In che modo la visione artificiale affronta le sfide di ispezione delle batterie a sacchetto, prismatiche e cilindriche

Dal momento che le batterie possono rappresentare fino al 40% del prezzo di un EV, sono un punto di partenza logico per la riduzione dei costi e l'automazione utilizzando la visione artificiale è essenziale per ridurre i costi di produzione delle batterie. I produttori e gli OEM utilizzano la tecnologia per ispezionare le batterie alla ricerca di difetti, guidare le celle nei moduli, verificare gli assemblaggi, misurare le caratteristiche e identificare le parti. Ma il tipo di batteria che viene assemblata può creare diverse sfide per l'automazione.

La visione artificiale è essenziale per automatizzare numerose operazioni di produzione di batterie per EV. Da sinistra a destra: i sistemi di visione artificiale misurano la larghezza del rivestimento degli elettrodi, rilevano i difetti su una batteria cilindrica, guidano le celle in un alloggiamento del modulo e identificano i codici sulle batterie prismatiche.

Le celle batterie a sacchetto, prismatiche e cilindriche per EV svolgono la stessa funzione: i produttori le assemblano in moduli e pacchi per batterie EV. Ma comprendere le proprietà uniche e gli ostacoli alla produzione e come risolverli con la visione artificiale è fondamentale per ridurre i costi dei veicoli elettrici.

Tutte le batterie agli ioni di litio per EV iniziano con la produzione di elettrodi, in cui i produttori di batterie versano una miscela di carbonio, grafite e altri elementi su lamiere metalliche per formare anodi e catodi. È qui che finiscono molte delle somiglianze di produzione e emergono vantaggi distinti e sfide di produzione.
 

Celle a sacchetto

Variazione del processo di produzione manifatturiera: Il materiale separatore e gli anodi e i catodi con rivestimento elettrodico vengono tagliati in fogli e collocati in un sacchetto realizzato in lamina composita di alluminio multistrato. Successivamente, il produttore della batteria sigilla i bordi della lamina, salda le linguette insieme e riempie la busta con elettroliti liquidi. Infine, la cella passa attraverso varie procedure di invecchiamento e degassamento in un processo chiamato formazione cellulare.  

I vantaggi: Alcuni produttori sostengono le batterie a sacchetto per la loro durata e dimensioni compatte e uniformi rispetto ad altre geometrie. Le batterie a sacchetto sono generalmente prodotte attraverso l'impilaggio di fogli di celle o "piegatura a Z", in cui un robot preleva un singolo foglio di anodo o catodo, lo posiziona sopra il materiale separatore e quindi posiziona il catodo o l'anodo successivo in cima. I fautori delle celle a sacchetto dicono che il metodo di impilaggio permette una distribuzione del calore più uniforme rispetto all'avvolgimento, che è usato nelle geometrie cilindriche e in alcune prismatiche. Poiché le celle a sacchetto mancano di un involucro rigido, sono più economiche da produrre e hanno una buona densità energetica.

Svantaggi: A seconda del design e dei requisiti del sistema di batterie, alcuni dei vantaggi delle geometrie delle batterie a sacchetto possono anche essere dannosi. Mentre la mancanza di involucro potrebbe ridurre i costi di produzione e il peso e migliorare la densità energetica, le celle a sacchetto possono gonfiarsi fino al 10% in volume dopo un certo numero di cicli di carica. Alcuni modelli di moduli a sacchetto richiedono piastre di trasferimento del calore in alluminio tra ciascuna cella a sacchetto per trasferire il calore lontano dai sacchetti. A seconda del design del modulo e del numero di celle, questi sistemi di gestione termica possono compensare alcuni dei vantaggi delle celle a sacchetto. 

Sfide uniche: Le batterie EV in stile pochette sono metalliche e flessibili, creando molto abbagliamento speculare e rughe che rendono difficile il rilevamento di difetti. Lasciare che un difetto scivoli attraverso il processo di ispezione può compromettere le performance e l'integrità della batteria. Tuttavia, scambiare imperfezioni cosmetiche accettabili per difetti critici sulla superficie di un sacchetto può comportare tassi e costi di scarto più elevati. La differenza tra un difetto come un graffio e un’imperfezione accettabile può essere di pochi micron.

Soluzioni: Il rilevamento di difetti sulle celle a sacchetto è troppo complicato per le soluzioni di visione artificiale basate su regole; le regole devono tenere conto di centinaia di variabili e iterazioni di difetti e anomalie accettabili. Inoltre, gli utenti spesso richiedono specifiche e disegni diversi con breve preavviso; cambiando i fornitori, le tecniche di produzione o i materiali possono introdurre nuovi problemi e difetti.

