Quando ingegneri e team di approvvigionamento parlano di "tipologie di moduli per batterie per veicoli elettrici", la vera variabile decisionale è il formato delle celle: la geometria fisica e l'involucro della singola unità elettrochimica. Il formato delle celle determina come le celle si dispongono all'interno del modulo, come il calore viene dissipato dal pacco, come viene gestito il rigonfiamento e quale design di piastra di raffreddamento e interfaccia è necessario per il sistema termico. I formati cilindrico, prismatico e a sacchetto comportano ciascuno compromessi distinti in termini di densità energetica, gestione termica, costi di produzione e sicurezza. Non esiste un singolo formato adatto a tutte le applicazioni.
In Trumonytechs, lavoriamo su tutti e tre i formati di celle nei programmi di gestione termica per veicoli elettrici e sistemi di accumulo di energia. Il formato della cella è uno degli input a monte più importanti per la geometria della piastra di raffreddamento, la selezione del materiale di interfaccia termica (TIM) e la specifica della pressione di contatto.
I tre principali formati di celle per batterie per veicoli elettrici
Cellule cilindriche
Le celle cilindriche sono il formato di batterie agli ioni di litio più antico prodotto in serie. Sono costituite da un cilindro metallico rigido in cui il materiale degli elettrodi è arrotolato, con una geometria simile a quella di una normale batteria AA, ma di dimensioni maggiori. Tra i formati più comuni si annoverano la 18650, la 21700 e la 4680 di Tesla.
I principali vantaggi di questo formato risiedono nella maturità produttiva e nell'ampiezza della catena di fornitura. Le celle cilindriche utilizzano linee di produzione altamente automatizzate e beneficiano di forti economie di scala. Ciò mantiene bassi i costi unitari e riduce il rischio di dipendenza da un unico fornitore. L'involucro rigido offre una protezione strutturale intrinseca. A differenza dei formati prismatici o a sacchetto, le celle cilindriche non si gonfiano durante i cicli di carica e scarica. Questo semplifica la progettazione della compressione del modulo.
Dal punto di vista della sicurezza, i pacchi possono distanziare le celle cilindriche per limitare la propagazione tra le celle adiacenti. I formati piatti non forniscono questo passivamente. La spaziatura delle celle cilindriche è una delle risposte strutturali a fuga termica da cella a cella che i formati piatti devono affrontare attraverso altre soluzioni di design.
Il principale compromesso riguarda l'efficienza volumetrica del pacco batterie. Gli spazi tra i cilindri sono inevitabili, il che riduce l'utilizzo dello spazio rispetto ai formati piatti. Inoltre, per ottenere un accumulo di energia equivalente, è necessario un numero maggiore di celle rispetto ai design prismatici di grande formato. Questo aumenta la complessità del BMS e il sovraccarico di connessioni elettriche.
Tesla ha costruito i suoi primi veicoli attorno a celle cilindriche: prima le 18650, poi le 21700 e infine le 4680. La scelta è stata dettata dalla disponibilità, dalla maturità del processo produttivo e dai costi.
Celle prismatiche
Le celle prismatiche racchiudono i materiali degli elettrodi in un involucro rigido rettangolare di alluminio o acciaio. La geometria piatta e impilabile migliora l'utilizzo dello spazio del pacco. Più celle possono essere impilate una contro l'altra con un volume morto minimo.
L'elevata capacità delle celle, tipicamente compresa tra 50 e 200 Ah nelle applicazioni per veicoli elettrici, riduce il numero totale di celle e semplifica la progettazione del BMS e delle barre collettrici. Le superfici piane consentono il contatto diretto con la piastra di raffreddamento. La configurazione a strati interni sovrapposti favorisce inoltre la dissipazione del calore attraverso lo spessore della cella. Ciò rende le celle prismatiche particolarmente adatte ad applicazioni in cui la gestione termica è una priorità.
Il rigonfiamento è un aspetto importante da considerare in fase di progettazione. Le celle prismatiche si espandono durante i cicli di carica e scarica a causa dell'accumulo di gas e dello spostamento degli elettrodi. Gli involucri dei moduli devono prevedere un margine per questa espansione. Senza un'adeguata gestione della compressione, il rigonfiamento causa una pressione di contatto non uniforme all'interfaccia con la piastra fredda e degrada l'uniformità termica nel tempo. L'entità del rigonfiamento dipende dalla composizione chimica della cella, dalla sua capacità e dalla storia dei cicli di carica e scarica. Non si tratta di un valore fisso per tutti i formati prismatici e deve essere caratterizzato per la specifica cella utilizzata.
