Wie Tesla die Lithium-Ionen-Zellen durch modulares Design und vertikale Integration neu erfand

June 26, 2017 Altium Designer
lithium ion cells and vertical manufacturing
 

Ich habe während meiner Zeit bei einer Smartphone-Firma sehr viel über Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ion) gelernt. Mit jedem neuen Telefondesign mussten wir einen komplett neuen Akkusatz entwerfen. Das Telefon wird flacher, also muss auch die Batterie nachziehen. Natürlich ist das zeitraubende Arbeit, aber anders lässt sich keine optimale Batterieleistung erreichen. In einer perfekten Welt hätte schon jemand einen standardisierten Li-Ion-Akku erfunden, der in all unseren Telefonen funktioniert. Dieser modulare Ansatz ist effizienter und kosteneffektiver, und auch die interne Fertigung gestaltet sich einfacher. Deshalb hat sich Tesla bei seinen Elektrofahrzeugen für eine modulare Herangehensweise entschieden: Produktion und Recycling der Batterien werden durch die Verwendung einer einheitlichen Batterie-Einheit erleichtert.

 

Industrielle Li-Ion-Hochstrombatterien der Größe 18650
Die Lithium-Ionen-Zelle 18650. Durch die Kombination tausender dieser Zellen in einem Akkusatz hat Tesla eine herausragende Stromversorgungs-Lösung geschaffen.
 

Li-Ion-Akkus: Antriebsenergie für die Elektrofahrzeuge der Zukunft

 

Tesla Motors, der führende Hersteller von Elektrofahrzeugen, hat eine erfolgversprechende Strategie zur Entwicklung von Batterielösungen entwickelt. Dies ist eines der Hauptprobleme für Anbieter von Elektrofahrzeugen, denn Batterien sind der größte Kostenfaktor elektrischer Fahrzeuge. Ältere und billigere Batterietechnologien wie Nickel-Metall-Hydrid haben eine wesentlich kürzere Reichweite und längere Ladezeiten. Im Gegensatz zu anderen Fahrzeugherstellern entschied sich Tesla frühzeitig für die Li-Ion-Alternative. Das modulare Batterie-Design schöpft das Potential der Li-Ion-Technologie weiter aus. Das bedeutet, dass die Autos des Unternehmens eine ähnliche Leistung wie benzinbetriebene Fahrzeuge erreichen, kombiniert mit flexiblem Design und den kürzesten Ladezeiten.

 

Ganz im Sinne von Elon Musks Motto „Vereinfachung und modulares Design“ hat Tesla eine neuartige Technik für seine Akkus entwickelt. Klobige und teure „maßgeschneiderte“ Akkudesigns, die stark denen ähnelten, mit denen ich mich während meiner Smartphone-Projekte herumschlagen musste, wurden aufgegeben. In der Schrägheck-Sportlimousine Model S bereite Tesla seinem brillanten Design-Ansatz die Bühne: Man entschied sich, die Arbeit auf eine einzige, kommerziell leicht verfügbare Einheit zu konzentrieren: die „18650“-Zelle. Für die Batterie des Model S verband Tesla Hunderte dieser Zellen zu einem einzigen flachen Paket in Tafelform, das problemlos in den Grundriss des Autos passte und quasi Teil des Fahrgestells wurde. Dieser Ansatz sicherte die gewünschte Kapazität und Leistung, ohne dass eine eigene Batterie entwickelt werden musste.

 

Tesla-Auto beim Aufladen
Das schnelle Aufladen ist nur ein weiterer Vorteil von Lithium-Ionen-Akkus. Das hier gezeigte SuperCharger-System von Tesla garantiert 160 Kilometer Reichweite bei 30 Minuten Ladezeit. Bildnachweis: Taina Sohlman/shutterstock.com
 

Gigafactory: Li-Ionen-Akkuproduktion - skaliert auf epische Maße

 

Das Model S bewies, dass die Idee der „vielen kleinen Batterien“ eine kosteneffiziente und überzeugende Strategie war. Dementsprechend setzte Tesla dieselbe Technologie auch im Folgemodell Model X ein. Im anstehenden Model 3 wird es ebenfalls zur Anwendung kommen.  Bei diesem Ansatz basieren die Akkus für eine ganze Reihe von Elektrofahrzeugen auf einer einzigen, modularen Zelle. Die Produktion ins eigene Haus zu holen, bedeutet nichts anderes als diesen einen Baustein in großem Umfang herstellen zu können. Außerdem kann Tesla die Batteriezellen nach seinen eigenen Bedürfnissen anpassen, anstatt den Zulieferer zur Durchführung von Änderungen bewegen zu müssen. Das ist das Geniale an diesem Designansatz: Beschränke dich auf einen einzigen Baustein, und schon wird die vertikale Integration viel einfacher.

 

Tesla entschied sich, seine Strategie der firmeneigenen, modularen Produktion konsequent umzusetzen. Die Gigafactory als Teslas neue Akku-Produktionsstätte befindet sich derzeit im Bau. Die gigantische Fabrik soll spätestens 2018 jährlich Akkus mit einer Kapazität von bis zu 50 Gigawattstunden zur Verfügung stellen und wird den gesamten Akku-Produktionsprozess vertikal integrieren. Die Gigafactory wird zur Massenfertigung einer Akkueinheit nach dem Muster der 18650-Zelle dienen und bis auf den Abbau des rohen Lithiums alle Produktionsschritte abdecken. Auch die Akkusätze in der oben erwähnten Tafelform sollen vor Ort aus Hunderten von Zellen hergestellt werden. Die Gigafactory wird außerdem ein umweltfreundlicher Betrieb, in dem alte Li-Ionen-Zellen in neuen Produkten Verwendung finden.

 

AA-Akku auf Fließband
Da jeder Akku aus Hunderten Exemplaren dieser einen Zelle hergestellt wird, vereinfacht sich die Produktion entscheidend.
 

In Kombination mit den Vorteilen der vertikalen Integration bringt der modulare Li-Ionen-Akku Tesla näher an den „Wendepunkt“ bei den Batteriekosten. Nach einer gewissen Zeit wird die Produktion von Li-Ionen-Akkus pro Einheit günstiger sein als die Herstellung benzinbetriebener Autos. Die Preise für Elektrofahrzeuge würden dann dank der Wirtschaftlichkeit der Massenproduktion immer weiter sinken.  Es ist noch ein weiter Weg bis dahin, aber der endgültige Durchbruch der Elektrofahrzeuge ist definitiv in Sicht. Tesla verwandelt Li-Ionen-Akkus in etwas wirklich Mächtiges.

 

Selbst wenn Sie Tesla nicht nacheifern oder überflügeln wollen, ist das Design und die Implementierung von Akkus eine unumgängliche Herausforderung für PCB-Designer. Die entsprechenden Schaltungen für Stromaufbereitung, Steuerung und Ladung müssen sehr strengen Vorgaben und Leistungsanforderungen gerecht werden. Mit einer hochmodernen 3D-Designumgebung verlieren diese Bauteile allerdings ihren Schrecken. PCB-Design-Software wie Altium Designer bietet aktuelle, intuitive Tools für die Erstellung leistungsstarker PCBs für das Power-Management. Add-Ons wie Altium Vault helfen dabei, den Überblick über die Bauteile zu behalten und Zeit zu sparen, indem nicht jedes Platinendesign bei Null begonnen wird. Revolutionieren Sie Ihren Arbeitsablauf noch heute mit einer Lösung von Altium.

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