Pacco batteria e configurazione
Il pacco batteria di un veicolo elettrico combina celle, collegamenti elettrici, hardware di raffreddamento, elettronica di controllo e strutture protettive per formare un sistema energetico ad alta tensione.
La configurazione elettrica determina tensione, capacità e corrente disponibile, mentre l'integrazione fisica influenza peso, raffreddamento, protezione dagli urti, ingombro, facilità di manutenzione e densità energetica del pacco.
Cosa contiene un pacco batteria?
Le celle immagazzinano l'energia, ma sono soltanto una parte del pacco completo.
Un tipico pacco per veicoli elettrici contiene:
- Celle della batteria
- Moduli o altre strutture per raggruppare le celle
- Sbarre e conduttori ad alta tensione
- Elettronica per il monitoraggio delle celle
- Contattori principali positivo e negativo
- Fusibili e dispositivi di disconnessione pirotecnici
- Sensori di corrente, tensione e isolamento
- Dispositivo di disconnessione per l'assistenza
- Piastre e canali del liquido di raffreddamento
- Materiali d'interfaccia termica
- Involucro sigillato del pacco
- Protezione dagli urti e dalle intrusioni
- Percorsi per scarico della pressione e gestione dei gas
- Connettori e giunzioni ad alta tensione
I contattori principali scollegano le celle dal resto del veicolo quando il sistema ad alta tensione è spento. All'interno del pacco, le celle restano collegate ed elettricamente attive.
Un fusibile convenzionale protegge dalla corrente eccessiva, mentre un dispositivo pirotecnico può interrompere rapidamente un collegamento ad alta tensione durante un grave incidente o guasto elettrico.
Il sistema di gestione della batteria monitora e controlla il pacco, mentre Gestione termica della batteria ne spiega più in dettaglio i sistemi di raffreddamento e riscaldamento.
Configurazione della batteria
La configurazione descrive come le celle sono collegate elettricamente.
I due metodi fondamentali sono:
- Collegamento in serie, che aumenta la tensione
- Collegamento in parallelo, che aumenta capacità in ampereora e corrente disponibile
La maggior parte dei pacchi usa una combinazione di entrambi.
Collegamenti in serie
Quando celle o gruppi identici sono collegati in serie, le rispettive tensioni si sommano.
La stessa corrente attraversa ogni cella o gruppo in parallelo della catena in serie.
Tensione del pacco = Numero di gruppi in serie × Tensione della cella
Collegare in serie 100 celle con tensione nominale di 3,7 volt produce una tensione nominale del pacco di circa 370 volt.
La capacità in ampereora non aumenta quando celle identiche sono collegate soltanto in serie.
Collegamenti in parallelo
Quando celle identiche sono collegate in parallelo, la tensione resta invariata mentre le capacità in ampereora si sommano.
Capacità del gruppo in parallelo =
Numero di celle in parallelo × Capacità della cella
Quattro celle da 72 Ah collegate in parallelo formano un gruppo da 288 Ah.
Le celle in parallelo condividono anche la corrente. In condizioni bilanciate, quattro celle identiche portano ciascuna circa un quarto della corrente del gruppo.
La ripartizione effettiva può variare leggermente per differenze di:
- Resistenza interna
- Temperatura
- Età della cella
- Collegamenti elettrici
- Tolleranze produttive
Il BMS normalmente monitora le celle in parallelo come un unico gruppo di tensione, perché condividono la stessa tensione ai terminali.
Comprendere la notazione s e p
Le configurazioni sono comunemente scritte usando:
- s per serie
- p per parallelo
Una configurazione 3s4p contiene:
- Tre gruppi collegati in serie
- Quattro celle collegate in parallelo in ciascun gruppo
- Dodici celle fisiche in totale
Il numero totale di celle è:
Celle totali = Numero in serie × Numero in parallelo
Per un pacco con celle identiche:
Tensione nominale del pacco =
Numero in serie × Tensione nominale della cella
Capacità del pacco in Ah =
Numero in parallelo × Capacità della cella
Energia nominale del pacco in Wh =
Tensione nominale del pacco × Capacità del pacco
Moltiplicare la tensione per gli ampereora fornisce un valore approssimativo dell'energia nominale.
La tensione della cella cambia continuamente con lo stato di carica, quindi il calcolo non misura esattamente l'energia erogabile durante una scarica completa. I produttori possono inoltre definire capacità nominale o lorda mediante metodi di caratterizzazione che differiscono leggermente da questo semplice calcolo.
Esempio: Audi Q8 55 e-tron
La batteria della Audi Q8 55 e-tron contiene 432 celle prismatiche suddivise in 36 moduli. Ogni modulo contiene 12 celle.
