Die kontinuierlich wachsende Nachfrage nach elektrischen Energiespeichern für mobile und stationäre Anwendungen geht mit hohen Anforderungen an die Fertigungsprozesse selbiger einher. Die Lithium-Ionen-Batteriezellfertigung zeichnet sich durch eine hohe Komplexität entlang der Prozesskette aus. Weiterhin bestehen starke Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Teilprozessen. Somit wirken sich Schwankungen innerhalb der Teilprozesse unmittelbar auf Folgeprozesse und damit auf die Zelleigenschaften aus. Daher ist es zur Optimierung der Produktion, Verbesserung der Produktqualität sowie Verringerung des Ausschusses unerlässlich, die Prozesskette in ihrer Gesamtheit zu betrachten.
Für die Verknüpfung der Teilprozesse und die Quantifizierung der Wechselwirkungen zwischen den Teilprozessen sind verschiedene Aspekte von Bedeutung. Aufgrund der Komplexität der Prozesskette ist der Einsatz eines virtuellen Produktionssystems sinnvoll. Dieses ermöglicht die realitätsnahe und risikoarme Erprobung von Optimierungsansätzen im virtuellen Raum. Die Ergebnisse können anschließend auf die realen Prozesse übertragen werden. Weiterhin ist eine Verknüpfung der Teilprozesse mittels einheitlicher Schnittstellen nötig. Die erprobten Ansätze können so abschließend auf die verknüpften Teilprozesse übertragen werden und ermöglichen eine Produktion unter Beachtung von Wechselwirkungen.
Fraunhofer Gesellschaft - Institut für Produktionstechnik und Automatisierung
KIT – Institut für Produktionstechnik
Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff-Forschung
Das Ziel ist es, die Prozesskette in ihrer Gesamtheit zu betrachten und zu optimieren. Dazu müssen zunächst die Schnittstellen geschaffen werden, die eine Verknüpfung der Prozesse ermöglichen. Weiterhin ist das Ziel, die Wechselwirkungen zwischen den Teilprozessen zu ermitteln sowie eine prozessübergreifende Steuerung zu ermöglichen. Aus diesen Zielen ergeben sich verschiedene Arbeitsinhalte, die im Rahmen des Projekts in Zusammenarbeit mit drei weiteren Instituten bearbeitet werden.
Zunächst wird ein virtuelles Produktionssystem aufgebaut, das die Prozessschritte Beschichtung, Assemblierung, Elektrolytbefüllung sowie Formierung modellbasiert abbildet. Die Grundlage dafür bilden einheitliche Schnittstellen für die Datenübertragung sowie ein Modellstandard. Weiterhin wird ein Standard für die Kommunikation und Schnittstellen der Anlagen untereinander erarbeitet. Das ermöglicht zudem das Auslesen von Daten, die dann in einer übergreifenden Datenbank gespeichert werden können. Mithilfe des zentralen Datenbankensystems kann ortsungebunden auf Prozessdaten zugegriffen werden. Damit ist auch eine standortübergreifende Verknüpfung von Teilprozessen der Batteriefertigung umsetzbar. Der letzte Arbeitsbereich des Projekts bezieht sich auf ein Betriebsleitsystem, das die prozessübergreifende Produktionssteuerung ermöglicht. Dazu wird eine prozessübergreifende Produktionssteuerung entwickelt, die mithilfe von Methoden des maschinellen Lernens Wirkzusammenhänge sowie optimale Prozessparameter, die die Zwischenprodukteigenschaften und Wechselwirkungen berücksichtigen, auswählt. Die Validierung der prozessübergreifenden Steuerung erfolgt mithilfe der entwickelten Modelle. Das Betriebsleitsystem verknüpft anschließend die prozessübergreifende Steuerung mit der Datenerfassung und Prozessvisualisierung und –überwachung.
Das IWF bringt zur Zielerreichung insbesondere Kenntnisse über den Prozess der Elektrolytbefüllung ein. Weiterhin werden die prozessübergreifende Produktionssteuerung sowie das Betriebsleitsystem mitentwickelt. Damit wird maßgeblich dazu beigetragen, durch die Quantifizierung der Wechselwirkungen und die damit verbundene Anpassung der Prozessparameter über die Steuerung und das Betriebsleitsystem die Qualität der Batteriezellen zu steigern und den Ausschuss der Produktion zu senken.