Un modulo di accumulo energetico è lo strato di integrazione centrale tra una cella grezza e un pacco batteria finito. A questo livello, un insieme fisso di celle è collegato in serie e in parallelo e, per la prima volta, viene fornito supporto meccanico, monitoraggio di base e una superficie definita per la dissipazione del calore. È proprio questa superficie di dissipazione del calore che fa sì che il modulo sia importante per un tecnico termico quanto per uno elettrico. Il percorso dalla cella calda fino al liquido di raffreddamento è definito in gran parte a livello del modulo, prima che il pacco venga chiuso. Questo articolo illustra cosa sia un modulo, cosa contiene, come il formato delle celle modifica il percorso termico e cosa cambia effettivamente quando i moduli vengono accoppiati in un pacco.
Cos’è un modulo batteria per l’accumulo di energia?
Un modulo batteria raggruppa più celle in un’unica unità utilizzabile, aumentando la tensione e la capacità, aggiungendo al contempo il primo strato di protezione strutturale e termica attorno alle celle. Le celle sono l’unità elettrochimica più piccola e determinano la chimica, la tensione nominale e la durata del ciclo di vita. Il modulo le combina in modo da poter realizzare un sistema più grande e mantenerlo in blocchi anziché in cellule singole. Un pacco, di un livello superiore, integra diversi moduli con un sistema di gestione della batteria a livello di pacco, di gestione termica e di involucro nel prodotto finito che un veicolo o un armadio di stoccaggio effettivamente utilizza.
La tensione e la capacità a livello del modulo dipendono direttamente dalla modalità di collegamento delle celle. Le connessioni in serie aumentano la tensione, mentre quelle in parallelo aumentano la capacità; pertanto il nome del modulo è una scelta di design, non un numero fisso. La chimica delle celle stabilisce il punto di partenza: le celle a litio ferro fosfato (LFP) hanno un voltaggio nominale di circa 3,2 V, mentre le celle a base di nickel come NMC e NCA si avvicinano a 3,6–3,7 V. Le cifre esatte devono essere riportate nel foglio di dati specifico della cella, non da dedurre dal formato.
Esistono i moduli perché la scalabilità e la manutenibilità migliorano quando le celle vengono gestite in gruppi. Un modulo che si guasta, invecchia o richiede la sostituzione può essere rimosso e sostituito senza compromettere l’intero sistema. L’aggregazione consente inoltre al costruttore di standardizzare un componente all’interno di un prodotto. Un modulo costruito per un sistema solitamente non si integra perfettamente in un altro, ed è questa una delle ragioni moduli batteria personalizzati Sono progettati in base a una specifica cella, geometria del pacco e interfaccia di raffreddamento; non vengono venduti come componenti generici.
Cosa c’è all’interno di un modulo batteria
All’interno di un modulo batteria si trova un array di celle definito, oltre alle parti che lo collegano, lo tengono in posizione, lo monitorano e lo raffreddano: non solo le celle stesse. Ogni componente ha il suo posto perché un modulo deve resistere alle vibrazioni, ai cicli termici e agli anni di carica e scarica senza scollarsi o surriscaldarsi. Le componenti principali sono costanti nella maggior parte dei modelli:
- Array di celle: le celle sono disposte e fissate secondo un modello scelto a serie o parallelo, che determina la tensione e la capacità del modulo.
- Busbar e interconnessioni: i collegamenti conduttivi che trasferiscono la corrente tra le celle e verso i terminali del modulo.
- Custodia o struttura meccanica: la struttura che mantiene le cellule in posizione, supporta il carico di serraggio e conferisce al modulo la rigidità di movimentazione.
- Elettronica di monitoraggio: rilevamento della tensione e della temperatura a livello cellulare, spesso tramite un modulo di monitoraggio che segnala ai BMS al livello del pacco.
- Interfaccia termica e superficie di raffreddamento: il materiale che riempie lo spazio vuoto e la superficie di contatto che trasferiscono il calore dalle celle verso un piattino freddo o una struttura di raffreddamento.
