La contribution de la vision industrielle à la résolution des problématiques d’inspection des cellules de batteries poche, prismatique et cylindrique

Les batteries pouvant représenter jusqu’à 40 % du prix d’un véhicule électrique, elles constituent un point de départ logique pour toute démarche de réduction des coûts. Dans ce contexte, l’automatisation fondée sur la vision industrielle est essentielle pour faire baisser les coûts de production des batteries. Les fabricants et les équipementiers (OEM) utilisent cette technologie pour inspecter les batteries à la recherche d’éventuels défauts, guider les cellules dans les modules, vérifier les assemblages, mesurer certaines caractéristiques et identifier les pièces. Cependant, selon le type de batterie assemblée, les stratégies d’automatisation peuvent varier et s’accompagner de contraintes différentes.

La vision industrielle joue un rôle clé dans l’automatisation de nombreuses opérations liées à la fabrication des batteries de véhicules électriques. De gauche à droite : les systèmes de vision industrielle mesurent la largeur du revêtement des électrodes, détectent les défauts sur une cellule cylindrique, guident les cellules dans un boîtier de module et identifient les codes sur des cellules prismatiques.

Les cellules de batteries pour véhicules électriques, qu’elles soient de type poche (pouch), prismatique ou cylindrique, remplissent la même fonction : elles sont assemblées par les fabricants en modules et en blocs-batteries. Toutefois, la compréhension des propriétés spécifiques et des contraintes de fabrication propres à chaque type de cellule, ainsi que des solutions apportées par la vision industrielle, est essentiel pour réduire les coûts de production des véhicules électriques.

La fabrication des électrodes constitue la première étape de production de toutes les batteries lithium-ion pour véhicules électriques. Elle consiste à appliquer un mélange de carbone, de graphite et d’autres éléments sur des supports métalliques pour former les anodes et les cathodes. C’est à ce moment du processus que les similitudes s’estompent, révélant les avantages propres à chaque format de cellule ainsi que les défis industriels qui leur sont associés.
 

Cellules poche

Processus de production : Le matériau séparateur, ainsi que les anodes et cathodes recouvertes de leur revêtement d’électrode, sont découpés en feuilles puis placés dans une poche constituée d’un film composite multicouche à base d’aluminium. Le fabricant procède ensuite au scellement des bords du film, à la soudure des languettes, puis au remplissage de la poche avec un électrolyte liquide. Enfin, la cellule est soumise à différentes étapes de vieillissement et de dégazage dans le cadre d’un processus appelé formation de la cellule.  

Avantages : reconnues pour leur robustesse et leur format compact et standardisé, les batteries à poche sont plébiscitées par certains fabricants comme une alternative avantageuse aux autres formats. La fabrication des cellules-poche repose généralement sur l’empilement de feuilles ou sur un procédé de type «∘Z-folding∘» (pliage en Z), dans lequel un robot prélève une feuille d’anode ou de cathode, la positionne sur un matériau séparateur, puis dépose par-dessus la feuille suivante, de polarité opposée. Selon les défenseurs des cellules-poche, la technique d’empilement favorise une meilleure répartition thermique que l’enroulement, utilisé dans les cellules cylindriques et certaines cellules prismatiques. Les cellules-poche, dépourvues de boîtier rigide, présentent des coûts de fabrication réduits tout en offrant une densité énergétique élevée.

Inconvénients : Selon la conception et les exigences du système de batterie, certains avantages liés à la géométrie des cellules-poche peuvent aussi se révéler être des inconvénients. Bien que l’absence de boîtier contribue à réduire les coûts de fabrication et le poids et à augmenter la densité énergétique, les cellules de type poche peuvent se dilater jusqu’à 10 % de leur volume après un certain nombre de cycles de charge. Certains modules intégrant des cellules de type poche nécessitent l’utilisation de plaques en aluminium placées entre chaque cellule, afin d’assurer le transfert thermique et l’évacuation de la chaleur. En fonction de l’architecture du module et du nombre de cellules qu’il contient, les dispositifs de gestion thermique peuvent limiter certains des bénéfices associés aux cellules de type poche. 

Défis uniques : De par leur structure métallique et souple, les batteries de type poche utilisées dans les véhicules électriques produisent des reflets spéculaires et des plis susceptibles de compliquer la détection des défauts visuels. Tout défaut non détecté au cours de l’inspection est susceptible de compromettre les performances et l’intégrité de la batterie. Confondre des imperfections cosmétiques acceptables avec des défauts critiques sur la surface d’une cellule de type poche peut, à l’inverse, conduire à une augmentation significative du taux de rebut et des coûts de production. Parfois, seuls quelques microns séparent une simple imperfection acceptable d’un défaut critique comme une rayure.

Solutions : La détection de défauts sur les cellules-poche est trop complexe pour les solutions de vision industrielle basées sur des règles, car il faudrait définir des règles prenant en compte des centaines de variables et de variations de défauts et d’anomalies acceptables. Par ailleurs, les exigences en matière de spécifications et de conception évoluent fréquemment à court terme. Les changements de fournisseurs, de techniques de fabrication ou de matériaux peuvent ainsi engendrer de nouveaux défauts et problématiques.