Per affrontare queste sfide, Cognex ha creato un software di visione artificiale basato sull’IA, il VisionPro Deep Learning, che impara cosa sono le batterie "buone" e "cattive" analizzando migliaia di immagini etichettate.  In combinazione con i sistemi di visione artificiale, VisionPro Deep Learning automatizza le ispezioni delle batterie, riducendo i costi e i tempi di ispezione, preservando al contempo la qualità della batteria. La tecnologia di diagnostica per immagini computazionale può fornire risultati di ispezione ancora migliori, illuminando la superficie di una batteria a sacchetto da varie angolazioni per rivelare difetti e caratteristiche sottili.

Variazione del processo di produzione manifatturiera: Le celle prismatiche sono prodotte avvolgendo anodi con rivestimento elettrodico, catodi e materiale separatore in un singolo strato o impilandoli insieme. Una volta disposti, i fogli di cellule vengono inseriti in un alloggiamento metallico rettangolare. In generale, i fogli di celle impilati rilasciano più energia e offrono performance migliori, mentre i fogli di celle arrotolati o avvolti contengono più energia e si traducono in una maggiore durata. 

I vantaggi: Dal momento che le celle prismatiche della batteria sono rettangolari, mostrano una migliore densità energetica nei moduli e nei pacchi: non c’è spazio sprecato tra le celle. Alcuni produttori di batterie utilizzano la chimica litio-ferro-fosfato nelle loro celle prismatiche, che coinvolge materiali più ampiamente disponibili e convenienti rispetto alle batterie agli ioni di litio. E poiché le celle prismatiche sono più grandi di altre geometrie, richiedono meno connessioni elettriche e cablaggi, il che può ridurre le opportunità di difetti di produzione.

Svantaggi: C'è un numero limitato di dimensioni standard di celle della batteria prismatiche. Diversi sistemi di batterie possono richiedere specifiche e dimensioni uniche delle celle, che possono complicare la produzione su larga scala e aumentare i costi. E mentre la forma uniforme e le grandi dimensioni delle batterie prismatiche aumentano la loro densità energetica a livello di modulo e pacco, questo design può causare un accumulo termico – non c’è posto dove il calore vada perché le celle sono a stretto contatto.

Sfide uniche: La produzione di una cella batteria EV prismatica comporta un sacco di saldatura. I produttori saldano l'alloggiamento metallico attorno ai fogli di celle e saldano un pannello superiore o un coperchio sulla parte superiore dell'alloggiamento. Dal momento che le batterie prismatiche sono impilate vicine, il coperchio deve avere spazio per espandersi e contrarsi mentre le celle si riscaldano e si raffreddano. È essenziale ispezionare i cordoni di saldatura sui pannelli superiori e laterali prima che la cella sia installata in un modulo.

Soluzioni: I difetti nei cordoni di saldatura delle batterie prismatiche, come le saldature sottoalimentate e sovrapotenziate, possono sembrare quasi identici a anomalie accettabili e sono disponibili in tutte le forme e dimensioni. Tenere conto di tutte le iterazioni di una saldatura difettosa e separarle da anomalie accettabili simili è troppo complesso per la visione artificiale basata su regole.  

Il VisionPro Deep Learning di Cognex in combinazione con i sistemi di visione artificiale 2D e 3D è progettato per rilevare difetti così sottili. Gli strumenti di rilevamento e classificazione di difetti di VisionPro Deep Learning sono addestrati su una vasta gamma di variazioni di saldatura “buone” e “difettose”, consentendo alla soluzione di identificare e classificare i difetti funzionali da imperfezioni cosmetiche accettabili.  
 

Celle cilindriche

Variazione del processo di produzione manifatturiera: A differenza delle batterie a sacchetto o prismatiche, le celle batterie cilindriche per EV sono formate solo avvolgendo fogli di anodi con rivestimento elettrodico, catodi e materiale separatore in un unico strato. Quindi, i produttori inseriscono il cilindro risultante o il "rotolo di gelatina" nell'involucro, lo riempiono con elettroliti liquidi e sigillano la cella.  

