So geht die Bildverarbeitung Herausforderungen bei der Prüfung von Taschen-, prismatischen und zylindrischen Batterien an

Da Batterien bis zu 40 % des Preises eines Elektrofahrzeugs ausmachen können, sind sie ein logischer Ausgangspunkt für die Senkung der Produktionskosten, und die Automatisierung mit maschineller Bildverarbeitung ist dabei wesentlich. Hersteller und OEMs verwenden die Technologie, um Batterien auf Defekte zu prüfen, Zellen in Module zu führen, Baugruppen zu verifizieren, Merkmale zu messen und Teile zu identifizieren. Aber die Art der zu montierenden Batterie kann unterschiedliche Herausforderungen für die Automatisierung schaffen.

Bildverarbeitung ist für die Automatisierung zahlreicher EV-Batterie-Herstellungsvorgänge unerlässlich. Von links nach rechts: Bildverarbeitungssysteme messen die Breite der Elektroden-Beschichtung, erkennen Fehler an einer zylindrischen Batterie, führen Zellen in ein Modulgehäuse ein und identifizieren Codes auf prismatischen Batterien.

Taschen-, prismatische und zylindrische EV-Batteriezellen erfüllen die gleiche Funktion: Hersteller bauen sie zu EV-Batteriemodulen und -packs zusammen. Aber das Verständnis der einzigartigen Eigenschaften und Herstellungshindernisse – und wie diese Hindernisse mit maschineller Bildverarbeitung überwunden werden können – ist entscheidend, um die EV-Kosten zu senken.

Alle Lithium-Ionen-EV-Batterien beginnen mit Elektrodenherstellung, bei der Batteriehersteller eine Mischung aus Kohlenstoff, Graphit und anderen Elementen auf Metallbleche gießen, um Anoden und Kathoden zu bilden. Dort enden viele der herstellungsspezifischen Ähnlichkeiten und es treten deutliche Vorteile und Herstellungsherausforderungen auf.
 

Taschenzellen

Fertigungsprozess: Abschneidermaterial und elektrodenbeschichtete Anoden und Kathoden werden in Bleche geschnitten und in eine Tasche aus mehrlagiger Aluminium-Verbundfolie gelegt. Als Nächstes verschließt der Batteriehersteller die Ränder der Folie, schweißt die Laschen zusammen und füllt die Tasche mit flüssigem Elektrolyten. Schließlich durchläuft die Zelle verschiedene Alterungs- und Entgasungsprozesse in einem Prozess, der als Zellbildung bezeichnet wird.  

Nutzen: Einige Hersteller befürworten Taschenbatterien wegen ihrer Haltbarkeit und ihrer kompakten und einheitlichen Größe im Vergleich zu anderen Geometrien. Taschenbatterien werden in der Regel durch Stacking von Zellplatten oder „Z-Falten“ hergestellt, wobei ein Roboter eine einzelne Anoden- oder Kathodenfolie aufnimmt, sie auf das Separator-Material legt und dann die nächste Kathode oder Anode darauf platziert. Befürworter von Taschenzellen sagen, dass die Stapelmethode eine gleichmäßigere Wärmeverteilung ermöglicht als das Wickeln, das bei zylindrischen und einigen prismatischen Geometrien verwendet wird. Da Taschenzellen kein starres Gehäuse haben, sind sie wirtschaftlicher in der Herstellung und haben eine gute Energiedichte.

Nachteile: Je nach Design und Anforderungen des Batteriesystems können einige der Vorteile der Taschenbatteriegeometrien auch nachteilig sein. Während das Fehlen eines Gehäuses die Herstellungskosten und das Gewicht reduzieren und die Energiedichte verbessern kann, können sich Taschenzellen nach einer bestimmten Anzahl von Ladezyklen bis zu 10 % im Volumen ausdehnen. Einige Taschenmoduldesigns erfordern Aluminium-Wärmeleitplatten zwischen jeder Taschenzelle, um die Wärme von den Taschen wegzuleiten. Je nach Moduldesign und Anzahl der Zellen können diese thermischen Managementsysteme einige der Vorteile von Taschenzellen ausgleichen. 

