Bateria e configuração

Uma bateria de veículo elétrico combina células com conexões elétricas, equipamentos de resfriamento, eletrônica de controle e estruturas protetoras para formar um sistema de energia de alta tensão.

Sua configuração elétrica determina tensão, capacidade e corrente admissível, enquanto a integração física afeta peso, resfriamento, proteção contra colisões, acondicionamento, possibilidade de reparo e densidade de energia no nível da bateria.

O que há dentro de uma bateria?

As células armazenam a energia, mas são apenas uma parte da bateria completa.

Uma bateria típica de veículo elétrico contém:

• Células da bateria
• Módulos ou outras estruturas de agrupamento das células
• Barramentos e condutores de alta tensão
• Eletrônica de monitoramento das células
• Contatores principais positivo e negativo
• Fusíveis e dispositivos pirotécnicos de desconexão
• Sensores de corrente, tensão e isolamento
• Um dispositivo de desconexão para manutenção
• Placas de resfriamento e canais de líquido de resfriamento
• Materiais de interface térmica
• Um invólucro selado
• Proteção contra colisões e intrusão
• Vias para alívio de pressão e gerenciamento de gases
• Conectores e junções de alta tensão

Os contatores principais desconectam as células do restante do veículo quando o sistema de alta tensão é desligado. As células permanecem conectadas entre si e eletricamente energizadas dentro da bateria.

Um fusível convencional protege contra corrente excessiva, enquanto um dispositivo pirotécnico pode interromper rapidamente uma conexão de alta tensão durante uma colisão grave ou falha elétrica.

O Sistema de gerenciamento da bateria monitora e controla a bateria, enquanto Gerenciamento térmico da bateria explica seus sistemas de resfriamento e aquecimento em mais detalhes.

Configuração da bateria

A configuração da bateria descreve como as células são conectadas eletricamente.

Os dois métodos básicos de conexão são:

• Conexão em série, que aumenta a tensão
• Conexão em paralelo, que aumenta a capacidade em ampère-hora e a corrente admissível

A maioria das baterias de veículos elétricos usa uma combinação dos dois.

Conexões em série

Quando células ou grupos de células idênticos são conectados em série, suas tensões são somadas.

A mesma corrente atravessa cada célula ou grupo paralelo na cadeia em série.

Tensão da bateria = Número de grupos em série × Tensão da célula

A conexão de 100 células com tensão nominal de 3,7 volts em série produz uma tensão nominal da bateria de aproximadamente 370 volts.

A capacidade medida em ampères-hora não aumenta quando células idênticas são conectadas apenas em série.

Conexões em paralelo

Quando células idênticas são conectadas em paralelo, a tensão permanece igual, enquanto suas capacidades em ampères-hora são somadas.

Capacidade do grupo paralelo =
Número de células em paralelo × Capacidade da célula

Quatro células de 72 Ah conectadas em paralelo formam um grupo de 288 Ah.

As células em paralelo também dividem a corrente. Em condições equilibradas, quatro células idênticas em paralelo conduzem, cada uma, aproximadamente um quarto da corrente do grupo.

A divisão real da corrente pode variar ligeiramente devido a diferenças de:

• Resistência interna
• Temperatura
• Idade da célula
• Conexões elétricas
• Tolerâncias de fabricação

Normalmente, o BMS monitora células conectadas em paralelo como um único grupo de tensão, pois elas compartilham a mesma tensão nos terminais.

Como entender a notação s e p

As configurações de baterias são normalmente indicadas usando:

• s para série
• p para paralelo

Uma configuração 3s4p contém:

• Três grupos conectados em série
• Quatro células conectadas em paralelo dentro de cada grupo
• Doze células físicas no total

O número total de células é:

Total de células = Quantidade em série × Quantidade em paralelo

Para uma bateria que usa células idênticas:

Tensão nominal da bateria =
Quantidade em série × Tensão nominal da célula

Capacidade da bateria em Ah =
Quantidade em paralelo × Capacidade da célula

Energia nominal da bateria em Wh =
Tensão nominal da bateria × Capacidade da bateria

A multiplicação da tensão pelos ampères-hora fornece um valor nominal aproximado de energia.

A tensão da célula varia continuamente com o estado de carga. Portanto, esse cálculo não é uma medição exata da energia que a bateria pode fornecer durante uma descarga completa. Os fabricantes também podem definir a capacidade nominal ou bruta usando métodos de caracterização das células ligeiramente diferentes desse cálculo simples.

