Vergelijking van verschillende typen EV-batterijmodules: cilindrische, prismatische en pouch-celformaten.

Wanneer ingenieurs en inkoopteams het hebben over "EV-batterijmoduletypen", is de werkelijke beslissingsvariabele het celformaat: de fysieke geometrie en behuizing van de individuele elektrochemische eenheid. Het celformaat bepaalt hoe cellen in een module geplaatst worden, hoe warmte uit het accupakket wordt afgevoerd, hoe zwelling wordt beheerd en welk ontwerp van de koelplaat en interface het thermische systeem nodig heeft. Cilindrische, prismatische en pouch-formaten brengen elk hun eigen afwegingen met zich mee op het gebied van energiedichtheid, thermisch beheer, productiekosten en veiligheid. Geen enkel formaat is geschikt voor elke toepassing.

Bij Trumonytechs werken we met alle drie celformaten in thermische beheerprogramma's voor elektrische voertuigen en energieopslagsystemen. Het celformaat is een van de belangrijkste factoren in de beginfase voor de geometrie van de koelplaat, de selectie van het thermische geleidingsmateriaal en de specificatie van de contactdruk.

De drie belangrijkste celformaten voor elektrische voertuigen

Cilindrische cellen

Cilindrische cellen zijn de oudste in massaproductie vervaardigde lithium-ionbatterijen. Ze bestaan uit opgerold elektrodemateriaal in een stijve metalen cilinder – qua geometrie vergelijkbaar met een standaard AA-batterij, maar dan groter. Bekende vormen zijn de 18650, 21700 en Tesla's 4680.

De belangrijkste voordelen van dit formaat zijn de volwassenheid van de productie en de brede toeleveringsketen. Cilindrische cellen worden geproduceerd op sterk geautomatiseerde lijnen en profiteren van aanzienlijke schaalvoordelen. Dit houdt de kostprijs per eenheid laag en vermindert het risico van afhankelijkheid van één leverancier. De stijve behuizing biedt inherente structurele bescherming. In tegenstelling tot prismatische of pouch-cellen zwellen cilindrische cellen niet op tijdens het laden en ontladen. Dit vereenvoudigt het ontwerp van de modulecompressie.

Vanuit veiligheidsoogpunt kunnen verpakkingen cilindrische cellen verder uit elkaar plaatsen om de verspreiding van straling tussen aangrenzende cellen te beperken. Platte verpakkingen bieden dit niet passief. Cilindrische celafstand is een van de structurele oplossingen voor dit probleem. thermische doorbraak van cel naar cel Dat platte formaten via andere ontwerpmaatregelen moeten worden aangepakt.

De belangrijkste afweging is de volumetrische efficiëntie van het accupakket. De openingen tussen de cilinders zijn onvermijdelijk. Dit vermindert de ruimtebenutting in vergelijking met vlakke formaten. Om een vergelijkbare energieopslag te bereiken, zijn ook meer cellen nodig dan bij prismatische ontwerpen met een groot formaat. Dat verhoogt de complexiteit van het batterijbeheersysteem (BMS) en de kosten voor de elektrische aansluitingen.

Tesla bouwde zijn eerste voertuigen rond cilindrische accucellen – eerst de 18650, daarna de 21700 en vervolgens de 4680. De keuze werd bepaald door beschikbaarheid, de volwassenheid van de productie en de kosten.

Prismatische cellen

Prismatische cellen omsluiten elektrodematerialen in een stijve, rechthoekige behuizing van aluminium of staal. De platte, stapelbare geometrie optimaliseert het ruimtegebruik in de accu. Meerdere cellen kunnen direct op elkaar worden gestapeld met minimale dode ruimte.

Een hoge celcapaciteit – doorgaans 50–200 Ah in elektrische voertuigen – vermindert het totale aantal cellen en vereenvoudigt het ontwerp van het batterijbeheersysteem (BMS) en de stroomrails. De vlakke oppervlakken maken direct contact met de koelplaat mogelijk. De gestapelde interne laagstructuur bevordert bovendien de warmteafvoer door de dikte van de cel. Dit maakt prismatische cellen uitermate geschikt voor toepassingen waarbij thermisch beheer een prioriteit is.

Zwelling is een belangrijke ontwerpoverweging. Prismatische cellen zetten uit tijdens het laden en ontladen doordat gassen zich ophopen en elektroden verschuiven. Modulebehuizingen moeten rekening houden met deze uitzetting. Zonder adequate compressiebeheersing veroorzaakt zwelling een ongelijkmatige contactdruk bij de koelplaat en vermindert dit de thermische uniformiteit in de loop van de tijd. De mate van zwelling hangt af van de celchemie, de capaciteit en de laad- en ontlaadgeschiedenis. Het is geen vaste waarde voor alle prismatische celformaten en moet worden bepaald voor de specifieke cel die wordt gebruikt.