Einzigartige Herausforderungen: EV-Taschenbatterien sind metallisch und flexibel, was zu viel Spiegelblendung und Falten führt, die die Fehlererkennung erschweren. Wenn ein Fehler durch den Prüfungsprozess schlüpft, kann dies die Leistung und Integrität der Batterie beeinträchtigen. Wenn jedoch akzeptable kosmetische Unreinheiten mit kritischen Fehlern an der Oberfläche einer Tasche verwechselt werden, kann dies zu höheren Ausschussraten und Kosten führen. Der Unterschied zwischen einem Fehler wie einem Kratzer und einer akzeptablen Unreinheit kann einige Mikrometer betragen.

Lösungen: Die Erkennung von Defekten an Taschenzellen ist für regelbasierte Bildverarbeitungslösungen zu kompliziert; Regeln müssen hunderte von Variablen und Iterationen von Defekten und akzeptablen Anomalien berücksichtigen. Darüber hinaus benötigen Benutzer oft kurzfristig unterschiedliche Spezifikationen und Designs; der Wechsel von Anbietern, Fertigungstechniken oder Materialien kann neue Probleme und Defekte verursachen.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, hat Cognex die KI-basierte Bildverarbeitungssoftware VisionPro Deep Learning entwickelt, die lernt, was „gute“ und „schlechte“ Batterien sind, indem sie Tausende von beschrifteten Bildern analysiert.  In Kombination mit Bildverarbeitungssystemen automatisiert VisionPro Deep Learning die Prüfung von Batterien, reduziert Kosten und Prüfungszeiten und bewahrt gleichzeitig die Batteriequalität. Die Technologie der computergestützten Bildgebung kann noch bessere Prüfungsergebnisse liefern, indem sie die Oberfläche einer Taschenbatterie aus verschiedenen Winkeln beleuchtet, um subtile Defekte und Merkmale aufzudecken.

Fertigungsprozess: Prismatische Zellen werden hergestellt, indem elektrodenbeschichtete Anoden, Kathoden und Separatormaterialien zu einer einzigen Schicht gewickelt oder übereinander gestapelt werden. Einmal angeordnet, werden Zellplatten in ein rechteckiges Metallgehäuse eingesetzt. Im Allgemeinen geben gestapelte Zellplatten mehr Energie frei und arbeiten besser, während gerollte oder aufgewickelte Zellplatten mehr Energie enthalten und eine längere Lebensdauer ermöglichen. 

Nutzen: Da prismatische Batteriezellen rechteckig sind, weisen sie eine bessere Energiedichte in Modulen und Packs auf: Es gibt keinen verschwendeten Raum zwischen den Zellen. Einige Batteriehersteller verwenden Lithium-Eisen-Phosphat-Chemie in ihren prismatischen Zellen, die weit verbreitetere und kostengünstigere Materialien als Lithium-Ionen-Batterien beinhaltet. Und da prismatische Zellen größer als andere Geometrien sind, benötigen sie weniger elektrische Verbindungen und Kabelbäume, was die Möglichkeiten für Fertigungsfehler reduzieren kann.

Nachteile: Es gibt eine begrenzte Anzahl von Standardgrößen für prismatische Batteriezellen. Unterschiedliche Batteriesysteme können einzigartige Zellvorgaben und -abmessungen erfordern, was die Großserienproduktion komplizieren und die Kosten erhöhen kann. Und während die einheitliche Form und die große Größe prismatischer Batterien ihre Energiedichte auf Modul- und Pack-Ebene erhöhen, kann dieses Design zu Wärmeansammlung führen – es gibt keinen Ort, an dem die Wärme entweichen kann, da die Zellen in engem Kontakt stehen.

