Che cosa sono la cella batteria, il modulo batteria e il pacco batteria?

È importante comprendere la differenza tra cella batteria, modulo batteria e pacco batteria se lavori in settori come quello dei veicoli elettrici e delle energie rinnovabili. Queste parti hanno ruoli diversi all'interno di un sistema di batterie e le loro particolari configurazioni possono influenzare notevolmente le prestazioni, l'efficienza e la sicurezza. Questo articolo approfondirà quindi le specifiche di ciascun componente spiegando cosa li rende unici gli uni dagli altri e come interagiscono tra loro per formare un sistema di batterie completo.

Cos'è una cella di batteria?

Una cella della batteria è l'unità più piccola di un sistema di batterie che funziona come un elemento fondamentale. Ogni cella è costituita da un catodo (elettrodo positivo), un anodo (elettrodo negativo), un elettrolita che aiuta gli ioni a spostarsi tra gli elettrodi e un separatore. Il movimento degli ioni tra gli elettrodi positivi e negativi crea un flusso di ioni che utilizziamo come energia elettrica per alimentare vari dispositivi. Ogni cella ha la propria capacità, tensione, ciclo di vita, ecc., che ne determinano le prestazioni per varie applicazioni.

Tipi di celle della batteria

Le celle della batteria sono disponibili in diverse forme, comprese celle cilindriche, celle prismatiche e celle a sacchetto.

Cos'è un modulo batteria?

Il modulo batteria è un assieme che combina diverse celle di batterie. Queste celle possono essere collegate in configurazioni in serie o in parallelo. La singola cella di questo tipo ha limitazioni sulla sua capacità energetica, quindi non può fornire energia sufficiente per la maggior parte delle applicazioni da sola. All'interno dei moduli le celle sono collegate tramite collegamenti elettrici e racchiuse in un involucro protettivo. Tale progettazione migliora le prestazioni/efficienza complessive e la capacità energetica del sistema. Di conseguenza, questo approccio modulare garantisce maggiore flessibilità nella progettazione di sistemi di batterie che possono essere utilizzati in molte applicazioni, a partire dai dispositivi elettronici miniaturizzati fino ai sistemi di accumulo di energia su larga scala.

Vantaggi dell'utilizzo dei moduli batteria

Sebbene sia vero che esistono alcune applicazioni su piccola scala in cui le celle della batteria possono essere assemblate direttamente in un pacco batteria; questo approccio funziona meglio per dispositivi di piccole dimensioni con requisiti di alimentazione moderati come i piccoli dispositivi elettronici; tuttavia, per le applicazioni che richiedono prestazioni più elevate, maggiori livelli di sicurezza insieme a migliori prospettive di scalabilità, l'utilizzo dei moduli batteria è nella posizione migliore per soddisfare tali esigenze. Queste applicazioni includono veicoli elettrici, sistemi di stoccaggio di energia rinnovabile e macchinari industriali.

Facilità di manutenzione

I moduli batteria semplificano la manutenzione rispetto alle singole celle. Nel caso in cui uno qualsiasi dei moduli sia difettoso, può essere sostituito senza smontare l'intero pacco batteria, riducendo così i tempi di inattività e i costi di manutenzione. I moduli standardizzati facilitano le riparazioni e le sostituzioni. Ciò garantisce la continuità operativa soprattutto in applicazioni come i veicoli elettrici e lo stoccaggio di energia su larga scala.

Rischio ridotto di fuga termica

I moduli batteria aumentano la sicurezza riducendo la possibilità di fuga termica. Quando troppo calore provoca guasti dannosi, si parla di fuga termica. I moduli consentono soluzioni avanzate di gestione termica come raffreddamento a liquido e dissipatori di calore. Tali sistemi gestiscono e dissipano efficacemente il calore, consentendo loro di mantenere temperature uniformi su tutte le celle. Inoltre, i moduli possono avere circuiti di protezione e fusibili che isolano le celle danneggiate in modo da impedire la diffusione dei guasti.