Exemplo: Audi Q8 55 e-tron

A bateria do Audi Q8 55 e-tron contém 432 células prismáticas divididas em 36 módulos. Cada módulo contém 12 células.

A Audi especifica:

• Capacidade bruta de 114 kWh
• Capacidade utilizável de 106 kWh
• Tensão nominal de 396 V
• 36 módulos
• 432 células

Cada módulo usa uma configuração 3s4p. Portanto, a bateria completa é 108s4p. (Audi)

Usando os valores nominais das células:

• Tensão da célula: aproximadamente 3,6667 V
• Capacidade da célula: 72 Ah
• Capacidade do grupo paralelo: 4 × 72 Ah = 288 Ah
• Tensão do módulo: 3 × 3,6667 V = aproximadamente 11 V
• Capacidade do módulo: 288 Ah

Os 36 módulos são conectados em série:

• Configuração completa: 108s4p
• Tensão da bateria: 36 × 11 V = 396 V
• Capacidade da bateria: 288 Ah
• Energia nominal: 396 V × 288 Ah = 114.048 Wh

O resultado é de aproximadamente 114 kWh, correspondente à capacidade bruta publicada pela Audi.

Esse exemplo demonstra dois princípios importantes:

• Conectar células ou módulos em série aumenta a tensão
• Conectar módulos em série não aumenta a capacidade em ampères-hora

Exemplo: Porsche Macan Electric

O Porsche Macan Electric usa:

• Capacidade bruta de 100 kWh
• Capacidade utilizável de aproximadamente 95 kWh
• 12 módulos
• 15 células prismáticas conectadas em série por módulo
• 180 células no total
• Uma arquitetura da classe 800

Portanto, a bateria completa pode ser descrita como 180s1p. Cada grande célula prismática já oferece a capacidade necessária em ampères-hora, de modo que não são necessárias células físicas em paralelo em cada posição da série.

A Porsche também afirma que os 12 módulos e vários outros componentes importantes da bateria podem ser substituídos individualmente. (Porsche Newsroom)

Isso é substancialmente diferente de uma bateria que usa milhares de pequenas células cilíndricas, embora os dois projetos desempenhem as mesmas funções básicas.

Exemplo ilustrativo de bateria com pequenas células cilíndricas

Considere uma bateria que usa 4.416 células cilíndricas em uma configuração 96s46p.

Suponha que cada célula tenha:

• Tensão nominal: 3,7 V
• Capacidade: 4,8 Ah

A bateria resultante tem:

Tensão da bateria = 96 × 3,7 V
                  = 355,2 V

Capacidade da bateria = 46 × 4,8 Ah
                      = 220,8 Ah

Energia nominal = 355,2 V × 220,8 Ah
                = aproximadamente 78,4 kWh

Essa é uma configuração ilustrativa, e não uma especificação para todos os veículos que usam uma quantidade semelhante de células.

As baterias com células cilíndricas variam conforme:

• Capacidade das células
• Química das células
• Fornecedor
• Fábrica
• Ano-modelo
• Versão da bateria
• Janela de tensão utilizável

Exemplos de configurações de baterias

Os fabricantes nem sempre publicam a notação sXp completa. As configurações marcadas com um asterisco são derivadas das disposições publicadas de células e módulos.

Bateria	Ano	Capacidade bruta ou nominal	Células/módulos	Configuração	Tensão nominal ou da arquitetura
Mitsubishi i-MiEV, especificação dos EUA	2012	16,3 kWh	88 células	88s1p*	325,6 V
Volkswagen e-Golf	2014	24,2 kWh	264 células/27 módulos	88s3p*	323 V
Volkswagen e-Golf, geração de 35,8 kWh	2017	35,8 kWh	264 células/27 módulos	88s3p*	323 V
Audi Q8 55 e-tron	2022	114 kWh	432 células/36 módulos	108s4p	396 V
Bateria PPE do Audi Q6 e-tron/A6 e-tron	2024	100 kWh	180 células/12 módulos	180s1p*	Classe 800
Porsche Macan Electric	2024	100 kWh	180 células/12 módulos	180s1p*	Classe 800
NIO Ultra-Long Range Battery de 150 kWh	2024	150 kWh nominais	384 células	Não publicada oficialmente	337 V nominais
Porsche Cayenne Electric	2026	113 kWh	192 células pouch/6 módulos	Não publicada oficialmente	Classe 800