Gli ultimi due elementi sono il punto in cui un modulo smette di essere un insieme di celle libere e diventa un'unità gestita. Il monitoraggio a livello di modulo avvisa tempestivamente la presenza di una cella fuori dal range, mentre l'interfaccia termica determina quanto efficacemente il calore raggiunge effettivamente il percorso di raffreddamento. Entrambi aspetti sono facili da sottovalutare e costosi da risolvere una volta che il modulo è stato assemblato e sigillato.
Come il formato delle celle determina il percorso termico del modulo
Il formato delle celle determina dove il calore lascia la cella e quindi come deve apparire la superficie di raffreddamento del modulo. Le celle cilindriche, prismatiche e a sacchetto presentano ciascuna una geometria di contatto diversa, quindi un approccio di raffreddamento adatto a uno formato non è mai ottimale per un altro. I tre formati differiscono sia per forma che per la quantità di superficie piana che offrono per il trasferimento del calore:
- Le celle cilindriche (come le 18650 con diametro 18 mm e lunghezza 65 mm, le 21700 o le più grandi 4680) presentano superfici curve e terminali concentrati, quindi il calore viene spesso trasferito dalle estremità o attraverso gli spazi tra le celle.
- Le celle prismatiche presentano facce piane di grandi dimensioni e sono particolarmente adatte a un contatto uniforme e ampio con una piastra fredda su un lato.
- Le cellule pouch sono sottili e flessibili, con facce molto ampie ma bassa rigidità, quindi necessitano di un supporto uniforme e di una pressione controllata per mantenere un contatto costante.
La qualità del contatto, oltre alla superficie di contatto stessa, determina il risultato finale. I veri lati delle celle non sono mai perfettamente piani e le tolleranze degli strati di montaggio lasciano un piccolo spazio variabile tra la cella e la superficie di raffreddamento. Un materiale di interfaccia termica riempie questo spazio in modo che il calore non venga ostacolato dall’aria intrappolata. Anche lo stress di assemblaggio è importante, poiché una pressione di serraggio troppo bassa lascia vuoti mentre una pressione troppo elevata può deformare una cella a sacchetto o rompere una cella rigida. Per una suddivisione più profonda per formato, consultate la nostra panoramica tipologie di moduli batteria per veicoli elettrici descrive come ciascuna geometria concilia la densità energetica con la facilità di raffreddamento.
Gestione termica a livello del modulo
La gestione termica a livello di modulo esiste per mantenere ogni cella all’interno di una fascia di temperatura stretta e uniforme. La diffusione della temperatura all’interno di un modulo fa sì che le celle si raffreddino in modo irregolare e, nel peggiore dei casi, favorisce la fuga termica. Se una cella agli ioni di litio surriscalda o si rompe, può entrare in fuga termica e propagarsi ai suoi vicini; questo modo di guasto è difficile da arrestare una volta iniziato. Tenere le cellule fresche e, quanto più importante, mantenerle a temperature simili è il compito del modulo prima che il sistema a livello di pacco agisca.
I sistemi di raffreddamento si dividono in diverse famiglie, ciascuna delle quali presenta caratteristiche diverse. Il raffreddamento ad aria è semplice e poco costoso, ma presenta difficoltà nell’ottenere uniformità di temperatura man mano che la densità dell’energia aumenta. Il raffreddamento liquido tramite una piastra fredda trasferisce molto più calore e garantisce una uniformità più elevata, motivo per cui domina nei moduli ad alta densità. Il raffreddamento ad immersione immette direttamente le celle e viene utilizzato quando la tolleranza al fuoco e la capacità di sopportare il calore sono elevate. La scelta corretta dipende dal carico termico del modulo, dal suo target di uniformità di temperatura e dalla pressione massima consentita nel circuito del refrigerante. Non esiste un metodo unico che sia vincente per definizione.