Einzigartige Herausforderungen: Die Herstellung einer prismatischen EV-Batteriezelle umfasst viele Schweißarbeiten. Die Hersteller schweißen das metallische Gehäuse um die Zellplatten und eine obere Platte oder einen Deckel auf das Gehäuse. Da prismatische Batterien dicht aufeinander gestapelt sind, muss der Deckel Raum zum Ausdehnen und Zusammenziehen haben, wenn die Zellen sich erwärmen und abkühlen. Die Prüfung der Schweißnähte an den oberen und seitlichen Paneelen, bevor die Zelle in ein Modul eingebaut wird, ist unerlässlich.

Lösungen: Mängel in den Schweißnähten prismatischer Batterien, wie Schweißnähte mit Unter- und Überkraft, können fast identisch mit akzeptablen Anomalien aussehen und kommen in allen Formen und Größen vor. Die Berücksichtigung aller Iterationen einer defekten Schweißung und die Trennung von ähnlichen akzeptablen Anomalien ist für regelbasierte Bildverarbeitung zu komplex.  

Cognex VisionPro Deep Learning in Verbindung mit 2D- und 3D-Bildverarbeitungssystemen sind darauf ausgelegt, solche subtilen Defekte zu erkennen. Die Defekterkennungs- und Klassifikationswerkzeuge von VisionPro Deep Learning sind auf eine breite Palette von „guten“ und „defekten“ Schweißvariationen trainiert, was es der Lösung ermöglicht, funktionale Mängel von akzeptablen kosmetischen Unreinheiten zu identifizieren und zu klassifizieren.  
 

Zylindrische Zellen

Fertigungsprozess: Im Gegensatz zu Taschen- oder prismatischen Batterien werden zylindrische EV-Batteriezellen nur durch das Zusammenrollen von Blechen mit elektrodenbeschichteten Anoden, Kathoden und Separatormaterial zu einer einzigen Schicht gebildet. Anschließend führen die Hersteller den entstandenen Zylinder oder die „Jelly Roll“ in das Gehäuse ein, füllen ihn mit flüssigem Elektrolyt und verschließen die Zelle.  

Nutzen: Zylindrische EV-Batteriezellen werden von zahlreichen EV-Herstellern, darunter Tesla, Rivian und Lucid, bevorzugt, und das aus gutem Grund. Unternehmen stellen seit Jahrzehnten zylindrische Batterien her, und im Laufe der Jahre sind standardisierte Größen entstanden, die sie kostengünstiger in der Herstellung machen als prismatische und Taschenbatteriegeometrien. Abhängig von der Größe der Batterie und dem Herstellungsprozess können Wickel- oder Rollenelektroden mit 200 Teilen pro Minute (PPM) schneller sein, verglichen mit Stapeln oder „Z-Falten“ bei 10 PPM, laut einigen Schätzungen. Zylinder sind auch von Natur aus mechanisch robuster als andere Formen und können Gasansammlungen mit dünneren Batteriewänden aufnehmen, was sie zu einer sichereren Option macht.

Nachteile: Wenn zylindrische Batteriezellen in ein Modul eingelegt werden, gibt es einen Spalt zwischen jeder Zelle. Der Raum zwischen jeder Zelle reduziert die thermische Ansammlung, führt jedoch zu viel ungenutztem Raum im Modul und verringert die Energiedichte. Außerdem schneiden zylindrische Batterien laut einigen Herstellern in kälteren Umgebungen nicht so gut ab wie andere Geometrien.

Einzigartige Herausforderungen: Das Design einer zylindrischen Batteriezelle behindert die Rückverfolgbarkeit. Werke für Batterien für Elektrofahrzeuge bringen Daten wie Herstellungsprozesse, Materialherkunft und Chargennummern in Form eines Codes direkt auf der Batterie an, der als Direct Part Mark (DPM) bezeichnet wird. Diese Informationen sind wichtig, um Rückrufe effektiver zu verwalten, zahlreichen Vorschriften und Nachhaltigkeitszielen zu entsprechen und Probleme im Produktionsprozess zu isolieren.