Pour relever ces défis, Cognex a créé un logiciel de vision industrielle reposant sur l’intelligence artificielle, VisionPro Deep Learning, qui apprend à reconnaître les batteries conformes ou défectueuses en analysant des milliers d’images soigneusement annotées.  Associé à des systèmes de vision industrielle, VisionPro Deep Learning automatise les inspections des batteries, réduisant ainsi les coûts et les temps d'inspection tout en préservant la qualité des batteries. Les technologies d’imagerie computationnelle peuvent améliorer encore les performances d’inspection en éclairant la surface d’une cellule de type poche selon plusieurs angles d’incidence, afin de faire apparaître des défauts discrets et des caractéristiques difficiles à détecter.

Processus de production : Les cellules prismatiques sont fabriquées en enroulant les anodes à revêtement d’électrode, les cathodes et le matériau séparateur en une seule couche ou en les empilant ensemble. Une fois disposées, les feuilles de cellules sont insérées dans un boîtier métallique rectangulaire. En général, les feuilles de cellules empilées libèrent plus d’énergie et fonctionnent mieux, tandis que les feuilles de cellules roulées ou bobinées contiennent plus d’énergie et se traduisent par une durée de vie plus longue. 

Avantages : En raison de leur forme rectangulaire, les cellules prismatiques présentent une densité énergétique optimisée au sein des modules et des packs, l’absence d’espace intercellulaire permettant une utilisation maximale du volume disponible. Certains fabricants de batteries intègrent une chimie au phosphate de fer lithié (LFP) dans leurs cellules prismatiques, cette technologie s’appuyant sur des matériaux plus accessibles et moins coûteux que ceux utilisés dans les batteries lithium-ion classiques. En raison de leur taille supérieure à celle des autres géométries, les cellules prismatiques requièrent un nombre réduit de connexions électriques et de faisceaux de câblage, limitant ainsi les risques de défauts de fabrication.

Inconvénients : les cellules prismatiques sont disponibles dans un nombre limité de formats standard. Selon les systèmes de batteries, des spécifications et des dimensions de cellules particulières peuvent être nécessaires, ce qui complique la production à grande échelle et peut entraîner une hausse des coûts. Bien que leur forme régulière et leur grande taille permettent aux cellules prismatiques d’offrir une densité énergétique élevée au niveau des modules et des packs, cette conception favorise aussi l’accumulation de chaleur : les cellules étant en contact étroit, la chaleur ne peut pas s’évacuer facilement.

Défis uniques : La fabrication d’une cellule de batterie prismatique pour véhicule électrique implique de nombreuses opérations de soudage. Les fabricants soudent le boîtier métallique autour des feuilles de cellules et soudent un panneau supérieur ou un couvercle sur le dessus du boîtier. Étant donné la compacité de l’empilement des cellules prismatiques, le couvercle doit permettre une dilatation et une contraction thermiques lors des phases de chauffe et de refroidissement. Il est donc essentiel d’inspecter les cordons de soudure sur les panneaux supérieur et latéraux avant l’intégration de la cellule dans un module.

Solutions : Les défauts présents dans les cordons de soudure de batterie prismatiques, tels que les soudures sous-alimentées et suralimentées, sont parfois difficilement distinguables d’anomalies tolérées, et peuvent se présenter sous des formes et dimensions très diverses. La diversité des formes que peut prendre un défaut de soudure, et la nécessité de les différencier d’anomalies tolérées mais visuellement proches, dépassent les capacités des systèmes de vision industrielle fondés sur des règles.  

Grâce à VisionPro Deep Learning de Cognex et aux systèmes de vision industrielle 2D et 3D, il devient possible d’identifier avec fiabilité des défauts aussi subtils. Les fonctionnalités de détection et de classification des défauts de VisionPro Deep Learning s’appuient sur un entraînement couvrant de nombreuses variations de soudures conformes et défectueuses, afin de différencier les défauts fonctionnels des anomalies cosmétiques acceptables.  
 

Cellules cylindriques

Processus de production : À la différence des cellules de type poche ou prismatique, les cellules cylindriques des batteries pour véhicules électriques sont exclusivement constituées par enroulement d’une couche unique de feuilles d’anodes et de cathodes revêtues, alternées avec un matériau séparateur. Le cylindre résultant, également appelé «∘jelly roll∘», est ensuite inséré dans un boîtier métallique, rempli d’électrolyte liquide, puis hermétiquement scellé pour former la cellule.  