CATL en Samsung SDI leveren prismatische cellen van groot formaat aan een breed scala aan OEM-programma's. De Blade-batterij van BYD is een belangrijke prismatische variant. De Blade maakt gebruik van een langwerpige celgeometrie die direct in de accupackstructuur integreert, waardoor de tussenliggende modulelaag overbodig wordt. BYD stelt dat Blade-accupacks een aanzienlijk hogere ruimtebenutting bereiken dan conventionele modulegebaseerde architecturen, met verbeterde thermische stabiliteit en een lager risico op thermische oververhitting. Tesla introduceerde LFP-prismatische cellen – afkomstig van CATL – in de standaardversies van de Model 3 en Model Y die in China worden geproduceerd, om de kosten te verlagen en een directere integratie in de accupack mogelijk te maken.

Zakcellen

Pouch-cellen omsluiten elektrodematerialen in een flexibele, gelamineerde aluminium-kunststoffilm. Dit resulteert in de hoogste gravimetrische energiedichtheid van de drie formaten. Bovendien maakt het mogelijk om de celgeometrie aan te passen aan onregelmatige of ruimtebeperkte moduleontwerpen.

Dit verpakkingsvoordeel brengt echter twee ontwerpuitdagingen met zich mee. Ten eerste hebben pouchcellen een relatief lage thermische geleidbaarheid door het pouchmateriaal. Thermisch kritische toepassingen vereisen mogelijk een groter contactoppervlak van de koelplaat of bilaterale koeling – platen aan beide zijden van de celstapel. Ten tweede zwellen pouchcellen tijdens het laden en ontladen. In tegenstelling tot prismatische cellen met een stijve behuizing, moet de zwelling van pouchcellen op moduleniveau worden beheerd door middel van compressieframes en fixatiestructuren. Zonder gecontroleerde compressie veroorzaakt de zwelling gedurende de levensduur variaties in de contactdruk op het grensvlak met de koelplaat. Dit leidt tot temperatuurverschillen tussen de cellen tijdens het laden en ontladen. Het ontwerp van de modulecompressie en batterij TIM-selectie zijn onderling afhankelijk in de programmering van de pouchcellen. Geen van beide kan onafhankelijk van de ander worden gespecificeerd.

SK On levert pouch-cellen aan Ford voor bepaalde elektrische autoprogramma's. LG Energy Solution en Samsung SDI produceren ook grote aantallen pouch-cellen voor automobieltoepassingen.

Belangrijkste verschillen in één oogopslag

Trends in marktformaten

Het marktaandeel van de verschillende formaten is aanzienlijk verschoven. Op basis van de wereldwijde gegevens over de inzet van EV-batterijen in 2024 hebben prismatische cellen een aandeel van ongeveer 691 TP4T. Dat is een stijging ten opzichte van circa 401 TP4T in 2020. Deze verschuiving weerspiegelt de bredere acceptatie van LFP-technologie, die van nature goed samengaat met prismatische formaten, en de groei van cel-tot-pack-integratie. Het aandeel van cilindrische cellen is relatief gedaald. Het aandeel van pouch-cellen is bescheiden gestegen.

Dit betekent niet dat prismatisch de juiste keuze is voor elk programma. Het weerspiegelt waar de prioriteiten op het gebied van kosten en integratie zijn verschoven, met name in China. Hoogwaardige toepassingen met een groot bereik zijn nog steeds afhankelijk van NMC-chemie met een hoge energiedichtheid. NMC komt in alle drie de formaten voor, afhankelijk van de strategie van de OEM.

Hoe celformaat het thermisch beheer beïnvloedt

De celvorm bepaalt de geometrie van de warmteafvoer en beperkt het haalbare bereik. typen batterijkoelsystemen voordat het gedetailleerde thermische ontwerp begint. Het interfaceontwerp dat nodig is om een uniforme temperatuur in de hele verpakking te bereiken, verschilt aanzienlijk per formaat.

Cilindrische cellen voeren warmte radiaal af. De koelplaat moet de basis of zijwand van elke cel bereiken. De natuurlijke openingen tussen de cellen beperken de verspreiding van thermische oververhitting. Dit is een passief veiligheidsvoordeel. Dezelfde afstand vermindert de volumetrische efficiëntie van het pakket, maar vereenvoudigt de thermische isolatie op celniveau.

Prismatische en pouch-cellen maken gebruik van een vlak contactvlak met de koelplaat. Dit vereenvoudigt de koelgeometrie. Het maakt de uniformiteit van de contactdruk echter cruciaal. Bij prismatische cellen verandert de contactconditie geleidelijk door uitzetting tijdens het laden en ontladen. Het moduleontwerp moet gedurende de gehele levensduur een adequate druk handhaven – niet alleen tijdens de eerste montage. Bij pouch-cellen moet het compressieframe de uitzetting actief beheersen en tegelijkertijd het thermische contact behouden. Bilaterale koeling is praktischer voor pouch- en prismatische cellen dan voor cilindrische cellen.

