Cuando los ingenieros y los equipos de compras se refieren a los "tipos de módulos de baterías para vehículos eléctricos", la variable clave es el formato de la celda: la geometría física y la carcasa de cada unidad electroquímica. El formato de la celda determina cómo se ubican las celdas en el módulo, cómo se disipa el calor, cómo se gestiona la hinchazón y qué placa de refrigeración y diseño de interfaz requiere el sistema térmico. Los formatos cilíndrico, prismático y tipo bolsa presentan ventajas e inconvenientes distintos en cuanto a densidad energética, gestión térmica, coste de fabricación y seguridad. Ningún formato es adecuado para todas las aplicaciones.
En Trumonytechs, trabajamos con los tres formatos de celdas en programas de gestión térmica para vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía. El formato de celda es uno de los factores iniciales más importantes para la geometría de la placa fría, la selección del material de interfaz térmica (TIM) y la especificación de la presión de contacto.
Los tres formatos principales de celdas de baterías para vehículos eléctricos
Celdas cilíndricas
Las pilas cilíndricas son el formato de iones de litio de producción masiva más antiguo. Consisten en enrollar materiales de electrodos en un cilindro metálico rígido, de geometría similar a una pila AA estándar, solo que de mayor tamaño. Algunos ejemplos comunes son la 18650, la 21700 y la 4680 de Tesla.
Las principales ventajas de este formato radican en la madurez de su fabricación y la amplitud de su cadena de suministro. Las celdas cilíndricas utilizan líneas de producción altamente automatizadas y se benefician de importantes economías de escala. Esto mantiene bajos los costos unitarios y reduce el riesgo de depender de un único proveedor. La carcasa rígida proporciona una protección estructural inherente. A diferencia de los formatos prismáticos o tipo bolsa, las celdas cilíndricas no se hinchan durante el ciclo de carga y descarga. Esto simplifica el diseño de la compresión del módulo.
Desde una perspectiva de seguridad, los paquetes pueden espaciar las celdas cilíndricas para limitar la propagación entre celdas adyacentes. Los formatos planos no proporcionan esto de forma pasiva. El espaciado de las celdas cilíndricas es una de las respuestas estructurales a fuga térmica de célula a célula que los formatos planos deben abordar mediante otras medidas de diseño.
La principal desventaja radica en la eficiencia volumétrica del paquete. Los espacios entre los cilindros son inevitables, lo que reduce el aprovechamiento del espacio en comparación con los formatos planos. Lograr un almacenamiento de energía equivalente también requiere más celdas que los diseños prismáticos de gran formato, lo que incrementa la complejidad del sistema de gestión de baterías (BMS) y los costos de conexión eléctrica.
Tesla fabricó sus primeros vehículos con baterías cilíndricas: primero la 18650, luego la 21700 y finalmente la 4680. La elección se basó en la disponibilidad, la madurez de la fabricación y el coste.
Células prismáticas
Las celdas prismáticas encapsulan los materiales de los electrodos en una carcasa rectangular rígida de aluminio o acero. Su geometría plana y apilable optimiza el aprovechamiento del espacio. Varias celdas se apilan directamente unas contra otras con un volumen muerto mínimo.
La alta capacidad de las celdas —normalmente de 50 a 200 Ah en vehículos eléctricos— reduce el número total de celdas y simplifica el diseño del sistema de gestión de baterías (BMS) y las barras colectoras. Las caras planas permiten el contacto directo con la placa fría. La configuración de capas internas apiladas también facilita la disipación del calor a través del grosor de la celda. Esto hace que las celdas prismáticas sean idóneas para aplicaciones donde la gestión térmica es una prioridad.
La hinchazón es un factor importante a considerar en el diseño. Las celdas prismáticas se expanden durante el ciclo de carga y descarga debido a la acumulación de gases y el desplazamiento de los electrodos. Las carcasas de los módulos deben incluir márgenes para esta expansión. Sin una gestión adecuada de la compresión, la hinchazón provoca una presión de contacto desigual en la interfaz de la placa fría y degrada la uniformidad térmica con el tiempo. El grado de hinchazón depende de la composición química de la celda, su capacidad y su historial de ciclos. No es un valor fijo para todos los formatos prismáticos y debe caracterizarse para la celda específica utilizada.