Audi specifica:
- Capacità lorda di 114 kWh
- Capacità utilizzabile di 106 kWh
- Tensione nominale di 396 V
- 36 moduli
- 432 celle
Ogni modulo usa una disposizione 3s4p. Il pacco completo è quindi 108s4p. (Audi)
Utilizzando i valori nominali delle celle:
- Tensione della cella: circa 3,6667 V
- Capacità della cella: 72 Ah
- Capacità del gruppo in parallelo: 4 × 72 Ah = 288 Ah
- Tensione del modulo: 3 × 3,6667 V = circa 11 V
- Capacità del modulo: 288 Ah
I 36 moduli sono collegati in serie:
- Configurazione completa: 108s4p
- Tensione del pacco: 36 × 11 V = 396 V
- Capacità del pacco: 288 Ah
- Energia nominale: 396 V × 288 Ah = 114.048 Wh
Il risultato è di circa 114 kWh, corrispondente alla capacità lorda pubblicata da Audi.
L'esempio dimostra due principi importanti:
- Collegare celle o moduli in serie aumenta la tensione
- Collegare moduli in serie non aumenta la capacità in ampereora
Esempio: Porsche Macan Electric
La Porsche Macan Electric usa:
- Capacità lorda di 100 kWh
- Capacità utilizzabile di circa 95 kWh
- 12 moduli
- 15 celle prismatiche collegate in serie per modulo
- 180 celle in totale
- Architettura di classe 800-volt
Il pacco completo può quindi essere descritto come 180s1p. Ogni grande cella prismatica offre già la capacità in ampereora richiesta, quindi non servono celle fisiche in parallelo in ciascuna posizione della serie.
Porsche afferma inoltre che i 12 moduli e diversi altri importanti componenti possono essere sostituiti singolarmente. (Porsche Newsroom)
È un progetto molto diverso da un pacco con migliaia di piccole celle cilindriche, anche se entrambi svolgono le stesse funzioni fondamentali.
Esempio illustrativo con piccole celle cilindriche
Consideriamo un pacco con 4.416 celle cilindriche disposte come 96s46p.
Supponiamo che ogni cella abbia:
- Tensione nominale: 3,7 V
- Capacità: 4,8 Ah
Il pacco risultante ha:
Tensione del pacco = 96 × 3,7 V
= 355,2 V
Capacità del pacco = 46 × 4,8 Ah
= 220,8 Ah
Energia nominale = 355,2 V × 220,8 Ah
= circa 78,4 kWh
È una configurazione illustrativa, non una specifica valida per ogni veicolo con un numero simile di celle.
I pacchi cilindrici effettivi variano per:
- Capacità delle celle
- Chimica delle celle
- Fornitore
- Fabbrica
- Anno modello
- Versione della batteria
- Finestra di tensione utilizzabile
Esempi di configurazioni
I produttori non pubblicano sempre la notazione sXp completa. Le configurazioni contrassegnate da un asterisco derivano dalle disposizioni pubblicate di celle e moduli.
| Batteria | Anno | Capacità lorda o nominale | Celle / moduli | Configurazione | Tensione nominale o di architettura |
|---|---|---|---|---|---|
| Mitsubishi i-MiEV, specifica USA | 2012 | 16,3 kWh | 88 celle | 88s1p* | 325,6 V |
| Volkswagen e-Golf | 2014 | 24,2 kWh | 264 celle / 27 moduli | 88s3p* | 323 V |
| Volkswagen e-Golf, generazione da 35,8 kWh | 2017 | 35,8 kWh | 264 celle / 27 moduli | 88s3p* | 323 V |
| Audi Q8 55 e-tron | 2022 | 114 kWh | 432 celle / 36 moduli | 108s4p | 396 V |
| Batteria PPE Audi Q6 e-tron / A6 e-tron | 2024 | 100 kWh | 180 celle / 12 moduli | 180s1p* | Classe 800-volt |
| Porsche Macan Electric | 2024 | 100 kWh | 180 celle / 12 moduli | 180s1p* | Classe 800-volt |
| NIO 150 kWh Ultra-Long Range Battery | 2024 | 150 kWh nominali | 384 celle | Non pubblicata ufficialmente | 337 V nominali |
| Porsche Cayenne Electric | 2026 | 113 kWh | 192 celle pouch / 6 moduli | Non pubblicata ufficialmente | Classe 800-volt |
Il pacco di prova della Mitsubishi i-MiEV usava 88 celle, aveva capacità nominale di 50 Ah, energia nominale di 16,3 kWh e tensione nominale di 325,6 V. (US Department of Energy)
La e-Golf originale usava 264 celle, 27 moduli, 323 V e 24,2 kWh. La successiva versione da 35,8 kWh mantenne lo stesso numero di celle e moduli, la stessa tensione nominale e la stessa massa pubblicata. (VW Press)
La batteria PPE di Audi usa 12 moduli e 180 grandi celle prismatiche, invece dei 36 moduli e 432 celle della Q8 e-tron. (Audi)
NIO pubblica 384 celle, tensione nominale di 337 V, 446 Ah e 575 kg per la propria batteria da 150 kWh, ma non offre informazioni pubbliche sufficienti per indicare in modo affidabile la configurazione sXp completa. (NIO)
La Porsche Cayenne Electric usa sei moduli e 192 grandi celle pouch in una batteria a funzioni integrate. (Porsche Newsroom)
Tensione, corrente e potenza
La potenza elettrica dipende da tensione e corrente:
Potenza = Tensione × Corrente
La stessa potenza può essere trasferita usando:
- Tensione superiore e corrente inferiore
- Tensione inferiore e corrente superiore
Un trasferimento idealizzato di 300 kW richiede:
A 400 V:
Corrente = 300.000 W ÷ 400 V
= 750 A
A 800 V:
Corrente = 300.000 W ÷ 800 V
= 375 A
Il sistema da 800-volt eroga la stessa potenza con metà corrente.