Celchemie en -structuur: hoe ze op elkaar inwerken

Celformaat en chemische samenstelling zijn onafhankelijke variabelen. Ze beïnvloeden echter wel de specificaties voor thermisch beheer. NMC biedt een hogere energiedichtheid, maar vereist een nauwkeurigere temperatuurregeling vanwege de lagere thermische stabiliteit. LFP biedt een lagere energiedichtheid met een superieure thermische stabiliteit en een langere levensduur. LFP wordt veel gebruikt in prismatische vorm voor commerciële elektrische voertuigen, energieopslagsystemen (ESS) en kostengeoptimaliseerde programma's voor elektrische personenauto's.

De praktische implicatie is direct. NMC vereist een nauwkeurigere ΔT-regeling en conservatievere temperatuurlimieten dan LFP – ongeacht het celformaat. Het specificeren van de geometrie van de koelplaat op basis van het celformaat alleen laat een deel van het thermische ontwerp ongedefinieerd. Thermisch beheer van het accupakket Hiervoor moeten zowel het celformaat als de chemische samenstelling worden bevestigd voordat de kanaalgeometrie of de interfacespecificatie definitief wordt vastgesteld.

Normen en context voor veiligheidsvalidatie

De celindeling heeft invloed op de structuur van de veiligheidsvalidatie. Belangrijke normen die van toepassing zijn op EV-batterijcellen en -modules zijn onder andere:

• IEC 62660-1Prestatie- en levensduurtesten voor lithium-ioncellen in elektrische aandrijfsystemen
• IEC 62660-2Betrouwbaarheids- en misbruiktesten
• IEC 62660-3Veiligheidsprestatie-eisen
• VN 38.3Transporttesten voor lithiumcellen en -batterijen
• GB 38031-2025De veiligheidseisen en testmethoden van China voor tractiebatterijcellen, -modules en -pakketten voor elektrische voertuigen.

Deze normen gelden voor alle drie de formaten. Het formaatspecifieke mechanische gedrag – met name de zwelling bij prismatische en pouch-formaten – is echter van invloed op de manier waarop compressie-, behuizings- en thermische beheersingsontwerpen moeten worden gevalideerd aan de hand van eisen voor misbruik- en cyclustests.

Wanneer moet je voor welk formaat kiezen?

De formaatkeuze is een beslissing op systeemniveau. Als algemene richtlijn:

Cilindrische cellen zijn geschikt voor toepassingen waarbij een brede toeleveringsketen, lage kosten en passieve beheersing van thermische oververhitting prioriteit hebben. Ze werken goed voor krachtige elektrische personenauto's en gestandaardiseerde accupakketten waarbij een hoger aantal cellen beheersbaar is.

Prismatische cellen zijn geschikt voor toepassingen waarbij ruimtebesparing in het accupakket, een vereenvoudigd batterijmanagementsysteem (BMS) en direct contact met de koelplaat prioriteit hebben. Commerciële elektrische voertuigen, stationaire energieopslagsystemen (ESS) en kostengeoptimaliseerde programma's voor elektrische personenauto's die gebruikmaken van LFP-chemie zijn hiervoor het meest geschikt.

Pouch-cellen zijn geschikt voor toepassingen waarbij energiedichtheid per gewichtseenheid en flexibiliteit in de verpakking prioriteit hebben. Premium elektrische personenauto's en hybride voertuigen – waar gewichts- en ruimtebesparing extra compressietechnieken rechtvaardigen – zijn hiervoor de belangrijkste toepassing.

In de praktijk hangen OEM-formaatbeslissingen ook af van de relaties met leveranciers, de toegang tot de regionale toeleveringsketen en de integratiearchitectuur. Er is geen universeel antwoord. Het juiste formaat hangt af van alle ontwerpbeperkingen voor het specifieke programma.

Conclusie

Cilindrische, prismatische en pouch-cellen bieden elk hun eigen afwegingen op het gebied van energiedichtheid, thermisch beheer, productie en veiligheid. Prismatische formaten domineren momenteel de wereldwijde inzet van EV-batterijen, met name door de toepassing van LFP (Low Flow Processing) en de trend van cel-tot-pack-integratie. Alle drie de formaten worden echter nog steeds gebruikt in verschillende voertuigsegmenten en toepassingen.

Bij Trumonytechs is het celformaat een van de eerste factoren die we bepalen bij de start van een nieuw thermisch beheerprogramma. Het is bepalend voor de geometrie van de koelplaat, de materiaaleisen voor de interface en de compressie- en contactdrukcondities waarvoor we ontwerpen. Als u een celformaat selecteert voor een nieuw programma of een bestaand thermisch ontwerp aanpast aan een andere celgeometrie, deel dan uw packlayout, celformaat, chemie en thermische doelstellingen met ons team. We zullen het interfaceontwerp beoordelen en u adviseren over de verdere ontwikkeling. Koelplaten voor waterkoeling van EV-accu's en de TIM-selectie op basis van uw specifieke toepassing.

FAQ