CATL y Samsung SDI suministran celdas prismáticas de gran formato para una amplia gama de programas OEM. La batería Blade de BYD es una variante prismática clave. La Blade utiliza una geometría de celda alargada que se integra directamente en la estructura del paquete, eliminando la capa intermedia del módulo. BYD afirma que los paquetes Blade logran una utilización del espacio sustancialmente mayor que las arquitecturas convencionales basadas en módulos, con una estabilidad térmica mejorada y un menor riesgo de fuga térmica. Tesla introdujo celdas prismáticas LFP —suministradas por CATL— en los Model 3 y Model Y de autonomía estándar fabricados en China, para reducir costos y permitir una integración más directa del paquete.
Células en bolsa
Las celdas tipo bolsa encapsulan los materiales de los electrodos en una película flexible laminada de aluminio y plástico. Esto proporciona la mayor densidad de energía gravimétrica de los tres formatos. Además, permite que la geometría de la celda se adapte a diseños de módulos irregulares o con espacio limitado.
Sin embargo, esta ventaja de empaquetado conlleva dos desafíos de diseño. Primero, las celdas tipo bolsa tienen una conductividad térmica relativamente baja a través del material de la bolsa. Las aplicaciones críticas térmicas pueden requerir una mayor área de contacto de la placa fría o refrigeración bilateral (placas en ambas caras del conjunto de celdas). Segundo, las celdas tipo bolsa se hinchan durante el ciclo. A diferencia de las celdas prismáticas con carcasas rígidas, la hinchazón de las celdas tipo bolsa debe controlarse a nivel de módulo mediante marcos de compresión y estructuras de restricción. Sin una compresión controlada, la hinchazón durante la vida útil provoca una variación de la presión de contacto en la interfaz de la placa fría. Esto produce diferencias de temperatura entre celdas durante el ciclo. El diseño de compresión del módulo y Selección de TIM de batería son interdependientes en los programas de células de la bolsa. Ninguno puede especificarse independientemente del otro.
SK On suministra celdas en formato bolsa a Ford para determinados programas de vehículos eléctricos. LG Energy Solution y Samsung SDI también producen celdas en formato bolsa de gran volumen para aplicaciones automotrices.
Principales diferencias de un vistazo
| Parámetro | Cilíndrico | Prismático | Bolsa |
|---|---|---|---|
| Caja | Cilindro metálico rígido | Estuche rígido rectangular | Película laminada flexible |
| Densidad de energía gravimétrica (a nivel celular) | Alta | Alta | Máximo |
| Eficiencia volumétrica del paquete | Moderado | Alta | Alta |
| Cambio dimensional con el ciclo | Ninguno | Moderado: requiere margen de crecimiento. | Significativo: requiere gestión de compresión |
| Enfoque de gestión térmica | Extracción radial; el espaciamiento celular limita la propagación. | Contacto directo con placa fría de superficie plana | Contacto de cara plana; dependiente de la compresión a lo largo de su vida útil. |
| Madurez de fabricación | Muy alto | Alta | Alta |
| Aplicaciones típicas | Vehículos eléctricos de pasajeros, vehículos de alto rendimiento, electrónica de consumo | Vehículos eléctricos comerciales, sistemas de almacenamiento de energía, autobuses, vehículos eléctricos de pasajeros con costes optimizados. | Vehículos eléctricos de pasajeros de gama alta, vehículos híbridos |
| Ejemplos de fabricantes de equipos originales (OEM) | Tesla (18650, 21700, 4680) | BYD Blade, CATL (gama estándar Tesla China) | SK On (programas de Ford), LG Energy Solution, Samsung SDI |
Tendencias en el formato del mercado
La cuota de mercado de los formatos ha variado significativamente. Según los datos de despliegue global de baterías para vehículos eléctricos de 2024, las celdas prismáticas representan aproximadamente el 691 % de las baterías por tonelada (TP4T). Esto supone un aumento respecto a las cerca del 401 % de las TP4T de 2020. Este cambio refleja una mayor adopción de las baterías LFP, que se complementan a la perfección con los formatos prismáticos, y el creciente desarrollo de la integración de celdas en paquetes. La cuota de mercado de las baterías cilíndricas ha disminuido en términos relativos. La cuota de mercado de las baterías tipo bolsa ha crecido modestamente.
Esto no significa que la tecnología prismática sea la opción adecuada para todos los programas. Refleja la evolución de las prioridades en cuanto a costes e integración, especialmente en China. Las aplicaciones de alto rendimiento y largo alcance siguen dependiendo de la química NMC de alta densidad energética. La tecnología NMC se utiliza en los tres formatos, según la estrategia del fabricante.