CATL e Samsung SDI forniscono celle prismatiche di grande formato per un'ampia gamma di programmi OEM. La batteria Blade di BYD è una variante prismatica chiave. La Blade utilizza una geometria delle celle allungata che si integra direttamente nella struttura del pacco, eliminando lo strato intermedio dei moduli. BYD afferma che i pacchi Blade raggiungono un utilizzo dello spazio notevolmente superiore rispetto alle architetture convenzionali basate su moduli, con una migliore stabilità termica e un minor rischio di instabilità termica. Tesla ha introdotto celle prismatiche LFP, fornite da CATL, nei modelli Model 3 e Model Y a autonomia standard prodotti in Cina, per ridurre i costi e consentire un'integrazione più diretta del pacco.
Cellule a sacco
Le celle a sacchetto racchiudono i materiali degli elettrodi in una pellicola flessibile laminata di alluminio e plastica. Questo garantisce la più alta densità di energia gravimetrica tra i tre formati. Permette inoltre di adattare la geometria della cella a moduli con forme irregolari o con spazio limitato.
Tuttavia, questo vantaggio di confezionamento comporta due sfide di progettazione. In primo luogo, le celle a sacchetto hanno una conduttività termica relativamente bassa attraverso il materiale del sacchetto. Le applicazioni termicamente critiche potrebbero richiedere una maggiore area di contatto della piastra fredda o un raffreddamento bilaterale, ovvero piastre su entrambe le facce dello stack di celle. In secondo luogo, le celle a sacchetto si gonfiano durante il ciclo. A differenza delle celle prismatiche con involucri rigidi, il rigonfiamento delle celle a sacchetto deve essere gestito a livello di modulo tramite telai di compressione e strutture di contenimento. Senza una compressione controllata, il rigonfiamento durante la vita utile provoca variazioni della pressione di contatto all'interfaccia della piastra fredda. Ciò produce differenze di temperatura tra le celle durante il ciclo. Progettazione della compressione del modulo e Selezione TIM della batteria Nei programmi di coltura cellulare a sacca, questi elementi sono interdipendenti. Nessuno dei due può essere specificato indipendentemente dall'altro.
SK On fornisce celle in formato a sacchetto a Ford per alcuni programmi di veicoli elettrici. Anche LG Energy Solution e Samsung SDI producono celle a sacchetto in grandi volumi per applicazioni automobilistiche.
Principali differenze in sintesi
| Parametro | Cilindrico | prismatico | Sacchetto |
|---|---|---|---|
| Involucro | Cilindro metallico rigido | Custodia rigida rettangolare | Pellicola laminata flessibile |
| Densità di energia gravitazionale (a livello di cella) | Alto | Alto | Più alto |
| Efficienza volumetrica della confezione | Moderato | Alto | Alto |
| Variazione dimensionale con il ciclismo | Nessuno | Moderato — richiede un margine di crescita | Significativo — richiede la gestione della compressione |
| approccio alla gestione termica | Estrazione radiale; la spaziatura cellulare limita la propagazione | Contatto diretto con la piastra fredda a superficie piana | Contatto con superficie piana; dipendente dalla compressione durante l'intero ciclo di vita |
| Maturità produttiva | Molto alto | Alto | Alto |
| Applicazioni tipiche | Veicoli elettrici per passeggeri, veicoli ad alte prestazioni, elettronica di consumo | Veicoli elettrici commerciali, sistemi di accumulo di energia (ESS), autobus, veicoli elettrici per il trasporto passeggeri a costi ottimizzati. | Veicoli elettrici e ibridi di alta gamma per il trasporto passeggeri |
| Esempi OEM | Tesla (18650, 21700, 4680) | BYD Blade, CATL (gamma standard Tesla Cina) | SK On (programmi Ford), LG Energy Solution, Samsung SDI |
Tendenze di formato del mercato
La quota di mercato dei formati si è modificata in modo significativo. In base ai dati globali di diffusione delle batterie per veicoli elettrici del 2024, le celle prismatiche detengono una quota di mercato di circa il 69,1% (TP4T). Si tratta di un aumento rispetto al 40,1% circa (TP4T) del 2020. Questo cambiamento riflette una maggiore adozione dei formati LFP (Light-Focused Polymer), che si abbinano naturalmente ai formati prismatici, e la crescita dell'integrazione cella-pacco. La quota di mercato dei formati cilindrici è diminuita in termini relativi, mentre quella dei formati a sacchetto è cresciuta modestamente.
