Come Tesla Ha Ripensato Alle Celle Agli Ioni di Litio Attraverso il Design Modulare e Verticale

Le batterie agli ioni di litio forniscono alta prestazione e ricarica veloce, rendendole ideali per i veicoli elettrici. In ogni caso, il loro costo è sempre stato un ostacolo per l’adozione nel mondo dei veicoli elettrici. Tesla ha eluso questo problema adottando un approccio modulare scalabile. Ogni pacchetto batteria che costruiscono è fatto di centinaia di celle singole standard. Tesla sta portando al suo interno la propria produzione di batteria, costruendo Gigafactory per costruire questa unica unità batteria in alti volumi.  Attraverso quest’approccio semplificato, sono stati capaci non solo di portare una tecnologia migliore ai veicoli elettrici, ma hanno integrato verticalmente la propria produzione. 

Ho imparato tanto circa le batterie agli ioni al litio (Li-ion) quando lavoravo per una compagnia di smartphone. Con ogni riprogettazione di telefono, costruivamo un nuovo pacchetto batteria da zero. Il telefono diventa più sottile, quindi anche la batteria di conseguenza. Certo, è uno sforzo che prende tempo, ma è il solo modo per ottenere la migliore prestazione per la batteria. In un mondo perfetto, ci dovrebbe essere una batteria Li-ion standard che potrebbe funzionare con tutti i telefoni. Questa sorta di approccio modulare è più efficace e economicamente vantaggioso e più facile da produrre internamente. Ecco perchè Tesla ha preso un approccio modulare per i propri veicoli elettrici (EV); hanno semplificato la produzione e il riciclo delle batteria utilizzando un’unità singola di batteria. 

^{Celle agli ioni di litio 18650. Combinando migliaia di questi in un solo pacchetto batteria, Tesla ha creato una chicca nella soluzione dell’energia.} 

Batterie Li-Ion: Alimentare il Veicolo Elettrico del Futuro

Tesla Motors, l’EV fuoriclasse, ha creato una strategia vincente per sviluppare soluzioni di batteria. Questo è un problema chiave per tutti i produttori EV visto che le batterie sono la parte più costosa del veicolo. Tecnologie di batteria più vecchie e meno costose, come Ibrido Metallo Nickel, porta un raggio più corto, e tempi di ricarica più brevi. Al contrario di altri produttori di auto, Tesla ha fatto una scelta coraggiosa per prendere la strada Li-ion nella fase iniziale. Hanno approfittato del potenziale Li-ion attraverso un design di batteria modulare. Ciò significa che le loro auto esibiscono prestazioni come auto a gas, la flessibilità del software di design del pacchetto batteria e i tempi di ricarica più veloci disponibili. 

Guidato dal mantra di Elon Musk della semplificazione e del design modulare, Tesla ha creato una tecnica nuova per la loro tecnologia di batteria. Hanno abbandonato i design voluminosi e costosi "su misura" che mi ricordavano quelli con cui avevo difficoltà sui miei progetti di smartphone. Il loro prodotto di evasione, il Model S una berlina sport di lusso, imposta luxury sports hatchback, prepara il terreno per l’approccio brillante di design. Tesla ha deciso di basare il loro lavoro attorno ad un’unità standard, la cella di taglia ”18650”. Per costruire la batteria del Modello S, hanno cablato centinaia di questi in un pacchetto lastrame piatto. Questa forma fu scelta per far sì che la batteria potesse entrare a sandwich nel piano dell’auto, effettivamente corrispondere al telaio. Tale approccio ha permesso loro di raggiungere la capacità e la prestazione che desideravano, senza l’impegno di dover sviluppare una batteria personalizzata. 

^{La ricarica veloce è solo un “più” aggiuntivo con celle a Ioni di Litio. Il sistema SuperCharger di Tesla, mostrato qui, può fornire 160 km di autonomia con 30 minuti di ricarica. Image credit: Taina Sohlman/shutterstock.com}

Gigafactory: Scalare la Produzione di Batterie Li-Ion a Proporzioni Epiche

La Model S ha provato che l’approccio “molte piccole batterie” era una strategia vincente e economicamente vantaggiosa. Di conseguenza, Tesla continuò a dispiegare la stessa tecnologia nel seguente Model X e la utilizzerà ancora nel Model 3. Con questo approccio, le batterie per serie intere di EV sono basate su una singola cella modulare. Portare la produzione internamente significa solo produrre quell’unico blocco di costruzione in elevato volume. Inoltre, Tesla può perfezionare la cella batteria secondo i propri bisogni, anzichè persuadere il proprio fornitore a fare modifiche. Questa è la brillantezza del loro approccio e del software di design per pacchetto batteria. Limitati ad un singolo blocco di produzione e l’integrazione verticale diventa molto più semplice.  

Tesla ha deciso di andare fino in fondo nella propria strategia modulare interna. La Gigafactory è il loro nuovo impianto di produzione di batteria correntemente sotto costruzione. Tale struttura enorme è progettata per creare 50 gigawatt/ore per anno entro il 2018 ed integrerà verticalmente il processo completo di produzione della batteria. La Gigafactory produrrà in massa un’unità di batteria individuale simile al 18650, prendendo in sé tutti i passaggi di produzione tranne l’estrazione del litio grezzo stesso. La struttura produrrà inoltre anche pacchetti di batteria, assemblando centinaia di celle nelle suddette “lastre”. Inoltre, la Gigafactory sarà una struttura verde. Ciò significa che riprocesserà vecchi pacchetti batteria Li-Ion in una nuova produzione. 

^{Producendo ogni batteria da centinaia su una sola cella, la produzione è radicalmente semplificata.} 

Combinato con i vantaggi dell’integrazione verticale, la batteria modulare Li-ion porta Tesla sempre più vicino al “punto di inflessione” del costo di batteria. Eventualmente, la produzione di batteria Li-ion sarà abbastanza economica per unità per superare i costi di gruppi propulsori di auto alimentate a gas. Prezzi sui EV cadrebbe permanentemente attraverso le economie di scala. È una lunga strada da fare prima che accada, ma l’acquisizione del EV è certamente all’orizzonte. Tesla sta mutando le batterie Li-ion in qualcosa di veramente stimolante. 

Anche se non stai pensando di battere Tesla al suo stesso gioco, il design della batteria e l’implementazione è un inevitabile sfida per progettisti PCB. Il condizionamento relativo all’alimentazione, controllo e circuiteria di carica devono funzionare con specifiche intense e con requisiti di alimentazione. In ogni caso, con uno stato dell’arte dell’ambiente di design 3D questi componenti possono non essere più una minaccia al successo del progetto. Software di design PCB, come Altium Designer^®, fornisce strumenti all’avanguardia, intuitivi per costruire gestione di alimentazione per PCB ad alta prestazione. 

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