A bateria de teste do Mitsubishi i-MiEV usava 88 células, tinha capacidade nominal de 50 Ah, energia nominal de 16,3 kWh e tensão nominal de 325,6 V. (Departamento de Energia dos Estados Unidos)

O e-Golf original usava 264 células, 27 módulos, 323 V e 24,2 kWh. A versão posterior de 35,8 kWh manteve a mesma quantidade de células e módulos, a mesma tensão nominal e a mesma massa publicada da bateria. (VW Press)

A bateria Audi PPE usa 12 módulos e 180 grandes células prismáticas, em vez dos 36 módulos e das 432 células usados pelo Q8 e-tron. (Audi)

A NIO publica 384 células, tensão nominal de 337 V, 446 Ah e 575 kg para sua bateria de 150 kWh, mas não fornece informações públicas suficientes para indicar uma configuração sXp completa e confiável. (NIO)

O Porsche Cayenne Electric usa seis módulos e 192 grandes células pouch em uma bateria com funções integradas. (Porsche Newsroom)

Tensão, corrente e potência

A potência elétrica depende da tensão e da corrente:

Potência = Tensão × Corrente

A mesma potência pode ser transferida usando:

• Tensão mais alta e corrente mais baixa
• Tensão mais baixa e corrente mais alta

Uma transferência idealizada de 300 kW exige:

Em 400 V:

Corrente = 300.000 W ÷ 400 V
         = 750 A

Em 800 V:

Corrente = 300.000 W ÷ 800 V
         = 375 A

O sistema da classe 800 fornece a mesma potência com metade da corrente.

As perdas elétricas nos condutores podem ser aproximadas por:

Perda resistiva = Corrente² × Resistência

Se a resistência permanecer inalterada, reduzir a corrente pela metade diminui a perda resistiva para um quarto.

Os veículos reais são mais complexos porque as dimensões dos condutores, a resistência dos conectores, os semicondutores, o resfriamento e a tensão efetiva da bateria também mudam. Ainda assim, o cálculo explica por que uma tensão mais alta se torna atraente à medida que aumentam as potências de carregamento e do sistema de propulsão.

Sistemas das classes 400 e 800

Os termos 400 volts e 800 volts descrevem classes amplas de sistemas, e não tensões fixas da bateria.

A tensão da bateria varia com:

• Estado de carga
• Química das células
• Temperatura
• Corrente
• Número de células conectadas em série
• Limites de tensão do fabricante

Uma bateria comercializada como de 400 volts pode operar desde a faixa inferior dos 300, chegando a mais de 400 V.

Uma bateria da classe 800 pode ter uma tensão nominal mais próxima de 650–750 V, ao mesmo tempo que se aproxima ou supera 800 V com um estado de carga elevado.

Sistemas da classe 400

Uma arquitetura da classe 400 continua sendo suficiente para muitos veículos elétricos convencionais.

Vantagens

• Componentes maduros e amplamente disponíveis
• Menor custo dos componentes
• Compatibilidade direta com os carregadores existentes
• Requisitos de isolamento menos exigentes
• Potência adequada para muitos veículos de passageiros
• Processos consolidados de reparo e fabricação

Contrapartidas

• Maior corrente para a mesma potência
• Condutores de corrente maiores em potências muito altas
• Mais aquecimento nos conectores e cabos
• Maior dificuldade para atingir potências extremas de carregamento
• Maiores requisitos de corrente para sistemas de propulsão de alta potência

Uma boa bateria da classe 400 pode, ainda assim, carregar muito rapidamente quando combina células de alta corrente, resfriamento eficaz e uma curva de carregamento ampla.

Sistemas da classe 800

Uma arquitetura da classe 800 reduz a corrente necessária para determinada potência.

Vantagens

• Menor corrente em alta potência de carregamento
• Menores perdas nos condutores
• Cabos de alta tensão potencialmente menores ou mais leves
• Maior potência dentro dos limites de corrente dos conectores
• Fornecimento eficiente de alta potência ao sistema de propulsão
• Grande adequação ao carregamento de alta potência

Contrapartidas

• Componentes de alta tensão mais caros
• Isolamento e distâncias de escoamento mais exigentes
• Maiores requisitos para contatores e sensores
• Eletrônica de potência mais complexa
• Desafios de compatibilidade com carregadores de menor tensão
• Maior custo de desenvolvimento e validação

Uma tensão mais alta não garante carregamento mais rápido.

