Flexible Automatisierungskonzepte für datengestützte Batteriezellenproduktion

Die Elektromobilität ist weltweit einer der bedeutendsten Trends in der Automobilindustrie. Immer mehr Autohersteller setzen auf Elektroautos, um den CO2-Ausstoß ihrer Fahrzeugflotten zu reduzieren. Von entscheidender Bedeutung für den Erfolg der Elektromobilität ist die effiziente Produktion von Batteriezellen. Daher positionieren sich neben großen Zulieferern auch Autobauer zunehmend als Batteriehersteller. Zwar konzentriert sich die Produktion von Autobatterien derzeit noch auf Asien, doch in den letzten Jahren haben zunehmend auch westliche Unternehmen in den Aufbau eigener Batterieproduktionskapazitäten investiert.

Kurze Innovationszyklen

Die Verfahren und Technologien zur Produktion von Batteriezellen werden sich in den kommenden Jahren kontinuierlich weiterentwickeln. Ob neue Rohmaterialien, veränderte Misch- und Beschichtungsprozesse oder andere Verfahren zum Kalandrieren und Wickeln, es wird immer wieder Veränderungen geben. Wollen Hersteller von Batteriezellen bestehende und zukünftige Produktionsanlagen auf diese dynamische Phase und deutlich verkürzte Innovationszyklen vorbereiten, benötigen sie leistungsfähige Automatisierungspartner, die mit ihren Lösungen die digitale Transformation unterstützen und so modulare, flexible Anlagenkonzepte ermöglichen. Mit seinem robusten Portfolio ist TURCK seit mehreren Jahrzehnten einer der wichtigsten Automatisierungspartner für die Automobilindustrie rund um den Globus – und auch die erfolgreichsten Batteriehersteller setzen heute auf TURCK-Technologie und gestalten ihre Produktionsanlagen mit datengestützter Prozessoptimierung flexibel und zukunftsfähig.

Drei Ladesäulen für Produktionseffizienz

So hilft beispielsweise berührungslose RFID-Identifikationstechnik, den Ausstoß bestehender Anlagen zu erhöhen und gleichzeitig die Prozesssicherheit und Produktqualität zu steigern. Condition-Monitoring-Lösungen zeigen Probleme frühzeitig auf und ermöglichen so vorausschauende Wartungsmaßnahmen, was die Verfügbarkeit und damit die Gesamteffizienz einer Anlage (OEE) dauerhaft steigert. Vor allem die dezentrale Automatisierungstechnik mit robusten, schaltschranklosen IP67-Systemen erleichtert den Aufbau modularer Produktionsanlagen für eine spätere Neugruppierung von Maschinen oder Verlagerung von Kapazitäten.

Rückverfolgbarkeit: Die Energiedichte von Batterien ist mit der von Sprengstoffen vergleichbar. Entsprechend gefährlich und riskant können defekte Batterien sein. Eine Produktion, die jedes Rohmaterial, jedes Produkt sowie jeden Produktionsschritt automatisch erfasst und dokumentiert, garantiert Batteriezellen mit höchster Qualität. Die Traceability bzw. Rückverfolgbarkeit durch Track-and-Trace-Systeme sichert eine fehlerfreie Produktion. TURCK hat fast 20 Jahre Erfahrung mit HF- und UHF-RFID-Lösungen im Produktionsumfeld. Kaum ein anderer Anbieter kann ein derart breites RFID-Angebot und besondere Technologien wie beispielsweise den HF-Busmodus anbieten.

Overall Equipment Efficiency OEE: Die Herstellkosten eines Produkts und die Profitabilität einer Produktion hängen stark von der Verfügbarkeit seiner Produktionsanlage ab. Auch deshalb ist die Steigerung der Gesamteffizienz einer Anlage (OEE) ein zentrales Ziel in der Batterieherstellung. Es gilt, ungeplante Maschinenstillstände zu minimieren und Materialengpässe so gut es geht auszuschließen. Mit Condition-Monitoring-Systemen lassen sich Maschinenzustände überwachen und Wartungen vorausschauend planen, während RFID Identifikationstechnik die Datenbasis zur Materialbeschaffung verbessert. 

Flexibilität: Mit den unterschiedlichen Batterieanwendungen wird auch die Zahl der Batteriezelltypen steigen. Produktionsanlagen sollten daher sowohl mechanisch als auch automatisierungstechnisch auf zukünftige Anpassungen vorbereitet sein. Modulare Anlagenkonzepte sind dabei der Königsweg zu mehr Flexibilität. Dezentrale I/O- und Steuerungslösungen in IP67, kombiniert mit flexibler und schneller Industrial-Ethernet-Kommunikation, erlauben es, Anlagenmodule schnell neu anzuordnen. Gesteuert durch dezentrale SPSen und Sicherheits-Controller, können zudem Factory Acceptance Tests bereits beim Hersteller erfolgen, was die Inbetriebnahme in der Gesamtanlage verkürzt.

Wie TURCK mit Lösungen Batteriehersteller unterstützt, zeigen die folgenden Beispiele.