Maggiore resistenza strutturale complessiva

I moduli batteria forniscono una protezione robusta per le singole celle. Il design robusto riduce il rischio di danni dovuti a urti, vibrazioni e altre sollecitazioni. Ciò garantisce affidabilità e durata. Una migliore integrità strutturale è particolarmente vantaggiosa in applicazioni come i veicoli elettrici, dove le batterie sono esposte a movimenti costanti e potenziali collisioni.

Flessibilità e scalabilità:

La natura flessibile e scalabile dei moduli batteria aiuta nella progettazione del sistema batteria. I design modulari consentono di creare pacchi di batterie con tensioni e capacità diverse, cosa che può essere fatta ospitando un numero diverso di questi moduli. Ciò significa che i produttori possono produrre batterie in base alle esigenze applicative specifiche quando necessitano di piccoli sistemi elettronici o di grandi sistemi industriali.

Maggiore efficienza produttiva

I moduli batteria portano ad una maggiore efficienza produttiva attraverso processi standardizzati. Ciò garantisce coerenza in termini di qualità e prestazioni. I processi di assemblaggio semplificati comportano tempi di produzione ridotti e costi inferiori. Di conseguenza, i produttori possono produrre sistemi di batterie di alta qualità in modo economico e abbastanza veloce. Nelle operazioni di produzione su larga scala, questo diventa significativo poiché è finalizzato a soddisfare le richieste del mercato.

Cos'è un pacco batteria?

Un pacco batteria è un sistema completo di accumulo di energia composto da vari moduli batteria, che vengono poi assemblati a volte con sistemi di gestione integrati. Anche un BMS incorporato è il Battery Pack. Altri elementi sono costituiti da un sistema di gestione della batteria (BMS), un sistema di gestione termica e un telaio dell'alloggiamento che compongono il pacco batteria. Tutti questi componenti funzionano in armonia per fornire prestazioni e sicurezza migliori. Di conseguenza, il sistema migliora l’immagazzinamento e la distribuzione efficienti dell’energia per diversi scopi come l’elettronica portatile, i veicoli elettrici e lo stoccaggio di energia su larga scala.

Come vengono assemblati i pacchi batteria?

L'assemblaggio di un pacco batteria prevede diversi passaggi critici. Si inizia scegliendo i tipi appropriati di moduli batteria e integrandoli con il BMS. Per ottenere la tensione e la capacità desiderate, le batterie vengono collegate in configurazione in serie o in parallelo. Questo processo richiede collegamenti elettrici precisi per garantire una distribuzione uniforme della potenza nell'intero assieme. Inoltre, la resistenza interna deve essere ridotta al minimo poiché il suo aumento potrebbe avere un impatto sulle prestazioni complessive del pacco.

Il processo di assemblaggio tiene conto dei problemi termici quando si assembla un pacco batteria. Questi includono sistemi avanzati come il raffreddamento a liquido o meccanismi di dissipazione del calore, ove necessario, per mantenere temperature ottimali e quindi evitare il surriscaldamento. Ciò è molto importante soprattutto nelle applicazioni ad alta potenza in cui un'efficace dissipazione del calore evita l'instabilità termica garantendo la durata della batteria.

D'altro canto, il telaio dell'alloggiamento si riferisce alla resistenza strutturale e alla protezione dalle condizioni atmosferiche fornite da questo contenitore che circonda tutte le altre parti del dispositivo. È progettato non solo per gli shock meccanici ma anche per le vibrazioni, garantendo così la sicurezza e l'affidabilità dell'intero sistema di batterie. In conclusione, il pack sarà stato sottoposto a test sugli indicatori di prestazione, in particolare sulla sicurezza, oltre al rispetto delle norme che regolano il settore secondo le normative delle autorità; quindi è utile se tali esami superano solo la soglia di qualità.

Cella batteria, modulo batteria e pacco batteria

Una cella della batteria è l’elemento fondamentale, poiché fornisce l’unità base di accumulo dell’energia. Più celle vengono combinate per formare un modulo batteria, che migliora la capacità e la tensione per soddisfare requisiti di alimentazione specifici. I moduli vengono quindi integrati in un pacco batteria, una soluzione completa di accumulo di energia con sistemi di gestione avanzati e funzionalità di protezione.