O desempenho de carregamento também depende de:

• Química das células
• Taxa C das células
• Temperatura da bateria
• Curva de carregamento
• Limites de corrente
• Capacidade de resfriamento
• Estado de carga
• Capacidade do carregador

Carregamento de uma bateria da classe 800 em um carregador de menor tensão

Um carregador precisa fornecer tensão suficiente para conduzir corrente para a bateria.

Normalmente, uma bateria da classe 800 não consegue carregar diretamente em um carregador cuja tensão máxima de saída permaneça bem abaixo da tensão da bateria.

Os fabricantes resolvem isso de várias maneiras:

• Um conversor elevador CC dedicado
• Uso do motor e do inversor como parte de um circuito elevador
• Reconfiguração da bateria em bancos de menor tensão
• Capacidade de carregamento limitada em carregadores incompatíveis

Carregamento em bancos

O carregamento em bancos altera a configuração elétrica da bateria durante o carregamento.

O Porsche Macan pode dividir sua bateria da classe 800 em dois circuitos independentes da classe 400 entre si. As duas metades da bateria são então carregadas simultaneamente a até 135 kW, sem um elevador de alta tensão separado. (Porsche Newsroom)

As células não se movem, e a bateria não é fisicamente dividida. Chaves de alta tensão alteram a forma como suas seções são conectadas eletricamente.

Isso demonstra que a configuração da bateria nem sempre permanece fixa em todos os modos de operação.

Arquiteturas de baterias

A configuração elétrica descreve como as células são conectadas.

A arquitetura da bateria descreve como as células, o sistema de resfriamento, o invólucro, os módulos e a estrutura do veículo são fisicamente integrados.

As principais abordagens incluem:

• Baterias baseadas em módulos
• Cell-to-Pack
• Cell-to-Body ou Cell-to-Chassis
• Baterias estruturais ou com funções integradas

Essas categorias se sobrepõem.

Uma bateria estrutural ainda pode conter módulos. Um projeto Cell-to-Pack ainda pode usar armações internas, fileiras comprimidas, bancos ou outras estruturas de agrupamento das células.

Baterias baseadas em módulos

Em uma bateria tradicional baseada em módulos, as células são montadas em módulos antes de estes serem instalados no invólucro da bateria.

Célula → Módulo → Bateria → Veículo

Os módulos podem incluir:

• Armações para as células
• Estruturas de compressão
• Barramentos
• Eletrônica de monitoramento das células
• Interfaces de resfriamento
• Isolamento elétrico
• Proteção mecânica
• Conectores no nível do módulo

Vantagens das baterias baseadas em módulos

• Escalabilidade: diferentes capacidades podem ser criadas usando quantidades diferentes de módulos.
• Separação da fabricação: a montagem dos módulos e a montagem final da bateria podem ser testadas separadamente.
• Grupos controlados de células: compressão, conexões elétricas e resfriamento podem ser gerenciados em unidades definidas.
• Possibilidade de reparo: um módulo defeituoso pode ser substituído sem trocar a bateria inteira.
• Flexibilidade de fornecedores: os módulos podem criar uma interface entre a produção das células e a montagem do veículo.
• Reutilização da plataforma: às vezes, um mesmo projeto de módulo pode ser usado em vários veículos.

Contrapartidas das baterias baseadas em módulos

• Material inativo adicional: armações, tampas, elementos de fixação e conectores acrescentam massa.
• Maior quantidade de peças: são necessários mais alojamentos, vedações, barramentos e interfaces.
• Menor eficiência da bateria: é necessário espaço ao redor das células e dos módulos.
• Mais etapas de montagem: os módulos exigem produção, testes, transporte e instalação separados.

A presença de módulos não torna automaticamente uma bateria reparável.

A possibilidade de reparo também depende de:

• Acesso à bateria
• Adesivos e selantes
• Projeto do circuito de líquido de resfriamento
• Disponibilidade de peças de reposição
• Suporte de diagnóstico
• Programação do BMS
• Procedimentos de reparo do fabricante

O Porsche Macan Electric é um exemplo moderno de bateria baseada em módulos com foco no reparo. A Porsche afirma que seus 12 módulos e outros componentes importantes podem ser substituídos individualmente. (Porsche Newsroom)

Cell-to-Pack

Cell-to-Pack, normalmente abreviado como CTP, elimina ou reduz o invólucro intermediário dos módulos convencionais.