L’uniformità della temperatura è un obiettivo progettuale a sé stante, distinto dalla temperatura massima. Un modulo può mantenere una temperatura massima accettabile per le celle e comunque presentare un’usura irregolare se un angolo è costantemente più caldo rispetto agli altri. Ogni cella si degrada in base alla propria storia termica locale. Ecco perché un layout di raffreddamento valutato solo sulla temperatura massima di una singola cella può comunque risultare insufficiente: il vincolo è la diffusione nel tutto e non il numero di celle.
Il percorso completo vale la pena di essere letto in modo concatenato: il calore si muove dalla cellula attraverso un materiale di interfaccia termica, in un piatto freddo e fuori con il refrigerante. Ogni interfaccia in quella catena aggiunge resistenza, quindi un piatto freddo robusto in combinazione con un’interfaccia scarsa continua a scaldarsi. Scegliere il materiale dell’interfaccia e il piatto freddo nel formato della cella e nel ciclo di lavoro è ciò che determina se il raffreddamento del modulo andrà bene o no. Questo accoppiamento è il punto centrale di tutto ciò che facciamo. soluzioni di raffreddamento ESS Sono progettati per affrontare tali problematiche. Sul piano della sicurezza, la costruzione dei moduli viene comunemente valutata in conformità con la norma UL 1973, mentre la propagazione di un guasto in una singola cella all’interno di un sistema viene valutata secondo la norma UL 9540A. Entrambi sono punti di riferimento utili quando un acquirente deve confrontare la serietà con cui un modulo gestisce la sicurezza in caso di fuga termica.
Un errore comune risiede all’interno della stessa catena: un disallineamento tra il piatto freddo e l’interfaccia. Un piatto freddo può essere dimensionato correttamente in base alla portata termica del modulo, e il modulo può comunque sviluppare punti caldi quando il materiale dell’interfaccia viene scelto per un formato cella sbagliato. Questo disallineamento si manifesta in un’interfaccia troppo sottile per riempire una superficie ondulata della busta, o troppo rigida per sostenere una pressione uniforme su un contenitore prismatico rigido. La soluzione non è un piatto freddo più robusto, ma un’interfaccia specificata in base alle condizioni di gap, planarità e serraggio effettivi di quella cella.
Modulo vs Pacchetto: quali cambiamenti nel prossimo livello
Passare da un modulo a un pacchetto riduce la densità energetica a vantaggio del controllo, della protezione e del packaging a livello di sistema. Ogni livello di assemblaggio aggiunge hardware — custodie, un BMS a livello di pacchetto, collettori di raffreddamento e protezione strutturale — che assorbe massa e volume senza immagazzinare energia. Questo aumento di costi è il motivo per cui la densità energetica utilizzabile diminuisce tipicamente passando da una cella a un modulo o a un pacchetto. L’esatto calo dipende dalla chimica e dal packaging e dovrebbe essere considerato una tendenza piuttosto che un dato percentuale fisso.
La responsabilità si sposta anche con il movimento della linea di demarcazione verso l’esterno. Un modulo gestisce la rilevazione locale e la prima interfaccia di raffreddamento. Il BMS a livello di pacco coordina lo stato di carica, l’equilibrio e i limiti di sicurezza per tutti i moduli, mentre l’involucro del pacco assicura la protezione contro l’ingresso di corpi estranei e la resistenza agli urti o alle sollecitazioni ambientali. La valutazione della sicurezza segue lo stesso processo di nidificazione, dalla rilevazione a livello di cella secondo la norma UL 1642 fino alla coordinazione a livello di modulo secondo la norma UL 1973 e alla valutazione a livello di sistema secondo la norma UL 9540A. Questo confine, dove la rilevazione a livello di modulo termina e inizia la coordinazione a livello di pacco, è differenza tra modulo batteria e pacco batteria.