Le perdite elettriche nei conduttori possono essere approssimate come:
Perdita resistiva = Corrente² × Resistenza
Se la resistenza resta invariata, dimezzare la corrente riduce la perdita resistiva a un quarto.
I veicoli reali sono più complessi, perché cambiano anche dimensioni dei conduttori, resistenza dei connettori, semiconduttori, raffreddamento e tensione effettiva della batteria. Il calcolo spiega comunque perché la tensione superiore diventi interessante con l'aumento della potenza di ricarica e trazione.
Sistemi di classe 400 e 800-volt
I termini 400 volt e 800 volt descrivono ampie classi di sistema, non tensioni fisse.
La tensione del pacco cambia con:
- Stato di carica
- Chimica delle celle
- Temperatura
- Corrente
- Numero di celle collegate in serie
- Limiti di tensione del produttore
Una batteria commercializzata come 400 volt può operare dalla fascia bassa dei 300-volt a oltre 400 V.
Un pacco di classe 800-volt può avere una tensione nominale più vicina a 650–750 V, avvicinandosi o superando 800 V a uno stato di carica elevato.
Sistemi di classe 400-volt
Un'architettura di classe 400-volt resta sufficiente per molti veicoli elettrici di largo consumo.
Vantaggi
- Componenti maturi e ampiamente disponibili
- Minore costo dei componenti
- Compatibilità semplice con le colonnine esistenti
- Requisiti di isolamento meno impegnativi
- Potenza adeguata per molti veicoli passeggeri
- Processi consolidati di riparazione e produzione
Compromessi
- Corrente superiore per la stessa potenza
- Conduttori più grandi a potenze molto elevate
- Maggiore riscaldamento di connettori e cavi
- Maggiore difficoltà nel raggiungere potenze estreme
- Correnti superiori per trasmissioni ad alta potenza
Una buona batteria di classe 400-volt può comunque caricarsi molto rapidamente combinando celle ad alta corrente, raffreddamento efficace e ampia curva di ricarica.
Sistemi di classe 800-volt
Un'architettura di classe 800-volt riduce la corrente richiesta per una determinata potenza.
Vantaggi
- Corrente inferiore ad alta potenza di ricarica
- Minori perdite nei conduttori
- Cavi ad alta tensione potenzialmente più piccoli o leggeri
- Maggiore potenza entro i limiti di corrente del connettore
- Erogazione efficiente di elevata potenza di trazione
- Ottima idoneità alla ricarica ad alta potenza
Compromessi
- Componenti ad alta tensione più costosi
- Isolamento e distanze superficiali più impegnativi
- Requisiti superiori per contattori e sensori
- Elettronica di potenza più complessa
- Problemi di compatibilità con colonnine a tensione inferiore
- Maggiori costi di sviluppo e convalida
Una tensione superiore non garantisce una ricarica più rapida.
Le prestazioni dipendono anche da:
- Chimica delle celle
- C-rate delle celle
- Temperatura della batteria
- Curva di ricarica
- Limiti di corrente
- Capacità di raffreddamento
- Stato di carica
- Capacità della colonnina
Ricaricare una batteria da 800-volt su una colonnina a tensione inferiore
Una colonnina deve fornire tensione sufficiente a far entrare corrente nella batteria.
Una batteria di classe 800-volt normalmente non può caricarsi direttamente da una colonnina la cui uscita massima resta molto sotto la tensione del pacco.