Célula → Bateria → Veículo

As células ainda podem ser organizadas em:

• Fileiras
• Grupos comprimidos
• Armações internas
• Bancos
• Matrizes estruturais

CTP não significa necessariamente que cada célula esteja solta dentro de um único invólucro sem divisões.

Vantagens do Cell-to-Pack

• Maior aproveitamento do volume da bateria: menos volume é ocupado por paredes e tampas dos módulos.
• Menor massa inativa: são necessários menos alojamentos intermediários e elementos de fixação.
• Menor quantidade de peças: as interfaces elétricas e estruturais podem ser consolidadas.
• Possível redução de custos: a eliminação de componentes repetidos pode simplificar a montagem.
• Integração mais direta do resfriamento: as células …1035 tokens truncated…proteção contra corrosão se tornam mais críticas
• As tolerâncias dimensionais se tornam mais exigentes

Baterias estruturais e com funções integradas

Uma bateria estrutural suporta cargas significativas do veículo, em vez de servir apenas como uma unidade de armazenamento de energia montada sob a carroceria.

Uma bateria estrutural pode usar:

• Células coladas diretamente em um invólucro estrutural
• Grandes matrizes estruturais de células
• Módulos instalados em uma bateria integrada à carroceria
• Uma tampa da bateria que também serve como parte do assoalho da cabine

A integração estrutural e o uso de módulos são escolhas de projeto independentes.

Bateria estrutural da Tesla

A Tesla começou a produzir versões selecionadas do Model Y com células 4680 próprias, grandes peças fundidas da carroceria e uma bateria estrutural em 2022.

A Tesla também produziu variantes do Model Y com baterias convencionais não estruturais e células 2170. Portanto, a arquitetura da bateria depende da versão e da fábrica do veículo.

Porsche Cayenne Electric

O Porsche Cayenne Electric usa o que a Porsche chama de bateria de alta tensão com funções integradas.

A bateria:

• É integrada diretamente à estrutura do veículo
• Contribui para a rigidez da carroceria
• Contém seis módulos
• Contém 192 grandes células pouch
• Tem capacidade bruta de 113 kWh
• Usa resfriamento dos módulos pelos dois lados

É um exemplo útil de bateria estruturalmente integrada que continua sendo modular, em vez de usar uma arquitetura CTP sem módulos. (Porsche Newsroom)

Vantagens das baterias estruturais

• Menos duplicação entre as estruturas da bateria e da carroceria
• Massa total do sistema potencialmente menor
• Melhor aproveitamento do espaço vertical
• Maior rigidez da carroceria
• Centro de gravidade mais baixo
• Menos componentes grandes no veículo

Contrapartidas das baterias estruturais

• O desenvolvimento da bateria e do veículo se torna inseparável
• Danos estruturais podem afetar o invólucro da bateria
• A remoção da bateria e o reparo da carroceria podem ser mais complicados
• As tolerâncias de fabricação se tornam mais exigentes
• Pode ser difícil reutilizar a bateria em outra plataforma
• O reparo exige procedimentos detalhados do fabricante

O vídeo abaixo apresenta uma análise detalhada da bateria estrutural da Tesla feita pela Munro & Associates.

Arquitetura da bateria e possibilidade de manutenção

É tentador classificar as arquiteturas de baterias assim:

Módulos = reparável

Cell-to-Pack = difícil de reparar

Bateria estrutural = não reparável

A realidade é mais complexa.

A possibilidade de manutenção depende de:

• Se a tampa pode ser aberta sem ser destruída
• Se módulos ou grupos de células podem ser removidos
• Adesivos estruturais, espuma e compostos de encapsulamento
• Acesso às placas de resfriamento
• Conexões do líquido de resfriamento
• Disponibilidade de módulos e componentes eletrônicos
• Ferramentas de diagnóstico
• Programação do BMS e pareamento de componentes
• Procedimentos de reparo aprovados
• Danos ao invólucro da bateria ou à estrutura do veículo

Uma bateria convencional baseada em módulos ainda pode ser substituída apenas como unidade completa se o fabricante não fornecer módulos ou instruções de reparo.

Uma bateria estruturalmente integrada ainda pode conter componentes substituíveis, como:

• Módulos
• Contatores
• Fusíveis
• Sensores
• Controladores
• Componentes do circuito de líquido de resfriamento

O Porsche Cayenne Electric demonstra que a integração estrutural e a construção modular podem coexistir.