IO-Link-Fluidsensoren überwachen Kalandrieren

Einer der kritischsten Prozessschritte bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batteriezellen ist das Kalandrieren. Dabei wird die beidseitig beschichtete Kupferfolie (Anode) bzw. die Aluminiumfolie (Kathode) durch mehrere rotierende und beheizte Walzenpaare verdichtet, aufgerollt und zum nächsten Prozessschritt überführt. Hydraulisch angetriebene Walzenpaare erzeugen einen genau definierten Druck, der auf jeden Fall eingehalten werden muss. Jede Abweichung von diesem Wert führt zu verminderter Qualität und Leistungsfähigkeit der Batteriezellen. Ein zu hoher Druck kann das Trägermaterial sogar beschädigen.

Eine IO-Link-Komplettlösung aus Sensoren und passender Infrastruktur überwacht das Zusammenspiel aller Prozesskomponenten und garantiert optimales Kalandrieren. Als IO-Link-Master kommt TURCKs TBENL4-8IOL zum Einsatz. Das kompakte Ethernet-Multiprotokoll I/O-Modul verfügt über acht IO-Link-Master-Kanäle. Die Messwerterfassung und -überwachung übernehmen die robusten Druck- und Temperatursensoren aus TURCKs Fluid+ Familie, die in der Hydraulik im Inneren der Anlage montiert sind. Die PS+ Drucksensoren sorgen für einen optimalen und konstanten Druck, sodass das Trägermaterial eine gleichmäßige Oberflächenstruktur sowie die gewünschte Porosität erreicht. Die TS+ Temperatursensoren überwachen nicht nur die Temperatur der Walzen, sondern auch der Flüssigkeit zu deren Beheizung. IO-Link ermöglicht die einfache Parametrierung und Inbetriebnahme sowie einen etwaigen Austausch der Geräte in der Batteriefertigung. Um einen ungeplanten Produktionsstopp zu vermeiden, müssen leere Rollen der Trägerfolie rechtzeitig erkannt werden. Dies erfordert die lückenlose Messung des Rollendurchmessers mit TURCKs RU80D-Ultraschallsensoren.

HF-Busmodus sichert Qualität von Lithium-Ionen-Akkus

Beim Zusammenstellen von Akku-Modulen aus einzelnen Zellen werden diese mit einem Aluminiumstreifen verschweißt. Die Qualität der Schweißpunkte ist entscheidend für die Güte des Akkus und wird daher nach dem Schweißen geprüft. Das Ergebnis wird direkt auf den Datenträger geschrieben, der unter dem Produktträger des Moduls angebracht ist. Insgesamt umfasst die Produktionslinie etwa 35 Schreib-Lese-Positionen, was bei Standard-RFID-Systemen recht teuer werden kann. RFID über IO-Link wäre zwar eine Alternative, ist aber wegen der geringen Bandbreite meist zu langsam.

Mit TURCKs HF-Busmodus können bis zu 32 Schreib-Lesegeräte in Reihe an einem einzigen Port des RFIDInterfaces angeschlossen werden, was die Kosten pro Schreib-Lese-Position deutlich reduziert. Dank der hohen Bandbreite des Busbetriebs kann die Produktionslinie zudem ihr ursprüngliches Tempo beibehalten. Ein weiterer Vorteil: Jeder Schreib-Lese-Kopf kann sowohl EPROM- als auch FRAM-Datenträger lesen. Das Auslesen der Datenträger wird durch einen induktiven Sensor ausgelöst. Wenn sich mehrere Datenträger gleichzeitig in der Luftschnittstelle verschiedener Schreib-Lese-Köpfe befinden, legt die SPS einen Puffer an, um die Befehle an die verschiedenen Schreib-Lese-Köpfe nacheinander auszuführen. Zusätzlich hilft der Triggersensor, Fehler zu erkennen: Wenn ein Datenträger nicht gelesen werden kann, nachdem er getriggert wurde, deutet dies auf einen defekten Datenträger hin. RFID-Geräte und Trigger-Sensoren werden direkt am

TBEN-S2-2RFID-4DXP angeschlossen. Das IP67-Interface kommuniziert über Profinet mit der SPS. Als Multiprotokoll-Gerät kann es aber auch problemlos in Ethernet/IP- oder Modbus TCP-Netzwerken eingesetzt werden –ohne Benutzereingriff.

RFID-Tracking über OPC UA

Da Produktionsschritte nicht immer von einer SPS oder einem Leitsystem verwaltet werden, sondern oft direkt im ERP-System angelegt sind, müssen Identifikationssysteme auch direkt mit dem ERP-System kommunizieren können. OPC UA hat sich dazu als ideale Schnittstelle bewährt, wird doch dieser Standard von IT-Systemen ebenso „verstanden“ wie von Maschinen und Systemen der OT. Über TURCKs RFID-Interface TBEN-L-4RFID gelangen die Daten der robusten IP67-Schreib-Lese-Köpfe TNLR-Q80 per OPC UA ins ERP-System.

Da RFID-Kommunikation in metallischer Umgebung aufgrund möglicher Reflektionen fehleranfällig sein kann, garantieren spezielle Datenträger zur Montage auf Metall zuverlässige Identifikationsprozesse. Dabei wird lediglich die ID des Datenträgers ausgelesen, um über eine Datenbank die korrekten Informationen zuzuordnen und zu ergänzen. TURCK bietet als Komplettanbieter ein lückenloses System aus einer Hand – vom Datenträger über Schreib-Lese-Geräte und Anschlussleitungen bis hin zu RFID-Interfaces und qualifiziertem Support. Kommunikationsprobleme durch herstellerübergreifende Lösungen lassen sich so zuverlässig verhindern.