Lorsque les ingénieurs et les équipes d'approvisionnement parlent de “ types de modules de batteries pour véhicules électriques ”, le véritable facteur de décision est le format des cellules : la géométrie physique et le boîtier de chaque unité électrochimique. Le format des cellules détermine leur disposition dans le module, la dissipation de la chaleur, la gestion du gonflement et la conception de la plaque froide et de l'interface nécessaires au système thermique. Les formats cylindrique, prismatique et souple présentent chacun des compromis spécifiques en termes de densité énergétique, de gestion thermique, de coût de fabrication et de sécurité. Aucun format n'est universel.
Chez Trumonytechs, nous travaillons sur les trois formats de cellules dans les programmes de gestion thermique des véhicules électriques et des systèmes de stockage d'énergie. Le format de cellule est l'un des paramètres amont les plus importants pour la géométrie de la plaque froide, le choix du matériau d'interface thermique et la spécification de la pression de contact.
Les trois principaux formats de cellules de batterie pour véhicules électriques
Cellules cylindriques
Les cellules cylindriques sont le format de batterie lithium-ion produit en masse le plus ancien. Elles sont constituées d'un cylindre métallique rigide dont les matériaux d'électrode sont enroulés ; leur géométrie est similaire à celle d'une pile AA standard, mais plus grande. Parmi les formats courants, on trouve les 18650, 21700 et la 4680 de Tesla.
Les principaux atouts de ce format résident dans la maturité de sa production et l'étendue de sa chaîne d'approvisionnement. Les cellules cylindriques bénéficient de lignes de production hautement automatisées et d'importantes économies d'échelle, ce qui permet de maintenir un faible coût unitaire et de réduire les risques liés à un fournisseur unique. Le boîtier rigide assure une protection structurelle intrinsèque. Contrairement aux formats prismatiques ou à poche, les cellules cylindriques ne se dilatent pas lors des cycles de charge/décharge, simplifiant ainsi la conception de la compression des modules.
Du point de vue de la sécurité, les emballages peuvent espacer les cellules cylindriques afin de limiter la propagation entre les cellules adjacentes. Les emballages plats n'offrent pas cette protection de manière passive. L'espacement des cellules cylindriques est l'une des réponses structurelles à emballement thermique de cellule à cellule que les formats plats doivent prendre en compte par d'autres mesures de conception.
Le principal compromis réside dans l'efficacité volumétrique du pack. Les espaces entre les cylindres sont inévitables, ce qui réduit l'utilisation de l'espace par rapport aux formats plats. De plus, pour obtenir une capacité de stockage d'énergie équivalente, il faut davantage de cellules que pour les conceptions prismatiques grand format, ce qui accroît la complexité du système de gestion du bâtiment et les besoins en raccordement électrique.
Tesla a construit ses premiers véhicules autour de cellules cylindriques — d'abord les 18650, puis les 21700, puis les 4680. Ce choix était dicté par la disponibilité, la maturité de la fabrication et le coût.
Cellules prismatiques
Les cellules prismatiques renferment des matériaux d'électrode dans un boîtier rigide rectangulaire en aluminium ou en acier. Leur géométrie plate et empilable optimise l'espace disponible. Plusieurs cellules peuvent être empilées directement les unes contre les autres, minimisant ainsi le volume mort.
La capacité élevée des cellules (généralement de 50 à 200 Ah pour les véhicules électriques) réduit le nombre total de cellules et simplifie la conception du système de gestion de batterie (BMS) et des barres omnibus. Les faces planes permettent un contact direct avec la plaque froide. La configuration multicouche interne favorise également la dissipation thermique à travers l'épaisseur de la cellule. Ces caractéristiques rendent les cellules prismatiques particulièrement adaptées aux applications où la gestion thermique est primordiale.
Le gonflement est un facteur important à prendre en compte lors de la conception. Les cellules prismatiques se dilatent pendant les cycles de charge/décharge en raison de l'accumulation de gaz et du déplacement des électrodes. Les boîtiers des modules doivent prévoir une marge de dilatation. Sans une gestion adéquate de la compression, le gonflement entraîne une pression de contact inégale à l'interface de la plaque froide et dégrade l'uniformité thermique au fil du temps. L'ampleur du gonflement dépend de la chimie de la cellule, de sa capacité et de son historique de cycles. Elle n'est pas fixe pour tous les formats prismatiques et doit être caractérisée pour la cellule utilisée.