A arquitetura da bateria influencia as possibilidades de reparo, mas não as determina sozinha.

Densidade de energia no nível da bateria

A densidade de energia no nível da célula descreve a energia armazenada pelas células em relação à sua massa ou volume.

A densidade de energia no nível da bateria inclui tudo o que é necessário para operar, conectar, resfriar e proteger as células:

• Invólucros das células
• Estruturas dos módulos
• Invólucro da bateria
• Sistema de resfriamento
• Barramentos e fiação
• Contatores e fusíveis
• Eletrônica de controle
• Proteção contra colisões
• Vedações e elementos de fixação
• Materiais de interface térmica

A densidade gravimétrica de energia da bateria é:

Densidade gravimétrica de energia da bateria =
Energia da bateria em Wh ÷ Massa total da bateria em kg

A densidade volumétrica de energia da bateria é:

Densidade volumétrica de energia da bateria =
Energia da bateria em Wh ÷ Volume externo da bateria em litros

Uma célula com alta densidade de energia ainda pode resultar em uma bateria relativamente pesada se exigir resfriamento, contenção ou equipamentos estruturais extensos.

Uma química de menor densidade, como LFP, pode obter um resultado respeitável no nível da bateria por meio de integração eficiente, mas a menor densidade no nível da célula não desaparece por completo.

Densidade de energia das baterias ao longo do tempo

A tabela usa energia bruta ou nominal publicada pelo fabricante, e não energia utilizável.

Os valores devem ser tratados como exemplos representativos, e não como uma comparação de laboratório. Os fabricantes nem sempre definem a massa da bateria ou a energia nominal exatamente da mesma maneira.

Bateria	Ano ou geração	Capacidade bruta ou nominal	Massa da bateria	Densidade calculada
Mitsubishi i-MiEV, especificação dos EUA	2012	16,3 kWh	165 kg	99 Wh/kg
Tesla Model S 85	2012	85 kWh	Aproximadamente 540 kg	Aproximadamente 157 Wh/kg
Volkswagen e-Golf	2014	24,2 kWh	318 kg	76 Wh/kg
Audi e-tron 55	2018	95 kWh	Aproximadamente 699 kg	Aproximadamente 136 Wh/kg
Volkswagen e-Golf, geração de 35,8 kWh	2017	35,8 kWh	318 kg	113 Wh/kg
Audi Q4 e-tron, bateria grande	2021	82 kWh	Aproximadamente 500 kg	Aproximadamente 164 Wh/kg
BYD Seal Long Range, LFP	2022	82,56 kWh	Aproximadamente 558 kg	Aproximadamente 148 Wh/kg
Audi Q6 e-tron/Porsche Macan Electric	2024	100 kWh	Aproximadamente 570 kg	Aproximadamente 175 Wh/kg
Renault 5 E-Tech, versão de 52 kWh	2024	55 kWh	297 kg	185 Wh/kg
Audi e-tron GT, bateria atualizada	2024	105 kWh	625 kg	168 Wh/kg
Bateria intercambiável NIO de 100 kWh	Especificação publicada atual	100 kWh nominais	555 kg	180 Wh/kg
NIO Ultra-Long Range Battery de 150 kWh	2024	150 kWh nominais	575 kg	261 Wh/kg

Os dados do Mitsubishi i-MiEV vêm de um relatório de testes do Departamento de Energia dos Estados Unidos, que informa energia nominal de 16,3 kWh e massa da bateria de 363 lb, equivalente a aproximadamente 165 kg. (Departamento de Energia dos Estados Unidos)

A Tesla especificou oficialmente o Model S original com uma bateria de 85 kWh. A massa de aproximadamente 540 kg é uma estimativa técnica frequentemente citada, e não um dado informado na especificação original do veículo pela Tesla; portanto, sua densidade calculada deve ser tratada como aproximada. (Tesla)

A Volkswagen informa oficialmente 318 kg para as duas gerações de baterias do e-Golf. (VW Press)

O modelo 2018 Audi e-tron usava uma bateria de 95 kWh que pesava aproximadamente 699 kg. O valor oferece um exemplo útil de bateria projetada com foco em resfriamento eficaz, proteção estrutural, carregamento repetível e construção modular, e não apenas na massa mínima.

O valor do BYD Seal usa uma massa aproximada de 558 kg para a Blade Battery LFP de 82,56 kWh. Isso resulta em cerca de 148 Wh/kg e é uma referência moderna útil de LFP.

