Cómo Tesla redefinió las celdas de iones de litio por medio del diseño modular e integración vertical

La celda de iones de litio 18650. Al combinar miles de estas dentro de un paquete de batería, Tesla creó una solución de energía destacada.

Aprendí mucho acerca de baterías de iones de litio (Li-ion) cuando trabajaba para una empresa de teléfonos inteligentes. Con cada rediseño de teléfono, creábamos un nuevo paquete de batería desde cero. El teléfono se vuelve más fino, por ende la batería también. Sin duda es un esfuerzo que demanda tiempo, pero es la única forma de obtener el mejor rendimiento de una batería. En un mundo perfecto, existiría una batería de iones de litio estándar que pudiese funcionar con todos los teléfonos. Este tipo de enfoque modular es más eficiente y rentable, y más fácil de producir internamente. Es por eso que Tesla ha tomado un enfoque modular para sus vehículos eléctricos (VE); simplificaron la producción y el reciclaje de baterías con el uso de una única unidad de batería.

Baterías de iones de litio: impulsando el vehículo eléctrico del futuro

Tesla Motors, el destacado fabricante de VE, ha creado una estrategia ganadora para desarrollar soluciones para baterías. Este es un problema clave para todos los fabricantes de VE ya que las baterías son la parte más costosa del vehículo. Las tecnologías de las baterías más antiguas y baratas, tales como de hidruro metálico de níquel, dan lugar a un alcance más corto y tiempos de carga mayores. A diferencia de otros fabricantes de autos, Tesla tomó la decisión audaz de escoger el camino de los iones de litio con anterioridad. Han aprovechado el potencial de los iones de litio por medio del diseño modular de batería. Esto quiere decir que sus autos presentan un rendimiento como el del motor a combustible, flexibilidad de diseño y la velocidad de carga más rápida disponible.

Guiado por los mantras de simplificación y diseño modular  de Elon Musk, Tesla ha creado una técnica novedosa para la tecnología de la batería. Abandonaron los diseños de batería voluminosa "a medida" que eran similares a las que yo luchaba en mis proyectos de teléfonos inteligentes. Su producto inicial, el auto sedán deportivo de lujo Model S, sentó las bases para su maravilloso enfoque de diseño. Tesla decidió basar su trabajo en una sola unidad estándar, la celda tamaño “18650” . Para crear la batería del vehículo Model S, conectaron cientos de ellas en un paquete con forma de bloque plano. Se eligió esta forma para que la batería pudiese entrar en el plano del auto, y convertirse efectivamente en parte del marco. Este enfoque les permitió lograr la capacidad y el rendimiento que deseaban, sin el compromiso de desarrollar una batería a medida.

La carga rápida es solo un beneficio adicional con iones de litio. El sistema de supercargadores de Tesla, que se muestra aquí, proporciona 100 millas de alcance en 30 minutos de carga.

Gigafábrica: aumentar la producción de baterías de iones de litio en proporciones históricas

El vehículo Model S demostró que un enfoque de "muchas baterías pequeñas" era una estrategia convincente y rentable. En consecuencia, Tesla siguió adelante para desplegar la misma tecnología en su siguiente modelo Model X, y la usará nuevamente en el próximo Model 3.  Con este enfoque, las baterías para toda una seria de VEs se basan en una única celda modular. Levar a cabo la producción interna significa producir ese solo componente en grandes volúmenes. Además, Tesla puede refinar la celda de la batería, de acuerdo a sus necesidades, en vez de convencer al proveedor para que realice cambios. Esta es la maravilla de su enfoque de diseño. Limítese a un solo componente y la integración vertical será mucho más sencilla.

Tesla ha decidido hacer un seguimiento de su estrategia modular interna. La Gigafábrica es su nueva planta de producción de baterías actualmente en construcción. Esta enorme instalación proyecta construir 50 gigavatios por año para el 2018 e integrará de manera vertical el proceso completo de producción de baterías. La Gigafábrica producirá en masa una unidad de batería individual similar a la 18650, adoptando todos lo pasos de producción, extrayendo el litio crudo en sí mismo. La instalación también producirá los paquetes de batería, ensamblando cientos de celdas dentro de los "bloques" previamente mencionados. Además, la Gigafábrica será una instalación ecológica. Lo que significa que procesará las celdas de iones de litio viejas dentro de la nueva producción.

Al producir cada batería a partir de cientos en una celda, la fabricación se simplifica drásticamente.

Combinada con las ventajas de la integración vertical, la batería modular de iones de litio, ubica a Tesla cada vez más cerca del "punto de inflexión" del costo de la batería. Finalmente, la producción de baterías de iones de litio será lo suficientemente económica por unidad como para superar el costo del sistema de transmisión de los autos que funcionan con combustible. Los precios de los VEs disminuirán permanentemente, mediante economías de escala.  Falta un largo camino para que esto suceda, pero la toma de control del VE está a la vista. Tesla está transformando las batería de iones de litio en algo verdaderamente estimulante.

Incluso si usted no se presenta para vencer a Tesla es su propio juego, el diseño y la implementación de la batería es un desafío inevitable para los diseñadores de PCB. El circuito acondicionador de energía, de control y de carga relacionados tienen que funcionar con fuertes especificaciones y requisitos. Sin embargo, con un entorno de diseño 3D moderno, estos componentes pueden dejar de ser una amenaza para el éxito del proyecto. El software de diseño de PCB, como Altium Designer, brinda herramientas intuitivas de vanguardia para crear PCBs con una gestión de energía de alto rendimiento. Además, con complementos como Altium Vault, puede hacer un seguimiento de sus componentes y ahorrarse el tiempo que necesita para diseñar cada tarjeta desde cero. Transforme hoy mismo su flujo de trabajo con una solución Altium.