CATL et Samsung SDI fournissent des cellules prismatiques grand format à de nombreux constructeurs automobiles. La batterie Blade de BYD est une variante prismatique clé. La Blade utilise une géométrie de cellule allongée qui s'intègre directement dans la structure du pack, supprimant ainsi la couche de module intermédiaire. BYD affirme que les packs Blade offrent une utilisation de l'espace nettement supérieure aux architectures modulaires classiques, avec une stabilité thermique améliorée et un risque d'emballement thermique réduit. Tesla a introduit des cellules prismatiques LFP — fournies par CATL — dans les Model 3 et Model Y standard fabriquées en Chine, afin de réduire les coûts et de permettre une intégration plus directe du pack.
Cellules en poche
Les cellules à poche encapsulent les matériaux d'électrode dans un film souple laminé aluminium-plastique. Cette conception offre la densité énergétique gravimétrique la plus élevée des trois formats. Elle permet également d'adapter la géométrie des cellules à des modules de forme irrégulière ou à espace restreint.
Cependant, cet avantage en matière d'encapsulation s'accompagne de deux défis de conception. Premièrement, les cellules à poche présentent une conductivité thermique relativement faible à travers le matériau de la poche. Les applications critiques sur le plan thermique peuvent nécessiter une surface de contact plus importante avec la plaque froide ou un refroidissement bilatéral (plaques sur les deux faces de l'empilement de cellules). Deuxièmement, les cellules à poche gonflent lors des cycles de charge/décharge. Contrairement aux cellules prismatiques à boîtier rigide, le gonflement des cellules à poche doit être géré au niveau du module par des cadres de compression et des structures de confinement. Sans compression contrôlée, le gonflement au cours de la durée de vie entraîne une variation de la pression de contact à l'interface de la plaque froide. Ceci engendre des différences de température entre les cellules lors des cycles de charge/décharge. La conception de la compression du module et sélection de la pâte thermique de la batterie sont interdépendants dans les programmes des cellules pouch. Aucun ne peut être spécifié indépendamment de l'autre.
SK On fournit des cellules au format pouch à Ford pour certains programmes de véhicules électriques. LG Energy Solution et Samsung SDI produisent également en grande série des cellules pouch pour des applications automobiles.
Principales différences en bref
| Paramètre | Cylindrique | Prismatique | Poche |
|---|---|---|---|
| Enveloppe | Cylindre métallique rigide | Étui rigide rectangulaire | film laminé souple |
| densité énergétique gravimétrique (niveau cellulaire) | Haut | Haut | Le plus haut |
| efficacité volumétrique du paquet | Modéré | Haut | Haut |
| Changement dimensionnel avec le cyclisme | Aucun | Modéré — nécessite une marge de croissance | Important — nécessite une gestion de la compression |
| approche de gestion thermique | Extraction radiale ; l'espacement cellulaire limite la propagation | contact direct entre une plaque froide plane et une plaque froide | Contact à surface plane ; dépendant de la compression tout au long de la durée de vie |
| maturité de la fabrication | Très haut | Haut | Haut |
| Applications typiques | Véhicules électriques de tourisme, véhicules de performance, électronique grand public | Véhicules électriques commerciaux, systèmes de stockage d'énergie, bus, véhicules électriques de tourisme à coût optimisé | Véhicules électriques de tourisme haut de gamme, véhicules hybrides |
| Exemples de constructeurs automobiles | Tesla (18650, 21700, 4680) | BYD Blade, CATL (gamme standard Tesla Chine) | SK On (programmes Ford), LG Energy Solution, Samsung SDI |
Tendances des formats de marché
La part de marché des différents formats a considérablement évolué. D'après les données mondiales de déploiement des batteries pour véhicules électriques en 2024, les cellules prismatiques représentent environ 691 % du marché, contre environ 401 % en 2020. Cette évolution reflète l'adoption plus large de la technologie LFP, qui s'accorde naturellement avec les formats prismatiques, et le développement de l'intégration des cellules dans les packs. La part des cellules cylindriques a diminué en termes relatifs, tandis que celle des cellules en sachet a légèrement progressé.
Cela ne signifie pas que la technologie prismatique soit le choix idéal pour tous les programmes. Cela reflète l'évolution des priorités en matière de coûts et d'intégration, notamment en Chine. Les applications hautes performances et longue portée reposent toujours sur la chimie NMC à haute densité énergétique. La technologie NMC est présente dans les trois formats selon la stratégie du fabricant d'équipement d'origine (OEM).