Ciò non significa che la tecnologia prismatica sia la scelta giusta per ogni programma. Riflette piuttosto l'evoluzione delle priorità in termini di costi e integrazione, soprattutto in Cina. Le applicazioni ad alte prestazioni e a lungo raggio si basano ancora sulla tecnologia NMC ad alta densità energetica. La tecnologia NMC è presente in tutti e tre i formati a seconda della strategia del produttore.
Come il formato delle celle influisce sulla gestione termica
Il formato della cella determina la geometria di estrazione del calore e restringe la gamma di applicazioni possibili. tipi di sistemi di raffreddamento della batteria prima di iniziare la progettazione termica dettagliata. La progettazione dell'interfaccia necessaria per ottenere uniformità di temperatura in tutto il pacco varia significativamente a seconda del formato.
Le celle cilindriche dissipano il calore radialmente. Il percorso della piastra fredda deve raggiungere la base o la parete laterale di ciascuna cella. Gli spazi naturali tra le celle limitano la propagazione dell'instabilità termica. Questo rappresenta un vantaggio in termini di sicurezza passiva. La stessa spaziatura riduce l'efficienza volumetrica del pacco, ma semplifica l'isolamento termico a livello di cella.
Le celle prismatiche e a sacchetto utilizzano un contatto con piastra fredda a superficie piana. Questo semplifica la geometria di raffreddamento, ma rende l'uniformità della pressione di contatto la variabile critica. Per le celle prismatiche, il rigonfiamento durante i cicli di carica/scarica modifica gradualmente le condizioni di contatto. La progettazione del modulo deve mantenere una pressione adeguata per tutta la durata di vita utile, non solo al momento dell'assemblaggio iniziale. Per le celle a sacchetto, il telaio di compressione deve gestire attivamente il rigonfiamento preservando al contempo il contatto termico. Il raffreddamento bilaterale è più pratico per i formati a sacchetto e prismatici rispetto alle configurazioni cilindriche.
Chimica cellulare e formato cellulare: come interagiscono
Il formato e la composizione chimica delle celle sono variabili indipendenti. Tuttavia, interagiscono nella specifica della gestione termica. Le celle NMC offrono una maggiore densità energetica, ma richiedono un controllo della temperatura più rigoroso a causa della minore stabilità termica. Le celle LFP offrono una minore densità energetica con una stabilità termica superiore e una maggiore durata del ciclo di vita. Le celle LFP sono ampiamente utilizzate in formato prismatico per veicoli elettrici commerciali, sistemi di accumulo di energia (ESS) e programmi di veicoli elettrici per il trasporto passeggeri ottimizzati in termini di costi.
L'implicazione pratica è diretta. NMC richiede un controllo ΔT più preciso e limiti di temperatura più conservativi rispetto a LFP, indipendentemente dal formato della cella. Specificare la geometria della piastra fredda basandosi unicamente sul formato della cella lascia indefinita una parte della progettazione termica. gestione termica del pacco batterie È necessario confermare sia il formato della cella che la sua composizione chimica prima di finalizzare la geometria del canale o le specifiche dell'interfaccia.
Contesto di convalida degli standard e della sicurezza
Il formato delle celle influisce sulla struttura della validazione della sicurezza. Gli standard principali applicabili alle celle e ai moduli delle batterie per veicoli elettrici includono:
- Norma IEC 62660-1Test di prestazioni e durata per celle agli ioni di litio in applicazioni di trazione per veicoli elettrici.
- Norma IEC 62660-2Test di affidabilità e resistenza agli abusi
- Norma IEC 62660-3Requisiti di prestazione in materia di sicurezza
- ONU 38.3Test di trasporto per celle e batterie al litio
- GB 38031-2025Requisiti di sicurezza e metodi di prova cinesi per celle, moduli e pacchi batteria per veicoli elettrici
Questi standard si applicano a tutti e tre i formati. Tuttavia, il comportamento meccanico specifico di ciascun formato, in particolare il rigonfiamento nei formati prismatici e a sacchetto, influisce sulle modalità di validazione dei progetti di compressione, involucro e gestione termica rispetto ai requisiti di test di resistenza ad abusi e cicli di utilizzo.
Quando scegliere ciascun formato
La scelta del formato è una decisione a livello di sistema. In linea generale:
Le celle cilindriche sono adatte ad applicazioni in cui l'ampiezza della catena di approvvigionamento, il basso costo e il contenimento passivo della fuga termica sono prioritari. Funzionano bene per i veicoli elettrici per il trasporto passeggeri ad alte prestazioni e per i design standardizzati dei pacchi batteria in cui un numero elevato di celle è gestibile.