A Renault publica oficialmente capacidade utilizável de 52 kWh e massa de 297 kg para a bateria do Renault 5. A tabela usa 55 kWh como valor de trabalho da capacidade bruta da EVKX, resultando em aproximadamente 185 Wh/kg. (Renault Irlanda)

A Audi publica capacidade bruta de 105 kWh e massa de 625 kg para a bateria atualizada do e-tron GT. (Audi)

A NIO publica 555 kg para suas baterias de 100 kWh e 575 kg para a versão de 150 kWh. (NIO)

As primeiras baterias de veículos elétricos não eram todas iguais

A tabela não mostra um aumento simples ano após ano.

O Mitsubishi i-MiEV e o e-Golf original eram sistemas de bateria iniciais e conservadores, com:

• Capacidade modesta
• Baixa potência de carregamento
• Estrutura de suporte substancial
• Acondicionamento limitado por plataformas pequenas ou com vários tipos de propulsão

O primeiro e-Golf alcançou apenas 76 Wh/kg no nível da bateria.

O Tesla Model S original foi uma grande exceção. Sua bateria grande, plana e projetada especificamente para o veículo alcançou aproximadamente 157 Wh/kg em 2012, apesar de usar:

• 7.104 pequenas células cilíndricas
• 16 módulos
• Resfriamento líquido
• Milhares de conexões elétricas
• Um invólucro estrutural resistente

O Model S mostrou como uma célula de alta energia e um veículo projetado em torno de uma grande bateria plana podiam superar muitas baterias menores dos primeiros veículos elétricos.

Duas gerações da bateria do e-Golf

As duas baterias do e-Golf oferecem uma comparação excepcionalmente clara porque sua massa publicada, quantidade de células, quantidade de módulos e tensão nominal permaneceram iguais.

Especificação	e-Golf de 24,2 kWh	e-Golf de 35,8 kWh
Capacidade nominal	24,2 kWh	35,8 kWh
Massa da bateria	318 kg	318 kg
Quantidade de células	264	264
Quantidade de módulos	27	27
Tensão nominal	323 V	323 V
Densidade calculada	76 Wh/kg	113 Wh/kg

A bateria posterior armazena aproximadamente 48% mais energia sem aumentar a massa publicada da bateria nem a quantidade de células.

A melhoria veio principalmente da maior capacidade das células, e não de um invólucro maior.

LFP moderno: Blade Battery do BYD Seal

O BYD Seal oferece um exemplo útil de bateria LFP moderna.

Sua Blade Battery de 82,56 kWh pesa aproximadamente 558 kg, resultando em uma densidade calculada de cerca de 148 Wh/kg.

Esse valor é menor do que o de várias baterias modernas à base de níquel, apesar de o Seal usar uma arquitetura Cell-to-Body eficiente.

O resultado ilustra dois efeitos distintos:

• As células LFP normalmente armazenam menos energia por quilograma do que as principais células ricas em níquel
• Uma integração eficiente da bateria reduz, mas não elimina, a desvantagem no nível da célula

A bateria do Seal não tem um projeto ruim. Ela prioriza um equilíbrio diferente entre:

• Custo dos materiais
• Vida útil em ciclos
• Estabilidade térmica
• Integração da bateria
• Eficiência estrutural

Portanto, a densidade da bateria não deve ser tratada como uma classificação completa de sua qualidade.

Renault 5: alta densidade em uma bateria modular pequena

O Renault 5 E-Tech se destaca porque sua bateria compacta alcança aproximadamente 185 Wh/kg quando se usa o valor bruto de trabalho de 55 kWh.

Especificação	Renault 5 E-Tech
Capacidade bruta usada pela EVKX	55 kWh
Capacidade utilizável oficial	52 kWh
Massa da bateria	297 kg
Densidade bruta calculada	185 Wh/kg
Número de módulos	4

O resultado é especialmente interessante porque o Renault 5 não usa um projeto CTP sem módulos.

Seus quatro módulos grandes reduzem alojamentos, conectores e componentes de suporte repetidos em comparação com baterias que usam muitos módulos menores.

Assim, o Renault demonstra que uma boa densidade no nível da bateria não exige a eliminação completa dos módulos.

Baterias intercambiáveis NIO de 100 a 150 kWh

As baterias de 100 a 150 kWh da NIO oferecem outra comparação reveladora porque ambas são compatíveis com a interface de troca de baterias da empresa.