Comment le format des cellules affecte la gestion thermique
Le format de la cellule détermine la géométrie d'extraction de chaleur et restreint le champ des possibles types de systèmes de refroidissement de batteries Avant d'entamer la conception thermique détaillée, il convient de noter que la conception de l'interface nécessaire pour obtenir une uniformité de température à l'échelle du pack varie considérablement selon le format.
Les cellules cylindriques dissipent la chaleur radialement. Le circuit de refroidissement doit atteindre la base ou la paroi latérale de chaque cellule. L'espacement naturel entre les cellules limite la propagation de l'emballement thermique, ce qui constitue un avantage en matière de sécurité passive. Cet espacement réduit l'efficacité volumétrique du pack, mais simplifie l'isolation thermique au niveau des cellules.
Les cellules prismatiques et à poche utilisent un contact par plaque froide plane. Ceci simplifie la géométrie du refroidissement. Cependant, l'uniformité de la pression de contact devient alors un facteur critique. Pour les cellules prismatiques, le gonflement dû aux cycles de charge/décharge modifie progressivement les conditions de contact. La conception du module doit maintenir une pression adéquate tout au long de sa durée de vie, et pas seulement lors de l'assemblage initial. Pour les cellules à poche, le cadre de compression doit gérer activement le gonflement tout en préservant le contact thermique. Le refroidissement bilatéral est plus adapté aux formats à poche et prismatiques qu'aux configurations cylindriques.
Chimie et format cellulaires : comment ils interagissent
Le format et la composition chimique des cellules sont des variables indépendantes. Cependant, ils interagissent dans les spécifications de gestion thermique. Les cellules NMC offrent une densité énergétique plus élevée, mais nécessitent un contrôle de température plus strict en raison de leur moindre stabilité thermique. Les cellules LFP offrent une densité énergétique plus faible, mais une stabilité thermique supérieure et une durée de vie plus longue. Elles sont largement utilisées sous forme prismatique pour les véhicules électriques commerciaux, les systèmes de stockage d'énergie et les programmes de véhicules électriques de tourisme optimisés en termes de coûts.
La conséquence pratique est directe : la technologie NMC exige un contrôle plus strict du ΔT et des limites de température plus conservatrices que la technologie LFP, quel que soit le format de cellule. Spécifier la géométrie de la plaque froide uniquement à partir du format de cellule ne permet pas de définir une partie de la conception thermique. gestion thermique du bloc-batterie Il est nécessaire de confirmer à la fois le format de la cellule et sa chimie avant de finaliser la géométrie du canal ou les spécifications de l'interface.
Contexte de validation des normes et de la sécurité
Le format des cellules influe sur la structure de la validation de sécurité. Les principales normes applicables aux cellules et modules de batteries pour véhicules électriques sont les suivantes :
- CEI 62660-1: Tests de performance et de durée de vie des cellules lithium-ion dans les applications de traction pour véhicules électriques
- CEI 62660-2: Tests de fiabilité et de résistance aux abus
- CEI 62660-3: exigences de performance en matière de sécurité
- UN 38.3: Tests de transport pour les piles et batteries au lithium
- GB 38031-2025Exigences de sécurité et méthodes d'essai chinoises pour les cellules, modules et packs de batteries de traction pour véhicules électriques
Ces normes s'appliquent aux trois formats. Cependant, le comportement mécanique spécifique à chaque format — notamment le gonflement des formats prismatiques et à poche — influe sur la manière dont les conceptions de compression, de boîtier et de gestion thermique doivent être validées par rapport aux exigences des tests de contrainte et de cyclage.
Quand choisir chaque format
Le choix du format est une décision au niveau du système. De manière générale :
Les cellules cylindriques conviennent aux applications où la flexibilité de la chaîne d'approvisionnement, le faible coût et la protection passive contre l'emballement thermique sont des critères essentiels. Elles sont particulièrement adaptées aux véhicules électriques de tourisme hautes performances et aux batteries standardisées permettant de gérer un nombre élevé de cellules.
Les cellules prismatiques conviennent aux applications où l'optimisation de l'espace, la simplification de la conception du système de gestion de batterie et le contact direct avec la plaque froide sont des priorités. Les véhicules électriques commerciaux, les systèmes de stockage d'énergie stationnaires et les programmes de véhicules électriques de tourisme à coût optimisé utilisant la technologie LFP en sont les applications les plus pertinentes.