Applicazioni di celle, moduli e pacchi batteria

Le celle, i moduli e i pacchi batteria vengono utilizzati in varie applicazioni, ciascuna delle quali richiede configurazioni specifiche per soddisfare le proprie esigenze specifiche. Ad esempio, nei piccoli dispositivi elettronici vengono spesso utilizzate celle di batterie. In questi casi le dimensioni compatte e l’elevata densità di energia sono fondamentali. I moduli batteria invece vengono utilizzati nella maggior parte dei casi nei veicoli elettrici. La cosa principale che fanno è consentire la ricarica rapida dei veicoli elettrici che possono essere caricati durante la frenata o quando sono parcheggiati. Infatti tali batterie garantiscono che l'energia venga sempre fornita nella giusta quantità richiesta dall'utente.

Nel frattempo, i grandi sistemi di accumulo dell’energia sfruttano i pacchi batteria con sistemi di gestione integrati. Questi pacchi batteria garantiscono un'alimentazione ininterrotta.

Nei sistemi di energia rinnovabile, i pacchi batteria immagazzinano l’energia in eccesso generata da pannelli solari o turbine eoliche. Questa energia immagazzinata può essere utilizzata successivamente, garantendo un'alimentazione elettrica stabile anche durante i periodi di bassa generazione. Nei veicoli elettrici, le batterie forniscono la potenza necessaria per la propulsione. Gestiscono anche le condizioni termiche per garantire sicurezza e longevità. Pertanto, la versatilità dei pacchi batteria li rende adatti a varie applicazioni, dallo stoccaggio energetico residenziale ai sistemi di alimentazione industriale.

Scegliere la giusta soluzione per la batteria

Per scegliere una soluzione a batteria, è necessario considerare alcuni aspetti come la sicurezza, la gestione termica, la durata, le dimensioni e il peso. Le batterie agli ioni di litio sono preferite per la loro elevata densità di energia, il lungo ciclo di vita e le loro forti caratteristiche di sicurezza. Al contrario, le batterie al nichel-metallo idruro offrono una buona densità di energia ma hanno un ciclo di vita più breve. Infine, le batterie al piombo sono economiche e affidabili, ma pesano di più, hanno meno potenza per unità di massa e una densità di energia inferiore con meno cicli rispetto ai sistemi al litio o al nichel. Di seguito viene fornita una guida approfondita che aiuterà a comprendere le specifiche della batteria:

1. Requisiti energetici e pneumatici

Determina la potenza necessaria per la tua applicazione, misurata in watt (W). Il calcolo di questo valore può essere trovato utilizzando:

Potenza (W)=Tensione (V)×Corrente (A)Potenza (W)=Tensione (V)×Corrente (A)

Ad esempio, se il tuo dispositivo funziona a 12 V e necessita di 2 A, la potenza richiesta è:

12𝑉×2𝐴=24𝑊12V× 2A= 24W

2. Capacità della Batteria

La capacità della batteria si riferisce alla durata di utilizzo di una batteria agli ioni di litio prima che si scarichi completamente; solitamente misurato in wattora (Wh) o ampere-ora (Ah). Per calcolare la capacità richiesta, utilizzare la formula:

Capacità (Ah)=Potenza (W)×Tempo di utilizzo (h)Tensione (V)Capacità (Ah)=Tensione (V)Potenza (W)×Tempo di utilizzo (h)​

Oppure direttamente in wattora (Wh):

Capacità (Wh)=Potenza (W)×Tempo di utilizzo (h)Capacità (Wh)=Potenza (W)×Tempo di utilizzo (h)

Un esempio di ciò potrebbe essere per un apparecchio che utilizza 24 W in 10 ore:

Capacità (Wh)=24𝑊×10ℎ=240𝑊ℎCapacità (Wh)=24W× 10h= 240Wh

Conclusione

Ogni componente di un sistema di batterie ha ruoli specifici affinché l'intero sistema funzioni in modo efficiente, sicuro e con prestazioni elevate. Queste differenze consentono il processo decisionale e la scelta della giusta configurazione della batteria per la vostra applicazione.

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