Especificação	NIO 100 kWh	NIO 150 kWh
Capacidade nominal	100 kWh	150 kWh
Massa da bateria	555 kg	575 kg
Densidade calculada	180 Wh/kg	261 Wh/kg
Diferença de massa	—	20 kg a mais
Diferença de energia	—	50% a mais

A bateria de 150 kWh armazena 50% mais energia nominal e acrescenta apenas 20 kg em comparação com a especificação publicada da bateria de 100 kWh.

Sua densidade calculada de aproximadamente 261 Wh/kg é muito superior à dos exemplos convencionais da tabela.

Ela não deve ser considerada representativa do mercado mais amplo de veículos elétricos. A bateria usa um projeto especializado de célula de alta energia e foi implantada por meio do sistema de atualização e troca de baterias da NIO.

Por que os valores de densidade das baterias não são perfeitamente comparáveis

Comparações de densidade de baterias exigem cautela.

Os fabricantes podem diferir na forma como definem:

• Capacidade bruta
• Capacidade nominal
• Massa total da bateria
• Massa do líquido de resfriamento
• Massa da caixa de junção
• Proteção da parte inferior
• Componentes estruturais compartilhados
• Especificação de produção em comparação com protótipo

Os requisitos dos veículos também variam.

Um veículo elétrico de alto desempenho pode precisar de mais:

• Resfriamento
• Capacidade dos barramentos
• Equipamentos de alta corrente
• Proteção contra colisões

Um SUV ou veículo fora de estrada pode exigir um invólucro mais pesado do que um hatchback compacto.

Uma bateria intercambiável precisa de interfaces estruturais e mecânicas que uma bateria instalada permanentemente não exige.

Uma bateria de menor densidade ainda pode oferecer:

• Carregamento mais rápido e repetível
• Melhor resfriamento
• Maior proteção contra colisões
• Substituição mais fácil dos módulos
• Maior potência sustentada
• Vida útil mais longa
• Menor custo de produção

A densidade no nível da bateria é útil, mas não é uma pontuação completa de sua qualidade.

O que a arquitetura da bateria significa para quem compra um veículo elétrico

Normalmente, a configuração da bateria não é algo que um comprador precise comparar diretamente.

Uma bateria 180s1p não é inerentemente melhor do que uma bateria 96s46p.

O que importa no uso diário é o resultado do projeto completo:

• Capacidade utilizável da bateria
• Eficiência do veículo
• Curva de carregamento
• Carregamento no frio
• Pré-condicionamento da bateria
• Potência contínua e de pico
• Degradação
• Gerenciamento térmico
• Cobertura da garantia
• Proteção contra propagação térmica
• Opções de reparo da bateria e dos módulos
• Custo de substituição após danos

Uma tensão mais alta pode ajudar um veículo elétrico a alcançar grandes potências de carregamento e do sistema de propulsão, mas a tensão, por si só, não determina a velocidade de carregamento.

Cell-to-Pack e integração estrutural podem reduzir o peso e melhorar o acondicionamento. Também podem alterar os procedimentos de reparo e aumentar as consequências de danos estruturais ou na parte inferior do veículo.

Uma bateria modular pode oferecer mais opções de reparo, mas apenas quando há disponibilidade de peças de reposição, diagnósticos e procedimentos aprovados.

A melhor arquitetura de bateria é aquela que atende às metas do veículo para:

• Desempenho
• Autonomia
• Carregamento
• Segurança
• Durabilidade
• Custo de produção
• Acondicionamento
• Possibilidade de manutenção

A sigla mais recente não identifica automaticamente a melhor bateria.

Para conhecer as camadas de proteção ao redor das células e da bateria completa, consulte Segurança e gerenciamento de falhas das baterias de veículos elétricos.

Fontes

• Capacidade da bateria e carregamento do Audi Q8 e-tron
• Bateria e carregamento do Porsche Macan
• Testes da bateria do Mitsubishi i-MiEV pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos
• Material de imprensa do Volkswagen e-Golf
• Bateria de alta tensão Audi PPE
• Manual do usuário do NIO ET7
• Sistema de alta tensão do Porsche Cayenne Electric
• Tecnologias de baterias e energia do Grupo Volkswagen
• Especificações do Tesla Model S
• Especificações do Renault 5 E-Tech
• Bateria de alta tensão do Audi e-tron GT