Avantages : De nombreux constructeurs de véhicules électriques, parmi lesquels Tesla, Rivian et Lucid, ont fait le choix des cellules de batteries cylindriques, un choix pleinement justifié. La fabrication de batteries cylindriques bénéficie de plusieurs décennies d’expérience industrielle, au cours desquelles des formats standardisés ont été établis, rendant leur production plus rentable que celle des cellules prismatiques ou de type poche. D’après certaines estimations industrielles, en fonction de la taille des cellules et du processus de fabrication, l’enroulement ou le bobinage des électrodes peut atteindre une cadence de 200 pièces par minute, contre seulement 10 pièces par minute pour des techniques comme l’empilement ou le pliage en Z. De par leur géométrie, les cellules cylindriques présentent une robustesse mécanique supérieure à celle des autres formats et permettent de gérer l’accumulation de gaz avec des parois plus fines, ce qui contribue à renforcer la sécurité globale du système.

Inconvénients : Lors de l’intégration des cellules cylindriques dans un module, un espace subsiste entre chaque cellule. L’espace entre chaque cellule réduit l’accumulation thermique, mais entraîne un grand volume d’espace inoccupé dans le module, réduisant ainsi la densité énergétique. Par ailleurs, certains fabricants estiment que les cellules cylindriques présentent des performances inférieures à celles d’autres géométries lorsqu’elles sont exposées à des températures basses.

Défis uniques : La conception des cellules cylindriques constitue un frein à la mise en œuvre d’une traçabilité efficace. Dans les sites de production de batteries pour véhicules électriques, des informations telles que les procédés de fabrication, l’origine des matériaux et les numéros de lot sont encodées dans un marquage direct sur pièce (DPM) gravé directement sur la batterie. Ces données jouent un rôle clé dans la gestion efficace des rappels, la conformité aux nombreuses réglementations en vigueur ainsi qu’aux objectifs de durabilité, et permettent d’isoler les anomalies au sein du processus de fabrication.

Toutefois, la lecture des DPM sur les batteries cylindriques présente une difficulté particulière, dans la mesure où les codes peuvent être situés à différents emplacements sur les surfaces latérales. Étant donné que les batteries sont rondes et métalliques, les codes sont donc souvent déformés et difficiles à lire pour les machines.

Solutions : Les lecteurs de codes-barres basés sur l’imagerie développés par Cognex s’appuient sur des technologies avancées de formation d’image et de décodage pour répondre à ces problématiques spécifiques. Grâce au High Dynamic Range Plus (HDR+), les lecteurs de codes Cognex bénéficient d’un contraste local renforcé pour une image plus homogène, et d’un champ de vision élargi capable de capturer les codes sur toutes les faces de la batterie cylindrique. 2DMax avec PowerGrid est un algorithme qui associe les données de texture et de géométrie pour lire les DPM de faible qualité, même s’ils sont déformés.
 

Nouvelles formes et tailles : Batteries à lame et à électrolyte solide

Aucune cellule de batterie pour véhicule électrique ne peut être considérée comme objectivement supérieure aux autres dans l’absolu. Chaque géométrie s’accompagne d’avantages et d’inconvénients, ainsi que de contraintes de fabrication qui lui sont propres. Les entreprises expérimentent de nouvelles techniques, conceptions et compositions chimiques dans la fabrication des batteries, qui posent toutes de nouveaux problèmes de production.

BYD, l’un des principaux fabricants de véhicules électriques et producteurs de batteries, a lancé sa batterie à « lame » en 2020. Cette architecture innovante élimine l’étape d’assemblage en modules, en intégrant directement de longues cellules rectangulaires et minces dans le bloc batterie. Le constructeur automobile chinois affirme que la batterie à lame économise 50 % d’espace en plus que les autres batteries lithium-fer phosphate. Tesla a commencé à utiliser des batteries à lame dans certains modèles en 2023 et, début 2024, BorgWarner Inc., un fournisseur automobile de premier plan pour Ford, GM et Stellantis, a signé un accord pour utiliser la batterie à lame de BYD.

(Source de l’image : BYD)

La batterie à lames de BYD, lancée en 2020, prétend avoir une meilleure densité d’énergie et de meilleures caractéristiques de sécurité que les autres géométries de batterie de véhicules électriques. Plusieurs constructeurs automobiles et équipementiers (OEM) sont intéressés par la technologie. 

Plus d’une douzaine de constructeurs automobiles et de fabricants de batteries mènent eux aussi des recherches sur la technologie des batteries à électrolyte solide. À la différence des batteries classiques reposant sur un électrolyte liquide servant de membrane conductrice d’ions, les batteries à électrolyte solide emploient un électrolyte à l’état solide pour assurer la conduction ionique. Parmi les avantages des batteries à électrolyte solide figurent une densité énergétique supérieure, des temps de charge réduits et une sécurité renforcée pour les véhicules électriques. Bien que cette technologie continue d’évoluer, certains observateurs soulignent des coûts de production encore trop élevés, l’absence de validation à grande échelle, ainsi que divers obstacles techniques qu’il reste à franchir avant qu’elle ne soit prête pour une fabrication industrielle.

La vision industrielle sera toujours un outil utile pour la fabrication de batteries de VE, quelle que soit la forme de la cellule. Avec l’évolution des technologies de batteries et des procédés de fabrication, la capacité à différencier précisément les défauts des anomalies tolérées, et à assurer le suivi et la traçabilité des composants, deviendra un enjeu stratégique majeur pour les fabricants.