Cómo afecta el formato de celda a la gestión térmica
El formato de la celda determina la geometría de extracción de calor y reduce el rango viable. Tipos de sistemas de refrigeración de baterías antes de que comience el diseño térmico detallado. El diseño de la interfaz necesario para lograr una uniformidad de temperatura en todo el paquete varía significativamente según el formato.
Las celdas cilíndricas disipan el calor radialmente. El enrutamiento de la placa fría debe alcanzar la base o la pared lateral de cada celda. Los espacios naturales entre las celdas limitan la propagación del sobrecalentamiento. Esto representa una ventaja de seguridad pasiva. Si bien este mismo espaciado reduce la eficiencia volumétrica del paquete, simplifica el aislamiento térmico a nivel de celda.
Las celdas prismáticas y tipo bolsa utilizan placas frías de superficie plana para el contacto. Esto simplifica la geometría de refrigeración, pero convierte la uniformidad de la presión de contacto en la variable crítica. En las celdas prismáticas, la hinchazón durante los ciclos de carga y descarga modifica gradualmente las condiciones de contacto. El diseño del módulo debe mantener una presión adecuada durante toda su vida útil, no solo durante el montaje inicial. En las celdas tipo bolsa, el marco de compresión debe gestionar activamente la hinchazón, preservando al mismo tiempo el contacto térmico. La refrigeración bilateral resulta más práctica para los formatos tipo bolsa y prismáticos que para las configuraciones cilíndricas.
Química celular y formato: cómo interactúan
El formato y la composición química de la celda son variables independientes. Sin embargo, interactúan en la especificación de gestión térmica. El NMC proporciona una mayor densidad energética, pero requiere un control de temperatura más estricto debido a su menor estabilidad térmica. El LFP ofrece una menor densidad energética con una estabilidad térmica superior y una vida útil más prolongada. El LFP se utiliza ampliamente en formato prismático para vehículos eléctricos comerciales, sistemas de almacenamiento de energía y programas de vehículos eléctricos de pasajeros optimizados en cuanto a costes.
La implicación práctica es directa. NMC exige un control de ΔT más estricto y límites de temperatura más conservadores que LFP, independientemente del formato de la celda. Especificar la geometría de la placa fría basándose únicamente en el formato de la celda deja parte del diseño térmico sin definir. Gestión térmica del paquete de baterías Es necesario confirmar tanto el formato de la celda como su composición química antes de finalizar la geometría del canal o la especificación de la interfaz.
Contexto de validación de normas y seguridad
El formato de la celda afecta la forma en que se estructura la validación de seguridad. Los estándares clave aplicables a las celdas y módulos de baterías para vehículos eléctricos incluyen:
- IEC 62660-1Pruebas de rendimiento y vida útil de celdas de iones de litio en aplicaciones de tracción para vehículos eléctricos.
- IEC 62660-2Pruebas de fiabilidad y resistencia al abuso
- IEC 62660-3Requisitos de rendimiento en materia de seguridad
- ONU 38.3Pruebas de transporte para celdas y baterías de litio.
- GB 38031-2025Requisitos de seguridad y métodos de prueba de China para celdas, módulos y paquetes de baterías de tracción para vehículos eléctricos.
Estas normas se aplican a los tres formatos. Sin embargo, el comportamiento mecánico específico de cada formato —en particular la hinchazón en los formatos prismáticos y de bolsa— influye en cómo deben validarse los diseños de compresión, encapsulado y gestión térmica frente a los requisitos de las pruebas de resistencia al uso intensivo y de ciclos de carga y descarga.
Cuándo elegir cada formato
La selección del formato es una decisión a nivel de sistema. Como orientación general:
Las celdas cilíndricas son idóneas para aplicaciones donde la amplitud de la cadena de suministro, el bajo costo y la contención pasiva del desbordamiento térmico son prioritarios. Funcionan bien para vehículos eléctricos de pasajeros de alto rendimiento y diseños de paquetes estandarizados donde se puede manejar un mayor número de celdas.
Las celdas prismáticas son idóneas para aplicaciones donde la optimización del espacio, un diseño simplificado del sistema de gestión de baterías (BMS) y el contacto directo con la placa fría son prioritarios. Los vehículos eléctricos comerciales, los sistemas de almacenamiento de energía estacionarios y los programas de vehículos eléctricos de pasajeros con optimización de costes que utilizan la química LFP son los más adecuados.