Les cellules à poche conviennent aux applications où la densité énergétique gravimétrique et la flexibilité d'intégration sont primordiales. Les véhicules électriques et hybrides haut de gamme — où l'optimisation du poids et de l'espace justifie des techniques de compression supplémentaires — en sont le principal cas d'utilisation.
En pratique, les choix de format des équipementiers dépendent également des relations avec les fournisseurs, de l'accès à la chaîne d'approvisionnement régionale et de l'architecture d'intégration. Il n'existe pas de solution universelle. Le format approprié dépend de l'ensemble des contraintes de conception du programme concerné.
Conclusion
Les cellules cylindriques, prismatiques et à poche présentent des compromis distincts en termes de densité énergétique, de gestion thermique, de fabrication et de sécurité. Les cellules prismatiques dominent aujourd'hui le déploiement mondial des batteries pour véhicules électriques, grâce à l'adoption des piles LFP et à l'intégration croissante des cellules dans les packs. Cependant, les trois formats restent utilisés dans différents segments de véhicules et applications.
Chez Trumonytechs, le format des cellules est l'un des premiers éléments que nous validons lors du lancement d'un nouveau programme de gestion thermique. Il détermine la géométrie de la plaque froide, les exigences relatives aux matériaux d'interface, ainsi que les conditions de compression et de pression de contact pour lesquelles nous concevons nos cellules. Si vous choisissez un format de cellule pour un nouveau programme ou si vous adaptez une conception thermique existante à une géométrie de cellule différente, veuillez partager avec notre équipe la configuration de votre pack, le format de vos cellules, la chimie des réactifs et vos objectifs thermiques. Nous examinerons la conception de l'interface et vous fournirons des recommandations. plaques de refroidissement par eau des batteries de véhicules électriques et le choix du matériau d'interface thermique en fonction de votre application spécifique.
FAQ
Quelle est la différence entre le format des cellules et le type de module d'une batterie de véhicule électrique ?
Le format des cellules correspond à la géométrie physique de chaque unité électrochimique : cylindrique, prismatique ou en forme de poche. Le type de module, quant à lui, décrit la manière dont les cellules sont agencées, comprimées, connectées et refroidies au sein d’un module. La plupart des discussions sur les “ types de modules de batteries pour véhicules électriques ” portent sur la comparaison des formats de cellules, car ce dernier influence fortement les décisions de conception des modules.
Quel format de cellule domine actuellement le marché des véhicules électriques ?
Les cellules prismatiques représentent environ 691 TP4T de la capacité mondiale de déploiement de batteries pour véhicules électriques en 2024, contre environ 401 TP4T en 2020. Cela reflète l'adoption de la technologie LFP et les tendances d'intégration des cellules aux packs, notamment en Chine.
Pourquoi les cellules en poche et prismatiques nécessitent-elles une gestion de la compression ?
Les deux formats subissent des variations dimensionnelles lors des cycles de charge/décharge. Les cellules prismatiques se dilatent sous l'effet de l'accumulation de gaz et du déplacement des électrodes. Les cellules à poche gonflent car leur emballage flexible ne limite pas leur dilatation. Sans gestion de la compression, ce gonflement engendre une pression de contact irrégulière au niveau des interfaces thermiques et dégrade l'uniformité de la température au fil de leur durée de vie.
Quel format de cellule permet le mieux de contenir l'emballement thermique ?
Les cellules cylindriques utilisent l'espacement entre elles pour limiter la propagation de l'emballement thermique. La batterie Blade de BYD résout ce problème grâce à une intégration structurelle et à la stabilité thermique intrinsèque de la technologie LFP. Les cellules à poche, quant à elles, présentent un confinement passif moindre et reposent davantage sur une surveillance active et une conception de protection au niveau du module.
Quelles sont les normes applicables à la validation de la sécurité des cellules de batteries de véhicules électriques ?
Les normes clés comprennent les normes IEC 62660-1, IEC 62660-2, IEC 62660-3, UN 38.3 et GB 38031-2025. Elles s'appliquent aux trois formats de cellules. Le comportement au gonflement et à la compression, spécifique à chaque format, influe sur la validation des conceptions de boîtier et de gestion thermique par rapport aux exigences des tests de contrainte et de cyclage.