I produttori risolvono il problema in diversi modi:
- Convertitore boost DC dedicato
- Motore e inverter usati come parte di un circuito elevatore
- Riconfigurazione della batteria in banchi a tensione inferiore
- Capacità di ricarica limitata sulle colonnine incompatibili
Ricarica a banchi
La ricarica a banchi modifica la configurazione elettrica della batteria durante la ricarica.
La Porsche Macan può dividere la propria batteria da 800-volt in due circuiti separati da 400-volt. Le due metà vengono quindi caricate contemporaneamente fino a 135 kW senza un elevatore ad alta tensione separato. (Porsche Newsroom)
Le celle non si muovono e il pacco non viene diviso fisicamente. Interruttori ad alta tensione modificano il collegamento elettrico delle sue sezioni.
Ciò dimostra che la configurazione non resta sempre fissa in ogni modalità operativa.
Architetture del pacco batteria
La configurazione elettrica descrive come le celle sono collegate.
L'architettura del pacco descrive come celle, sistema di raffreddamento, involucro, moduli e struttura del veicolo sono integrati fisicamente.
I principali approcci comprendono:
- Pacchi basati su moduli
- Cell-to-Pack
- Cell-to-Body o Cell-to-Chassis
- Pacchi strutturali o a funzioni integrate
Le categorie si sovrappongono.
Una batteria strutturale può comunque contenere moduli. Un progetto Cell-to-Pack può ancora usare telai interni, file compresse, banchi o altre strutture di raggruppamento.
Pacchi basati su moduli
In un pacco tradizionale, le celle vengono assemblate in moduli prima dell'installazione nell'involucro della batteria.
Cella → Modulo → Pacco → Veicolo
I moduli possono includere:
- Telai delle celle
- Strutture di compressione
- Sbarre
- Elettronica di monitoraggio
- Interfacce di raffreddamento
- Isolamento elettrico
- Protezione meccanica
- Connettori a livello del modulo
Vantaggi dei pacchi a moduli
- Scalabilità: capacità diverse possono essere create variando il numero di moduli.
- Separazione della produzione: assemblaggio dei moduli e del pacco finale possono essere provati separatamente.
- Gruppi controllati: compressione, collegamenti elettrici e raffreddamento possono essere gestiti in unità definite.
- Riparabilità potenziale: un modulo difettoso può essere sostituito senza cambiare il pacco completo.
- Flessibilità dei fornitori: i moduli possono fornire un'interfaccia tra produzione delle celle e assemblaggio del veicolo.
- Riutilizzo della piattaforma: talvolta un modulo può essere usato in più veicoli.
Compromessi dei pacchi a moduli
- Materiale inattivo aggiuntivo: telai, coperture, elementi di fissaggio e connettori aggiungono massa.
- Numero maggiore di componenti: servono più involucri, sigilli, sbarre e interfacce.
- Minore efficienza del pacco: serve spazio attorno sia alle celle sia ai moduli.
- Più fasi di assemblaggio: i moduli richiedono produzione, prova, trasporto e installazione separati.
La presenza di moduli non rende automaticamente riparabile un pacco.
La riparabilità dipende anche da:
- Accesso al pacco
- Adesivi e sigillanti
- Progetto del circuito di raffreddamento
- Disponibilità dei ricambi
- Supporto diagnostico
- Programmazione del BMS
- Procedure di riparazione del produttore
La Porsche Macan Electric è un esempio moderno di pacco modulare orientato alla riparazione. Porsche afferma che i 12 moduli e altri componenti principali possono essere sostituiti singolarmente. (Porsche Newsroom)
Cell-to-Pack
Cell-to-Pack, abbreviato CTP, elimina o riduce l'involucro intermedio convenzionale dei moduli.
Cella → Pacco → Veicolo
Le celle possono comunque essere disposte in:
- File
- Gruppi compressi
- Telai interni
- Banchi
- Matrici strutturali
CTP non significa necessariamente che ogni cella sia libera in un unico involucro indiviso.
Vantaggi del Cell-to-Pack
- Migliore utilizzo del volume: pareti e coperture dei moduli occupano meno spazio.
- Minore massa inattiva: servono meno involucri intermedi ed elementi di fissaggio.
- Meno componenti: interfacce elettriche e strutturali possono essere consolidate.
- Potenziale riduzione dei costi: eliminare componenti ripetuti può semplificare l'assemblaggio.
- Integrazione più diretta del raffreddamento: le celle possono interfacciarsi direttamente con strutture a livello del pacco.
- Meno collegamenti: celle grandi e integrazione diretta possono ridurre il numero di sbarre e connettori.
Compromessi del Cell-to-Pack
- Più responsabilità al pacco: raffreddamento, compressione, isolamento e protezione dalla propagazione vanno risolti in sezioni più grandi.
- Produzione più integrata: un difetto produttivo può influire su un assemblaggio maggiore.
