Pack de Bateria & Configuração

Configuração da Bateria

Num veículo elétrico (elétrico), a configuração da bateria refere-se à disposição das células da bateria individuais dentro do pack de bateria. Esta 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 um esquema híbrido série-paralelo. Neste esquema, várias células são ligadas em série para aumentar a tensão do pack de bateria, e vários grupos de células ligadas em série são depois ligados em paralelo para aumentar a capacidade geral do pack de bateria.

• Ligação em Série: Aumenta a tensão do pack de bateria, fundamental para fornecer a potência necessária para mover o veículo.
• Ligação em Paralelo: Aumenta a capacidade do pack de bateria, essencial para armazenar a energia necessária para atingir a autonomia desejada.

Para calcular o tamanho bruto do pack de bateria, multiplique a capacidade paralela total em ampere-horas (Ah) pela tensão nominal do pack de bateria em volts (V). O resultado está em watt-horas (Wh).

Exemplo: Audi Q8 e-tron 55

O diagrama abaixo mostra a configuração de um módulo de bateria do Audi Q8 e-tron 55. Este módulo contém 12 células da bateria, quatro das quais estão montadas em paralelo, e há três grupos desta configuração em série.

• Especificações das Células: Cada célula tem uma tensão nominal de 3.6667 volts e uma capacidade de 72 Ah.
• Tensão do Módulo: Três células em série proporcionam uma tensão de módulo de 11 volts.
• Capacidade do Módulo: 4 x 72 Ah em paralelo dá uma capacidade total do módulo de 288 Ah.
• Tensão do Pack: O Q8 e-tron 55 tem um total de 36 módulos em série. 36 x 11 volts dá 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 utiliza 4,416 células no formato 21700 pequeno, com 96 filas e 46 células em paralelo.

• Especificações das Células: Cada célula tem 4.8 Ah com uma tensão nominal de 3.7 volts.
• Capacidade em Paralelo: 4.8 Ah x 46 dá um total de 220.8 Ah.
• Tensão do Pack: 96 x 3.7 volts dá uma tensão nominal do pack de 355 volts.
• Capacidade Bruta: 355 volts x 220.8 Ah = 78.4 kWh.

Exemplo: Kia EV6 Long Range

A bateria de longo alcance do Kia EV6 tem 384 células no total, configuradas em 192 filas com duas células em paralelo, estruturadas em módulos de 12 células.

• Especificações das Células: Cada célula tem 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 de Bateria

Aqui estão alguns exemplos de configurações:

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

400 ou 800 Volts?

Os fabricantes normalmente configuram packs de bateria para cerca de 400 volts ou 800 volts. Cada configuração tem vantagens e desvantagens:

Vantagens do Pack de 400 volts

• Tecnologia Mais Madura: Sistemas de 400 volts são mais comprovados e fiáveis.
• Custo Mais Baixo: Menos dispendioso de produzir.
• Infraestrutura de Carregamento Largamente Disponível: Mais fácil encontrar postos 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 mais elevadas.
• 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 postos de carregamento públicos suportam carregamento a 800 volts.
• Requer Células Menores: Impede o uso de células maiores, que oferecem maior densidade e menos cablagem.

Projetos de Pack de Bateria

Existem vários designs padrão utilizados na construção de packs de bateria.

Célula-para-Módulo (C2M)

O design Célula-para-Módulo (C2M) envolve montar várias células da bateria num único módulo autónomo com eletrónica e sistemas de refrigeração integrados. Estes módulos podem depois ser facilmente ligados para formar o pack de bateria completo.

Cada módulo possui o seu próprio Sistema de Gestão da Bateria (BMS) que monitoriza e controla o carregamento e descarregamento das células dentro do módulo, permitindo um controlo e monitorização mais precisos de células individuais.

Vantagens do Célula-para-Módulo (C2M):

• Modularidade: Os módulos de bateria individuais podem ser substituídos ou revistos de forma independente. Se um módulo falhar, pode ser substituído sem afetar todo o pack de bateria.
• Gestão Térmica: Os módulos disponibilizam espaço para componentes de gestão térmica (como placas de refrigeração ou canais de refrigeração líquida), ajudando a regular a temperatura das células e a garantir desempenho ótimo.
• Escalabilidade: Os designs C2M permitem flexibilidade na configuração dos packs de bateria. Os fabricantes podem ajustar o número de módulos para satisfazer diferentes requisitos do veículo (por exemplo, autonomia, potência ou tamanho).
• Segurança: Isolar as células dentro dos módulos aumenta a segurança. Se uma célula experienciar fuga térmica ou outros problemas, não afetará diretamente as células vizinhas.
• Eficiência de Fabrico: Construir módulos separadamente simplifica a montagem e o controlo de qualidade. Também permite a produção paralela de módulos, otimizando o processo de fabrico.

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, integrando as células diretamente no pack. Várias empresas, como Tesla, BYD e CATL, estão a desenvolver esta tecnologia.

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

Vantagens do Célula-para-Pack (CTP):

• Simplicidade: Os designs CTP eliminam a necessidade de módulos intermédios, reduzindo a complexidade. O pack de bateria integra diretamente as células individuais.
• Utilização do Espaço: Sem módulos, há mais espaço disponível para as células, podendo aumentar a densidade energética.
• Eficiência de Custo: Menos componentes (sem módulos) podem resultar em poupanças de custos na produção e montagem.
• Redução de Peso: Eliminar as caixas dos módulos reduz o peso total, melhorando a eficiência do veículo.

Pack de Bateria Estrutural

Um pack de bateria estrutural é concebido para se tornar um componente estrutural do veículo elétrico. Esta abordagem pode reduzir o peso do veículo elétrico ao eliminar estruturas duplicadas entre o pack e a estrutura do veículo, já que o pack de bateria passa a fazer parte da estrutura do veículo.

Este design pode melhorar o desempenho e a eficiência gerais do veículo elétrico. Os packs de bateria estruturais ainda são relativamente novos, mas várias empresas e instituições de investigação estão a explorá-los e a desenvolvê-los.

Os packs de bateria estruturais, uma revolução no design de veículos elétricos, oferecem muitos benefícios. 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 têm packs estruturais. De acordo com a Tesla, esta solução apresenta muitas vantagens, como reduzir significativamente o número de peças utilizadas tanto no pack de bateria como no carro.

Mais importante ainda, a empresa afirmou que as novas células e o pack estrutural deverão aumentar a autonomia do Model Y em 16% e diminuir o peso total do carro em 10%, resultando numa melhoria na aceleração e na condução.

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

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

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

Densidade Energética ao Nível do Pack de Bateria

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

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