Conclusione
La cosa più utile da portare via è che un modulo batteria è il livello in cui il controllo termico deve essere progettato in precedenza, non nel pacco. Un modulo stabilisce la propria tensione e capacità tramite cablaggi in serie e parallelo. Inoltre, stabilisce anche la superficie di raffreddamento, il gap di interfaccia e la pressione di serraggio che determinano quanto bene il calore possa lasciare le celle. La più comune interpretazione errata è considerare il raffreddamento un aspetto da prendere in considerazione solo dopo aver completato la costruzione del modulo. Il formato delle celle è il primo fattore: determina se un piatto freddo piatto, un sistema raffreddato terminalmente o uno stack di sacchetti a pressione regolabile è appropriato, e l’interfaccia termica deve essere scelta in base a queste caratteristiche. Quando queste scelte si incontrano con un reale ciclo di lavoro, le placche fredde e i materiali di interfaccia devono essere così configurati da trasformare un insieme di celle in un modulo che mantenga la sua temperatura nel corso della sua vita utile.
FAQ
Dove si colloca un modulo tra una cella di batteria e un pacco batteria?
Un modulo si trova al centro: una cella è l'unità di accumulo energetico più piccola, un modulo raggruppa le celle con una struttura e funzionalità di monitoraggio fondamentali, e un pacco integra i moduli con un BMS completo, un sistema termico e un involucro. Ogni livello di potenza aumenta la tensione o la capacità e offre ulteriori protezioni, mentre la densità di energia utilizzabile diminuisce poiché gli involucri, i cavi e l'hardware di raffreddamento aumentano la massa senza immagazzinare energia.
Cosa contiene un modulo batteria?
Un modulo batteria contiene un array di celle fisse, spine e interconnessioni, un telaio meccanico, il monitoraggio a livello di cella e un'interfaccia termica con una superficie di raffreddamento. Il monitoraggio e l'interfaccia termica sono ciò che trasformano un gruppo di celle in un'unità gestita, e entrambi sono difficili da modificare una volta che il modulo è fissato e sigillato.
Come sono disposte le cellule in un modulo per un BESS?
Le celle sono disposte in una serie fissa e in un modello parallelo che determina la tensione e la capacità del modulo; queste caratteristiche vengono poi mantenute nel modello da un telaio o da un involucro per garantire la stabilità della geometria durante le vibrazioni e i cicli termici. Le connessioni in serie aumentano la tensione e quelle in parallelo aumentano la capacità; pertanto l’allineamento è scelto in base al nominale di destinazione e al modo in cui il calore deve raggiungere la superficie di raffreddamento.
Perché un modulo batteria ha bisogno di un piastrella fredda o di un materiale di interfaccia termica?
Un modulo richiede un piastrella fredda e un materiale di interfaccia perché il calore deve lasciare le celle lungo un percorso continuo, e qualsiasi aria intrappolata o contatto inadeguato ostacola tale percorso. Il materiale di interfaccia riempie il piccolo spazio irregolare tra la cella e la piastrella fredda in modo che il calore non venga bloccato, e la piastrella fredda lo trasporta via nel liquido refrigerante; una piastrella robusta con un cattivo contatto mantiene comunque una temperatura elevata.
Il formato della cella influenza il modo in cui il modulo viene raffreddato?
I formati delle celle cambiano sia nel momento in cui l’energia termica esce dalla cella, sia nel modo in cui la superficie piatta disponibile per la superficie di raffreddamento varia. Le celle prismatiche consentono un contatto lato-lato ampio con una piastra fredda, mentre le celle a sacchetto richiedono una pressione uniforme per mantenere un contatto costante; le celle cilindriche vengono spesso raffreddate da una parte o attraverso i vuoti tra le celle.
Per approfondire
- Metodo di prova UL 9540A per la propagazione del surriscaldamento — UL Solutions (T1, organismo normativo). Definisce come viene effettivamente testata la propagazione dei guasti a livello di singola cellula e supporta le referenze di sicurezza a livello di modulo e sistema sopra descritte.
- NFPA 855: Norma per l'installazione di sistemi di stoccaggio energetico stazionari — National Fire Protection Association (T1/T2, organismo per le norme di sicurezza antincendio). Definisce i requisiti di installazione e di sicurezza antincendio per l’accumulo di energia stazionario e i sistemi in cui sono compatibili i controlli termici di livello modulare e di sistema.
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