos intermediários, reduzindo a complexidade. O pack da bateria integra diretamente as células individuais.
• Aproveitamento de espaço: sem módulos, mais espaço fica disponível para as células, potencialmente aumentando a densidade energética.
• Eficiência de custo: menos componentes (sem módulos) podem levar a economia de custos na produção e montagem.
• Redução de peso: eliminar as carcaças dos módulos reduz o peso total, melhorando a eficiência do veículo.

Pack de bateria estrutural

Um pack de bateria estrutural é projetado para se tornar um componente estrutural do veículo elétrico. Essa abordagem pode reduzir o peso do veículo elétrico removendo estruturas duplicadas entre o pack e a estrutura do veículo, pois o pack da bateria se torna parte da estrutura do veículo.

Esse design pode melhorar o desempenho geral e a eficiência do veículo elétrico. Packs de bateria estruturais ainda são relativamente novos, mas várias empresas e instituições de pesquisa estão explorando e desenvolvendo-os.

Os packs de bateria estruturais, uma revolução no design de veículos elétricos, oferecem muitos benefícios. Eles reduzem peso e complexidade, aumentam o desempenho e facilitam a integração perfeita da tecnologia de bateria em várias aplicações.

O Tesla Model Y e o Tesla Cybertruck são dois modelos que possuem packs estruturais. Segundo a Tesla, essa solução apresenta muitas vantagens, como reduzir significativamente o número de peças usadas tanto no pack da bateria quanto no carro.

Mais importante, a empresa afirmou que as novas células e o pack estrutural devem aumentar a autonomia do Model Y em 16% e diminuir o peso total do carro em 10%, resultando em melhor aceleração e dirigibilidade.

A Tesla utiliza espuma de poliuretano rosa para encapsular e fixar os componentes dentro do pack de bateria estrutural. Essa espuma atua tanto como isolante quanto como elemento estrutural, proporcionando rigidez e proteção. A espuma garante que as células da bateria e outros componentes críticos permaneçam firmemente no lugar e funciona como uma barreira corta-fogo entre diferentes seções do pack da bateria.

Essa espuma é tão resistente quanto um tijolo, contribuindo para a integridade estrutural geral do pack.

O vídeo abaixo mostra uma análise detalhada do pack pela Munro & Associates.

Densidade energética no nível do pack da bateria

A tabela a seguir mostra como a densidade do pack variou ao longo do tempo entre alguns exemplos de packs da bateria.

Para mais detalhes sobre packs da bateria, recomendamos visitar BatteryDesign.net.