- Minore sostituibilità modulare: gruppi di celle possono essere difficili da rimuovere singolarmente.
- Dipendenza dalla piattaforma: dimensioni delle celle, raffreddamento, involucro e pianale sono strettamente collegati.
- Potenziale costo di riparazione: un danno a una sezione può richiedere la sostituzione di un assemblaggio più grande.
CATL Qilin
CATL descrive Qilin come un'architettura CTP di terza generazione.
CATL dichiara un utilizzo del volume del pacco del 72%. È una specifica di Qilin, non un risultato valido per ogni batteria CTP.
L'importanza va oltre l'eliminazione dei contenitori convenzionali dei moduli. Qilin integra raffreddamento, struttura, protezione termica e celle a livello del pacco.
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Gran parte del vantaggio d'integrazione deriva dal rapporto tra:
- Dimensioni delle celle
- Larghezza del pacco
- Raffreddamento
- Supporto strutturale
- Assemblaggio senza moduli
Il risultato non va attribuito soltanto alla chimica LFP o alla forma allungata.
Cell-to-Body e Cell-to-Chassis
Cell-to-Body, o CTB, integra la batteria più strettamente nella carrozzeria.
Cell-to-Chassis, o CTC, viene usato per concetti simili, anche se i produttori non impiegano i termini in modo uniforme.
La batteria può condividere funzioni con:
- Pianale dell'abitacolo
- Traverse
- Sottoscocca
- Strutture laterali
- Strutture di fissaggio dei sedili
- Percorsi dei carichi d'urto
Il confine tra CTP avanzato e CTB non è sempre netto. Dipende da quali componenti e funzioni siano condivisi tra pacco e carrozzeria.
BYD Seal Cell-to-Body
La BYD Seal usa un sistema Cell-to-Body nel quale batteria e pianale formano una struttura a sandwich strettamente integrata.
La batteria funge sia da:
- Sistema di accumulo dell'energia
- Elemento strutturale del veicolo
Vantaggi di CTB e CTC
- Meno strati strutturali duplicati
- Più spazio interno a parità di altezza del veicolo
- Potenziale riduzione della massa di sistema
- Maggiore rigidità della carrozzeria
- Baricentro più basso
- Migliore efficienza d'integrazione
Compromessi di CTB e CTC
- Progettazione di batteria e carrozzeria strettamente connessa
- Le riparazioni dopo collisione possono coinvolgere entrambe le strutture
- La rimozione del pacco può richiedere smontaggi più estesi
- Modificare la piattaforma può richiedere una batteria riprogettata
- Tenuta e protezione dalla corrosione diventano più critiche
- Le tolleranze dimensionali diventano più impegnative
Pacchi strutturali e a funzioni integrate
Una batteria strutturale porta carichi significativi del veicolo anziché fungere soltanto da unità di accumulo montata sotto la carrozzeria.
Un pacco strutturale può usare:
- Celle incollate direttamente in un involucro strutturale
- Grandi matrici strutturali di celle
- Moduli installati in una batteria integrata nella carrozzeria
- Copertura della batteria che funge anche da parte del pianale dell'abitacolo
Integrazione strutturale e uso dei moduli sono scelte progettuali separate.
Pacco batteria strutturale Tesla
Nel 2022, Tesla ha iniziato a produrre alcune Model Y con celle interne 4680, grandi fusioni della carrozzeria e pacco strutturale.
Tesla ha prodotto anche varianti Model Y con pacchi convenzionali non strutturali e celle 2170. L'architettura dipende quindi dalla versione e dalla fabbrica.
Porsche Cayenne Electric
La Porsche Cayenne Electric usa quella che Porsche chiama batteria ad alta tensione a funzioni integrate.
La batteria:
- È integrata direttamente nella struttura del veicolo
- Contribuisce alla rigidità della carrozzeria
- Contiene sei moduli
- Contiene 192 grandi celle pouch
- Ha una capacità lorda di 113 kWh
- Usa raffreddamento dei moduli su due lati
È un esempio utile di batteria strutturalmente integrata che resta modulare, anziché usare un'architettura CTP senza moduli. (Porsche Newsroom)
Vantaggi dei pacchi strutturali
- Minore duplicazione tra strutture del pacco e della carrozzeria
- Massa totale del sistema potenzialmente inferiore
- Migliore uso dello spazio verticale
- Maggiore rigidità della carrozzeria
- Baricentro più basso
- Meno grandi componenti del veicolo
Compromessi dei pacchi strutturali
- Sviluppo di batteria e veicolo inseparabile
- I danni strutturali possono interessare l'involucro della batteria
- Rimozione del pacco e riparazione della carrozzeria più complesse
- Tolleranze produttive più impegnative
- Difficile riutilizzo della batteria su un'altra piattaforma
- La riparazione richiede procedure dettagliate del produttore
Il video seguente presenta un'analisi dettagliata del pacco strutturale Tesla eseguita da Munro & Associates.
