Modellierung maschinenseitiger Einflüsse auf den Vereinzelungs- und Stapelbildungsprozess von Batteriezellen

Die Transformation hin zur Elektromobilität stellt die Produktionstechnik vor große Herausforderungen. Batteriezellen müssen in kurzer Zeit in großen Stückzahlen hergestellt werden. Unklare Trends bei Materialien und Batteriezell-Designs erschweren die Entwicklung von Produktionsanlagen und deren Betrieb. Unzureichende Kenntnisse über die Wechselwirkungen zwischen Materialien, Prozessen und Maschinen führen zu hohen Ausschussraten. In diesem Zusammenhang weisen die Prozessschritte der Vereinzelung und Stapelbildung ein hohes Optimierungspotential auf.

Sowohl in der Forschung als auch in der Industrie werden intensive Anstrengungen unternommen, die Batterieproduktionsprozesse mithilfe von Modellen zu beschreiben. ... mehrZiel ist es, Wechselwirkungen zu quantifizieren und Optimierungsansätze abzuleiten. Dadurch sollen Prozesse effizienter betrieben und Ausschussraten gesenkt werden. Ein Großteil dieser Arbeiten befasst sich mit der Modellierung materialseitiger Einflüsse auf die relevanten Prozesse. Um jedoch umfassende Aussagen zu Ursache-Wirkungs-Beziehungen treffen zu können, ist auch die Modellierung maschinenseitiger Einflüsse erforderlich.

Diese Arbeit leistet einen Beitrag zur Ergänzung bestehender Modellierungsaktivitäten um die maschinenseitigen Einflüsse auf die Prozesse der Vereinzelung und Stapelbildung. Zu diesem Zweck wird ein methodisches Vorgehen zur Modellentwicklung, -validierung und -anwendung vorgestellt.

Zunächst werden die Prozesse analysiert und die maschinenseitigen Einflüsse auf die entsprechenden Produktfehler aufgezeigt. Darauf folgt eine detaillierte Analyse der Maschinentechnik sowie die Bewertung der jeweiligen Komponenten innerhalb der Anlagen. Auf dieser Grundlage wird festgelegt, welche Komponenten mit hoher Detailtiefe modelliert werden müssen und welche vernachlässigt werden können. Die konkrete Modellierung und Verknüpfung von Teilmodellen erfolgt im Rahmen einer Systemsimulation. Anschließend werden die Teilmodelle parametrisiert. Die Modellgüte wird durch experimentelle Untersuchungen an den Maschinen validiert.

Abschließend werden entsprechende Anwendungsszenarien vorgestellt. Dabei wird das Potenzial der Modellnutzung in den Phasen der Maschinenentwicklung, Inbetriebnahme und des Betriebs aufgezeigt. Bei der Entwicklung neuer Vereinzelungs- und Stapelbildungsmaschinen können Schwachstellen frühzeitig identifiziert und die Einflüsse verschiedener Komponenten auf die Prozessqualität analysiert werden. Im Rahmen der Inbetriebnahme werden die Auswirkungen von Einstellparametern dargestellt. So können optimal angepasste Einstellungen für das jeweils zu verarbeitende Material virtuell ermittelt werden. Im Betrieb werden die Modelle durch Kopplung mit der realen Maschinensteuerung genutzt, wodurch sich neue Möglichkeiten für den Einsatz virtueller Sensoren ergeben.

Diese Arbeit dient als Leitfaden für ähnliche Aktivitäten und soll Maschinenbauern sowie Zellherstellern dabei helfen, eigene Modelle zu entwickeln.

The transformation to electromobility represents a major challenge for production tech
nology. Battery cells have to be produced in large quantities within a short period of
time. Unclear trends in materials and battery cell designs complicate the development
of production equipment and its operation. Insufficient knowledge of the interactions
between materials, processes and machines leads to high scrap rates. In this context,
the process steps of separation and stack assembly are considered to have high opti
misation potential.
Intensive efforts are being made by research and industry to describe the battery pro
... mehr
duction processes using models. The aim is to quantify interdependencies and derive
optimisation approaches. This will enable processes to be operated more efficiently and
scrap rates to be reduced. Much of this work involves modelling the material-side in
fluences on the relevant processes. In order to be able to make a comprehensive state
ment on the cause-effect relationships, the modelling of the machine-side influences is
also necessary.
This work makes a contribution to supplementing the modelling activities with the ma
chine-side influences on the separation and stack assembly process. For this purpose,
a methodical approach to model development, validation and application is presented.
Firstly, the processes are analysed and the machine-side influences on the correspon
ding error types are highlighted. This is followed by an in-depth analysis of the machine
technology and the evaluation of the corresponding components within the machines.
This finally determines which components need to be modelled with a high level of detail
and which can be neglected. The concrete modelling and linking of sub-models is car
ried out as part of a system simulation. This is followed by the parameterisation of the
submodels. The model quality is validated by means of experimental tests on the ma
chines. Finally, corresponding application scenarios are presented. The potential to uti
lise the models in the phases of machine development, commissioning and operation
is presented. When developing new separation and stacking machines, it will be pos
sible to identify weak points at an early stage and analyse the influence of various com
ponents on process quality. The effects of setting parameters are shown in the context
of commissioning. In this way, optimally adapted settings can be determined virtually
for the material to be processed. The models are used in operation by coupling them
with the real machine control system, which opens up new possibilities for using virtual
sensors.
This work serves as a guideline for similar activities and is intended to support machine
builders and cell manufacturers in developing their own models.