Das Lesen von DPMs auf zylindrischen Batterien ist jedoch eine besondere Herausforderung – Codes können sich überall an den Seiten der Batterie befinden. Und da die Batterien rund und metallisch sind, werden Codes oft verzerrt, verformt und für Maschinen schwer lesbar.

Lösungen: Cognex bildbasierte Barcode-Leser verwenden fortschrittliche Bilderstellungs- und Dekodiertechnologie, um diese Herausforderungen zu meistern. High Dynamic Range Plus (HDR+) erhöht den lokalen Kontrast, um ein gleichmäßigeres Bild zu erzeugen, und ermöglicht es den Barcode-Lesegeräten von Cognex, ein größeres Sichtfeld abzudecken, um Codes auf verschiedenen Seiten der zylindrischen Batterie zu lesen. 2DMax mit PowerGrid ist ein Algorithmus, der texturale und geometrische Daten kombiniert, um DPMs mit geringer Qualität zu lesen, auch wenn sie verformt oder verzerrt sind.
 

Neue Formen und Größen: Blatt- und Solid-State-Batterien

Es gibt keine objektiv „beste“ EV-Batteriezelle. Jede Geometrie hat ihre Vorteile, Nachteile und einzigartigen Herstellungsherausforderungen. Unternehmen experimentieren mit neuen Batterieherstellungsverfahren, -designs und -chemikalien, was neue Produktionsprobleme mit sich bringt.

BYD, ein führender Hersteller von Elektrofahrzeugen und Batterien, führte seine „Blade“-Batterie im Jahr 2020 ein. Das Design macht Module überflüssig, da das Batteriesystem aus langen, dünnen, rechteckigen Batteriezellen besteht, die direkt in ein Pack eingebaut werden. Der chinesische Automobilhersteller behauptet, dass die Blade-Batterie 50 % mehr Platz spart als andere Lithium-Eisenphosphat-Batterien. Tesla begann 2023 damit, Blade-Batterien in einigen Modellen zu verwenden, und Anfang 2024 unterzeichnete BorgWarner Inc., ein Tier-1-Automobilzulieferer für Ford, GM und Stellantis, einen Vertrag über die Verwendung der Blade-Batterie von BYD.

(Bildquelle: BYD)

Die 2020 eingeführte Blade-Batterie von BYD soll im Vergleich zu anderen EV-Batteriegeometrien eine bessere Energiedichte und Sicherheitsmerkmale aufweisen. Mehrere Automobilhersteller und Erstausrüster (OEMs) interessieren sich für die Technologie. 

Mehr als ein Dutzend Automobil- und Batteriehersteller erforschen ebenfalls die Solid-State-Batterie-Technologie. Im Gegensatz zu herkömmlichen Batterien, die flüssige Elektrolyte als Membran zur Ionenleitung verwenden, nutzen Solid-State-Batterien feste Elektrolyte. Zu den Vorteilen von Solid-State-Batterien gehören eine bessere Energiespeicherung, schnelleres Laden und sicherere Elektrofahrzeuge. Die Technologie befindet sich jedoch noch in der Entwicklung, und Kritiker führen hohe Produktionskosten, fehlende Validierung und andere Hürden an, die Solid-State-Batterien überwinden müssen, bevor sie für die Massenproduktion geeignet sind.

Bildverarbeitung wird immer ein hilfreiches Tool für die Herstellung von Elektrofahrzeugbatterien sein, unabhängig von der Form der Zelle. Mit der Weiterentwicklung der Batterietechnologien und Fertigungstechniken wird die Fähigkeit, Defekte von akzeptablen Anomalien zu trennen und Komponenten nachzuverfolgen und zu orten, für Hersteller immer kritischer.