Architettura e facilità di manutenzione
Si potrebbe essere tentati di classificare le architetture così:
Moduli = riparabile
Cell-to-Pack = difficile da riparare
Pacco strutturale = non riparabile
La realtà è più complessa.
La facilità di manutenzione dipende da:
- Possibilità di aprire la copertura senza distruggerla
- Possibilità di rimuovere moduli o gruppi di celle
- Adesivi strutturali, schiuma e materiali di inglobamento
- Accesso alle piastre di raffreddamento
- Collegamenti del liquido
- Disponibilità di moduli ed elettronica
- Strumenti diagnostici
- Programmazione del BMS e associazione dei componenti
- Procedure di riparazione approvate
- Danni all'involucro o alla struttura del veicolo
Una batteria convenzionale a moduli può comunque essere sostituita soltanto come unità completa se il produttore non fornisce moduli o istruzioni.
Una batteria strutturalmente integrata può ancora contenere componenti sostituibili:
- Moduli
- Contattori
- Fusibili
- Sensori
- Controller
- Componenti del circuito di raffreddamento
La Porsche Cayenne Electric dimostra che integrazione strutturale e costruzione modulare possono coesistere.
L'architettura influenza le possibilità di riparazione, ma non le determina da sola.
Densità energetica a livello del pacco
La densità a livello della cella descrive l'energia immagazzinata rispetto alla massa o al volume delle celle.
Quella a livello del pacco comprende tutto ciò che serve per far funzionare, collegare, raffreddare e proteggere le celle:
- Involucri delle celle
- Strutture dei moduli
- Involucro del pacco
- Sistema di raffreddamento
- Sbarre e cablaggio
- Contattori e fusibili
- Elettronica di controllo
- Protezione dagli urti
- Sigilli ed elementi di fissaggio
- Materiali d'interfaccia termica
La densità gravimetrica del pacco è:
Densità energetica gravimetrica =
Energia del pacco in Wh ÷ Massa completa in kg
La densità volumetrica del pacco è:
Densità energetica volumetrica =
Energia del pacco in Wh ÷ Volume esterno in litri
Una cella ad alta densità può comunque produrre un pacco relativamente pesante se richiede molto raffreddamento, contenimento o hardware strutturale.
Una chimica meno densa come la LFP può ottenere un buon risultato a livello del pacco grazie all'integrazione efficiente, ma la minore densità della cella non scompare del tutto.
Evoluzione della densità del pacco
La tabella usa energia lorda o nominale del produttore anziché utilizzabile.
I valori vanno considerati esempi rappresentativi, non un confronto di laboratorio. I produttori non definiscono sempre massa del pacco o energia nominale esattamente nello stesso modo.
| Pacco batteria | Anno o generazione | Capacità lorda o nominale | Massa del pacco | Densità calcolata |
|---|---|---|---|---|
| Mitsubishi i-MiEV, specifica USA | 2012 | 16,3 kWh | 165 kg | 99 Wh/kg |
| Tesla Model S 85 | 2012 | 85 kWh | Circa 540 kg | Circa 157 Wh/kg |
| Volkswagen e-Golf | 2014 | 24,2 kWh | 318 kg | 76 Wh/kg |
| Audi e-tron 55 | 2018 | 95 kWh | Circa 699 kg | Circa 136 Wh/kg |
| Volkswagen e-Golf, generazione da 35,8 kWh | 2017 | 35,8 kWh | 318 kg | 113 Wh/kg |
| Audi Q4 e-tron, batteria grande | 2021 | 82 kWh | Circa 500 kg | Circa 164 Wh/kg |
| BYD Seal Long Range, LFP | 2022 | 82,56 kWh | Circa 558 kg | Circa 148 Wh/kg |
| Audi Q6 e-tron / Porsche Macan Electric | 2024 | 100 kWh | Circa 570 kg | Circa 175 Wh/kg |
| Renault 5 E-Tech, versione da 52 kWh | 2024 | 55 kWh | 297 kg | 185 Wh/kg |
| Audi e-tron GT, batteria aggiornata | 2024 | 105 kWh | 625 kg | 168 Wh/kg |
| Batteria sostituibile NIO 100 kWh | Specifica attualmente pubblicata | 100 kWh nominali | 555 kg | 180 Wh/kg |
| NIO 150 kWh Ultra-Long Range Battery | 2024 | 150 kWh nominali | 575 kg | 261 Wh/kg |
I dati Mitsubishi i-MiEV provengono da un rapporto DOE che indica 16,3 kWh di energia nominale e una massa di 363 lb, equivalente a circa 165 kg. (US Department of Energy)
Tesla specificava ufficialmente la Model S originale con batteria da 85 kWh. La massa di circa 540 kg è una stima tecnica comunemente riportata, non un dato della specifica originale Tesla, quindi la densità calcolata va considerata approssimativa. (Tesla)
Volkswagen indica ufficialmente 318 kg per entrambe le generazioni di batterie e-Golf. (VW Press)
Nel 2018 Audi e-tron usava una batteria da 95 kWh con massa di circa 699 kg. Il dato è un esempio utile di pacco progettato per raffreddamento efficace, protezione strutturale, ricarica ripetibile e costruzione modulare, non soltanto per la massa minima.