Las celdas tipo bolsa son idóneas para aplicaciones donde la densidad energética gravimétrica y la flexibilidad de empaquetado son prioritarias. Los vehículos eléctricos de pasajeros de alta gama y los vehículos híbridos, donde la eficiencia en peso y espacio justifica una ingeniería de compresión adicional, son el principal caso de uso.
En la práctica, las decisiones sobre el formato del fabricante de equipos originales (OEM) también dependen de las relaciones con los proveedores, el acceso a la cadena de suministro regional y la arquitectura de integración. No existe una respuesta universal. El formato adecuado depende del conjunto completo de restricciones de diseño para el programa específico.
Conclusión
Las celdas cilíndricas, prismáticas y tipo bolsa presentan ventajas e inconvenientes distintos en cuanto a densidad energética, gestión térmica, fabricación y seguridad. Actualmente, los formatos prismáticos dominan el despliegue global de baterías para vehículos eléctricos, impulsados por la adopción de LFP y las tendencias de integración de celdas en paquetes. Sin embargo, los tres formatos siguen vigentes en diferentes segmentos y aplicaciones de vehículos.
En Trumonytechs, el formato de celda es uno de los primeros datos que confirmamos al iniciar un nuevo programa de gestión térmica. Determina la geometría de la placa fría, los requisitos del material de la interfaz y las condiciones de presión de compresión y contacto para las que diseñamos. Si está seleccionando un formato de celda para un nuevo programa o adaptando un diseño térmico existente a una geometría de celda diferente, comparta con nuestro equipo el diseño de su paquete, el formato de celda, la química y los objetivos térmicos. Revisaremos el diseño de la interfaz y le proporcionaremos una guía para Placas de refrigeración por agua para baterías de vehículos eléctricos y la selección de TIM en función de su aplicación específica.
PREGUNTAS FRECUENTES
¿Cuál es la diferencia entre el formato de celda de batería de un vehículo eléctrico y el tipo de módulo?
El formato de celda se refiere a la geometría física de la unidad electroquímica individual: cilíndrica, prismática o tipo bolsa. El tipo de módulo describe cómo se organizan, comprimen, conectan y enfrían las celdas dentro del conjunto. La mayoría de las discusiones sobre los tipos de módulos de baterías para vehículos eléctricos se centran en la comparación de formatos de celda, ya que el formato influye en la mayoría de las decisiones de diseño del módulo.
¿Qué formato de celda domina el mercado actual de vehículos eléctricos?
Las celdas prismáticas representan aproximadamente 691 TP4T de la capacidad global de despliegue de baterías para vehículos eléctricos a partir de 2024, un aumento con respecto a los aproximadamente 401 TP4T de 2020. Esto refleja la adopción de LFP y las tendencias de integración de celdas en paquetes, particularmente en China.
¿Por qué las celdas en bolsa y prismáticas requieren manejo de la compresión?
Ambos formatos cambian de dimensión durante el ciclo de carga y descarga. Las celdas prismáticas se expanden a medida que se acumulan gases y se desplazan los electrodos. Las celdas tipo bolsa se hinchan debido a que su embalaje flexible no limita la expansión. Sin un control de la compresión, la hinchazón provoca una presión de contacto desigual en las interfaces térmicas y reduce la uniformidad de la temperatura durante la vida útil.
¿Qué formato de celda maneja mejor la contención del desbordamiento térmico?
Las celdas cilíndricas utilizan el espaciado entre celdas para limitar la propagación del sobrecalentamiento entre celdas adyacentes. La batería Blade de BYD soluciona este problema mediante la integración estructural y la estabilidad térmica inherente de la química LFP. Las celdas tipo bolsa tienen una menor contención pasiva y dependen más del monitoreo activo y del diseño de protección a nivel de módulo.
¿Qué normas se aplican a la validación de la seguridad de las celdas de las baterías de los vehículos eléctricos?
Las normas clave incluyen IEC 62660-1, IEC 62660-2, IEC 62660-3, UN 38.3 y GB 38031-2025. Estas se aplican a los tres formatos de celda. El comportamiento de hinchamiento y compresión específico de cada formato influye en la validación de los diseños de la carcasa y la gestión térmica frente a los requisitos de las pruebas de resistencia y ciclos de carga y descarga.