I vantaggi: Le celle batterie cilindriche per EV sono favorite da numerosi produttori di veicoli elettrici, tra cui Tesla, Rivian e Lucid, e per una buona ragione. Le aziende producono batterie cilindriche da decenni e nel corso degli anni sono emerse dimensioni standardizzate, rendendole più economiche da produrre rispetto alle geometrie delle batterie prismatiche e a sacchetto. A seconda delle dimensioni della batteria e del processo di produzione, gli elettrodi di avvolgimento o rotolamento possono essere più veloci, a 200 parti al minuto (PPM), rispetto all'impilamento o "piegatura a Z" a 10 PPM, secondo alcune stime. I cilindri sono anche intrinsecamente più robusti meccanicamente rispetto ad altre forme e possono ospitare l'accumulo di gas utilizzando pareti della batteria più sottili, rendendoli un'opzione più sicura.

Svantaggi: Quando le celle delle batterie cilindriche vengono inserite in un modulo, c'è uno spazio tra ogni cella. Lo spazio tra ogni cella riduce l’accumulo termico, ma si traduce in molto spazio non occupato nel modulo, riducendo la densità energetica. Inoltre, secondo alcuni produttori, le batterie cilindriche non funzionano bene come altre geometrie in ambienti più freddi.

Sfide uniche: Il design di una cella della batteria cilindrica ostacola la tracciabilità. Gli impianti di batterie per veicoli elettrici mettono dati come processi di produzione, origine del materiale e numeri di lotto in un codice inciso direttamente sulla batteria, chiamato direct part mark (DPM). Queste informazioni sono importanti per gestire i richiami in modo più efficace, rispettare numerose normative e obiettivi di sostenibilità e isolare i problemi nel processo di produzione.

Tuttavia, leggere i DPM sulle batterie cilindriche è una sfida unica: i codici possono essere posizionati ovunque sui lati della batteria. E poiché le batterie sono rotonde e metalliche, i codici sono spesso distorti, deformati e difficili da leggere per le macchine.

Soluzioni: I lettori di codici a barre basati su immagini Cognex utilizzano tecnologie di formazione avanzata e decodifica delle immagini per superare queste sfide. L'High Dynamic Range Plus (HDR+) aumenta il contrasto localizzato per creare un'immagine più uniforme e consente ai lettori di codici a barre Cognex di coprire un campo visivo maggiore per leggere i codici su diversi lati della batteria cilindrica. 2DMax con PowerGrid è un algoritmo che combina dati strutturali e geometrici per leggere DPM di bassa qualità, anche se sono deformati o distorti.
 

Nuove forme e dimensioni: Batterie a lama e a stato solido

Non esiste una cella della batteria per EV “migliore” oggettiva. Ogni geometria presenta i suoi vantaggi, svantaggi e sfide di produzione uniche. Le aziende stanno sperimentando nuove tecniche di produzione, design e chimica delle batterie, che portano nuovi problemi di produzione.

BYD, produttore leader di veicoli elettrici e produttore di batterie, ha introdotto la sua batteria “a lama” nel 2020. Il design elimina la necessità di moduli, con il sistema di batterie che comprende celle della batteria rettangolari lunghe, sottili, installate direttamente in un pacco. La casa automobilistica cinese afferma che la batteria a lame consente di risparmiare il 50% in più di spazio rispetto ad altre batterie al litio ferro fosfato. Tesla ha iniziato a utilizzare batterie a lame in alcuni modelli nel 2023 e all’inizio del 2024, BorgWarner Inc., fornitore automobilistico di primo livello di Ford, GM e Stellantis, ha firmato un accordo per utilizzare la batteria a lame di BYD.

(Fonte immagine: BYD)

La batteria a lama BYD, introdotta nel 2020, afferma di avere una densità energetica e caratteristiche di sicurezza migliori rispetto ad altre geometrie di batterie per EV. Diverse case automobilistiche e produttori di apparecchiature originali (original equipment manufacturer, OEM) sono interessati alla tecnologia. 

Più di una dozzina di case automobilistiche e produttori di batterie stanno anche esplorando la tecnologia delle batterie a stato solido. A differenza delle batterie tradizionali, che utilizzano elettroliti liquidi come membrana per condurre ioni, le batterie a stato solido utilizzano elettroliti solidi. I vantaggi delle batterie a stato solido includono un migliore accumulo di energia, una ricarica più rapida e veicoli elettrici più sicuri. La tecnologia si sta ancora evolvendo, tuttavia, e i critici citano alti costi di produzione, mancanza di convalida e altri ostacoli che le batterie a stato solido devono eliminare prima di essere adatte alla produzione di massa.

La visione artificiale sarà sempre uno strumento utile per la produzione di batterie per EV, indipendentemente dalla forma della cella. Man mano che le tecnologie delle batterie e le tecniche di produzione si evolvono, la capacità di separare i difetti da anomalie accettabili e tracciare e rintracciare i componenti diventerà più critica per i produttori.