Le celle prismatiche sono adatte ad applicazioni in cui l'utilizzo dello spazio del pacco batteria, la semplificazione della progettazione del BMS e il contatto diretto con la piastra fredda sono prioritari. I veicoli elettrici commerciali, i sistemi di accumulo di energia stazionari e i programmi di veicoli elettrici per il trasporto passeggeri ottimizzati in termini di costi che utilizzano la chimica LFP sono gli esempi più appropriati.
Le celle a sacchetto sono adatte ad applicazioni in cui la densità energetica gravimetrica e la flessibilità di confezionamento sono prioritarie. I veicoli elettrici e ibridi di alta gamma, dove il peso e l'efficienza in termini di spazio giustificano un'ulteriore ingegneria della compressione, rappresentano il caso d'uso principale.
In pratica, le decisioni relative al formato OEM dipendono anche dai rapporti con i fornitori, dall'accesso alla catena di fornitura regionale e dall'architettura di integrazione. Non esiste una risposta universale. Il formato più adatto dipende da tutti i vincoli di progettazione specifici del programma.
Conclusione
Le celle cilindriche, prismatiche e a sacchetto offrono compromessi distinti in termini di densità energetica, gestione termica, produzione e sicurezza. I formati prismatici dominano attualmente la diffusione globale delle batterie per veicoli elettrici, grazie all'adozione della tecnologia LFP e alle tendenze di integrazione cella-pacco. Tuttavia, tutti e tre i formati rimangono attivi in diversi segmenti di veicoli e applicazioni.
In Trumonytechs, il formato delle celle è uno dei primi input che confermiamo quando iniziamo un nuovo programma di gestione termica. Determina la geometria della piastra fredda, i requisiti del materiale di interfaccia e le condizioni di compressione e pressione di contatto per cui progettiamo. Se stai selezionando un formato di celle per un nuovo programma o adattando un progetto termico esistente a una diversa geometria delle celle, condividi con il nostro team il layout del pacco, il formato delle celle, la composizione chimica e gli obiettivi termici. Esamineremo il progetto dell'interfaccia e forniremo una direzione per piastre di raffreddamento ad acqua per batterie di veicoli elettrici e la selezione del TIM in base alla specifica applicazione.
FAQ
Qual è la differenza tra il formato delle celle e il tipo di modulo delle batterie per veicoli elettrici?
Il formato della cella si riferisce alla geometria fisica della singola unità elettrochimica: cilindrica, prismatica o a sacchetto. Il tipo di modulo indica come le celle sono disposte, compresse, collegate e raffreddate all'interno di un modulo. La maggior parte delle discussioni sui "tipi di moduli per batterie per veicoli elettrici" si concentra sul confronto tra i formati delle celle, poiché il formato influenza la maggior parte delle decisioni di progettazione del modulo.
Quale formato di celle domina attualmente il mercato dei veicoli elettrici?
Nel 2024, le celle prismatiche rappresentavano circa 691 TP4T di capacità globale di batterie per veicoli elettrici, rispetto ai circa 401 TP4T del 2020. Ciò riflette l'adozione della tecnologia LFP e le tendenze di integrazione cella-pacco, in particolare in Cina.
Perché le cellule a sacchetto e prismatiche richiedono la gestione della compressione?
Entrambi i formati cambiano dimensione durante i cicli di carica e scarica. Le celle prismatiche si espandono a causa dell'accumulo di gas e dello spostamento degli elettrodi. Le celle a sacchetto si gonfiano perché il loro involucro flessibile non limita l'espansione. Senza una gestione della compressione, il rigonfiamento provoca una pressione di contatto non uniforme alle interfacce termiche e degrada l'uniformità della temperatura durante la vita utile.
Quale formato di cella gestisce meglio il contenimento del surriscaldamento incontrollato?
Le celle cilindriche utilizzano la spaziatura tra le celle per limitare la propagazione dell'instabilità termica tra le celle adiacenti. La batteria Blade di BYD affronta questo problema attraverso l'integrazione strutturale e l'intrinseca stabilità termica della chimica LFP. Le celle a sacchetto hanno un contenimento passivo inferiore e si affidano maggiormente al monitoraggio attivo e alla progettazione della protezione a livello di modulo.
Quali standard si applicano alla validazione della sicurezza delle celle delle batterie dei veicoli elettrici?
Gli standard chiave includono IEC 62660-1, IEC 62660-2, IEC 62660-3, UN 38.3 e GB 38031-2025. Questi si applicano a tutti e tre i formati di celle. Il comportamento di rigonfiamento e compressione specifico per ciascun formato influisce sulla validazione dei progetti di involucri e di gestione termica rispetto ai requisiti dei test di abuso e cicli di carica/scarica.