Il dato della BYD Seal usa una massa di circa 558 kg per la Blade Battery LFP da 82,56 kWh. Ne deriva circa 148 Wh/kg, utile come riferimento LFP moderno.
Renault pubblica ufficialmente 52 kWh utilizzabili e 297 kg per la Renault 5. La tabella usa 55 kWh come valore lordo di lavoro EVKX, ottenendo circa 185 Wh/kg. (Renault Ireland)
Audi pubblica 105 kWh lordi e 625 kg per la batteria aggiornata della e-tron GT. (Audi)
NIO pubblica 555 kg per le batterie da 100 kWh e 575 kg per la versione da 150 kWh. (NIO)
I primi pacchi non erano tutti uguali
La tabella non mostra un semplice aumento anno dopo anno.
Mitsubishi i-MiEV ed e-Golf originale erano primi sistemi conservativi con:
- Capacità modesta
- Bassa potenza di ricarica
- Notevoli strutture di supporto
- Integrazione vincolata da piattaforme piccole o multi-alimentazione
La prima e-Golf raggiungeva soltanto 76 Wh/kg a livello del pacco.
La Tesla Model S originale fu una notevole eccezione. La sua grande batteria piatta, progettata appositamente, raggiungeva circa 157 Wh/kg nel 2012 pur usando:
- 7.104 piccole celle cilindriche
- 16 moduli
- Raffreddamento a liquido
- Migliaia di collegamenti elettrici
- Robusto involucro strutturale
La Model S mostrò come una cella ad alta energia e un veicolo progettato attorno a un grande pacco piatto potessero superare molte batterie più piccole dei primi veicoli elettrici.
Due generazioni della batteria e-Golf
I due pacchi e-Golf offrono un confronto insolitamente chiaro, perché massa pubblicata, numero di celle e moduli e tensione nominale rimasero invariati.
| Specifica | e-Golf 24,2 kWh | e-Golf 35,8 kWh |
|---|---|---|
| Capacità nominale | 24,2 kWh | 35,8 kWh |
| Massa del pacco | 318 kg | 318 kg |
| Numero di celle | 264 | 264 |
| Numero di moduli | 27 | 27 |
| Tensione nominale | 323 V | 323 V |
| Densità calcolata | 76 Wh/kg | 113 Wh/kg |
La batteria successiva immagazzina circa il 48% in più di energia senza aumentare la massa pubblicata o il numero di celle.
Il miglioramento deriva principalmente dalla maggiore capacità delle celle, non da un involucro più grande.
LFP moderna: BYD Seal Blade Battery
La BYD Seal è un esempio utile di pacco LFP moderno.
La Blade Battery da 82,56 kWh pesa circa 558 kg, offrendo una densità calcolata di circa 148 Wh/kg.
È inferiore a diversi moderni pacchi a base di nichel, nonostante la Seal usi un'efficiente architettura Cell-to-Body.
Il risultato illustra due effetti distinti:
- Le celle LFP normalmente immagazzinano meno energia per chilogrammo rispetto alle principali celle ricche di nichel
- L'integrazione efficiente riduce, ma non elimina, lo svantaggio a livello della cella
Il pacco della Seal non è progettato male. Privilegia un equilibrio differente tra:
- Costo dei materiali
- Vita ciclica
- Stabilità termica
- Integrazione del pacco
- Efficienza strutturale
La densità non va quindi trattata come una classifica completa della qualità.
Renault 5: elevata densità in un piccolo pacco modulare
La Renault 5 E-Tech è notevole perché la batteria compatta raggiunge circa 185 Wh/kg usando il valore lordo di lavoro di 55 kWh.
| Specifica | Renault 5 E-Tech |
|---|---|
| Capacità lorda usata da EVKX | 55 kWh |
| Capacità utilizzabile ufficiale | 52 kWh |
| Massa del pacco | 297 kg |
| Densità lorda calcolata | 185 Wh/kg |
| Numero di moduli | 4 |
Il risultato è particolarmente interessante perché la Renault 5 non usa un progetto CTP senza moduli.
I suoi quattro grandi moduli riducono involucri, connettori e componenti di supporto ripetuti rispetto ai pacchi con molti moduli più piccoli.
La Renault dimostra quindi che una buona densità del pacco non richiede l'eliminazione completa dei moduli.
Batterie sostituibili NIO da 100 assieme a 150 kWh
Le batterie NIO da 100 assieme a 150 kWh offrono un altro confronto rivelatore, perché entrambe si adattano all'interfaccia di sostituzione dell'azienda.
| Specifica | NIO 100 kWh | NIO 150 kWh |
|---|---|---|
| Capacità nominale | 100 kWh | 150 kWh |
| Massa del pacco | 555 kg | 575 kg |
| Densità calcolata | 180 Wh/kg | 261 Wh/kg |
| Differenza di massa | — | 20 kg in più |
| Differenza di energia | — | 50% in più |
La batteria da 150 kWh immagazzina il 50% in più di energia nominale aggiungendo soltanto 20 kg rispetto alla specifica pubblicata del pacco da 100 kWh.
La densità calcolata di circa 261 Wh/kg è molto superiore agli esempi di largo consumo della tabella.
Non va considerata rappresentativa del mercato più ampio. Il pacco usa un progetto specializzato di celle ad alta energia ed è stato distribuito attraverso il sistema NIO di aggiornamento e sostituzione.
Perché i valori di densità non sono perfettamente confrontabili
I confronti richiedono cautela.
I produttori possono definire diversamente:
- Capacità lorda
- Capacità nominale
- Massa completa del pacco
- Massa del liquido di raffreddamento
- Massa della scatola di giunzione
- Protezione del sottoscocca
- Componenti strutturali condivisi
- Specifica di produzione rispetto al prototipo
Anche i requisiti del veicolo differiscono.
Un veicolo ad alte prestazioni può richiedere più:
- Raffreddamento
- Capacità delle sbarre
- Hardware ad alta corrente
- Protezione dagli urti
Un SUV o fuoristrada può richiedere un involucro più pesante di una compatta.
Una batteria sostituibile necessita di interfacce strutturali e meccaniche assenti in un pacco installato permanentemente.
Un pacco meno denso può comunque offrire:
- Ricarica più rapida e ripetibile
- Raffreddamento migliore
- Maggiore protezione dagli urti
- Sostituzione dei moduli più semplice
- Potenza sostenuta superiore
- Vita più lunga
- Costo produttivo inferiore
La densità a livello del pacco è utile, ma non è un punteggio completo della qualità.
Cosa significa l'architettura per chi acquista un veicolo elettrico
La configurazione non è normalmente un parametro che un acquirente debba confrontare direttamente.
Una batteria 180s1p non è intrinsecamente migliore di una 96s46p.
Nell'uso quotidiano conta il risultato del progetto completo:
- Capacità utilizzabile
- Efficienza del veicolo
- Curva di ricarica
- Ricarica al freddo
- Precondizionamento
- Potenza continuativa e di picco
- Degrado
- Gestione termica
- Copertura della garanzia
- Protezione dalla propagazione termica
- Opzioni di riparazione del pacco e dei moduli
- Costo di sostituzione dopo un danno
Una tensione superiore può aiutare a raggiungere elevate potenze di ricarica e trazione, ma da sola non determina la velocità.
Cell-to-Pack e integrazione strutturale possono ridurre il peso e migliorare l'integrazione. Possono anche modificare le procedure di riparazione e aumentare le conseguenze dei danni al sottoscocca o strutturali.
Un pacco modulare può offrire più opzioni di riparazione, ma soltanto se sono disponibili ricambi, diagnostica e procedure approvate.
La migliore architettura è quella che soddisfa gli obiettivi del veicolo per:
- Prestazioni
- Autonomia
- Ricarica
- Sicurezza
- Durata
- Costo produttivo
- Integrazione
- Facilità di manutenzione
L'acronimo più recente non identifica automaticamente la batteria migliore.
Per gli strati protettivi attorno alle celle e al pacco completo, consulta Sicurezza e gestione dei guasti della batteria.
Fonti
- Capacità e ricarica della batteria Audi Q8 e-tron
- Batteria e ricarica Porsche Macan
- Prove DOE sulla batteria Mitsubishi i-MiEV
- Cartella stampa Volkswagen e-Golf
- Batteria ad alta tensione Audi PPE
- Manuale utente NIO ET7
- Sistema ad alta tensione Porsche Cayenne Electric
- Tecnologie per batterie ed energia del Gruppo Volkswagen
- Specifiche Tesla Model S
- Specifiche Renault 5 E-Tech
- Batteria ad alta tensione Audi e-tron GT