Batterien sind komplex. Einige Aspekte ihrer Leistung und Degradation sind selbst für Experten nicht vollständig nachvollziehbar. Man könnte argumentieren, dass das Testen einer Batterie dem Untersuchen des menschlichen Körpers ähnlicher ist als dem Testen einer Leiterplatte. Genau wie Menschen verhalten sich auch Batterien dynamisch, da sich ihr Zustand je nach Umgebung und Nutzung ändert, und jede Batterie verhält sich ein wenig anders. Kombiniert man diese Unklarheit mit der Notwendigkeit, die Leistung zu steigern, die Testzeiten zu verkürzen und die Produktion zu skalieren, dann sehen wir, dass sich die Branche schnell weiterentwickeln muss.
Da in der Automobilindustrie ein massiver Wandel zur Elektrifizierung von Fahrzeugen stattfindet, stehen Batterien im Mittelpunkt. Vielleicht hat noch nie eine Komponente einen so weitreichenden Einfluss auf das Endprodukt gehabt und gleichzeitig ihre eigenen rasanten technologischen Veränderungen durchlaufen.
Die historischen Ansätze für den Batteriezellentest lassen sich nicht alle nahtlos auf neue Batterietechnologien übertragen und können zu ungenauen Ergebnissen und unzureichenden Erkenntnissen führen. Wir müssen unsere Prozesse mithilfe von KI, ML, Automatisierung und digitaler Transformation neu gestalten und transformieren, um die Genauigkeit zu verbessern, die Effizienz zu optimieren und wertvolle Erkenntnisse zu liefern.
Batterien stellen einzigartige Anforderungen an die Testabdeckung. Automobilhersteller sind es gewohnt, elektromechanische Systeme zu testen, aber Batterien bestehen auch aus Chemikalien. Diese zusätzliche Variable führt zu einer zusätzlichen Komplexitätsebene, die nicht nur elektrische und mechanische Testverfahren erfordert, sondern auch das Verständnis und die Überwachung der elektrochemischen Prozesse voraussetzt, die für den Betrieb und die Leistung einer Batterie wesentlich sind.
Lassen Sie uns die Grundlagen der Batterieproduktion durchgehen, Testmethoden vergleichen und fortschrittliche Testlösungen besprechen. Kontaktieren Sie uns, um mehr über die Wettbewerbsvorteile von NI im Bereich von Batteriezellentests zu erfahren.
Es ist schwierig, über das Testen von Batteriezellen zu sprechen, ohne den Produktionsprozess zu verstehen. Die Produktion von Batteriezellen erfordert viele Schritte, bei denen verschiedene Technologien und Bereiche zum Einsatz kommen, z. B. das Mischen von chemischen Verbindungen, die mechanische Montage, das Laminieren von Materialien und das Schweißen. Jeder Schritt hat einen entscheidenden Einfluss auf die Qualität der fertigen Batterie. Zusammenfassend lässt sich der Produktionsprozess in einige Makrobereiche unterteilen: Elektrodenfertigung, Zellmontage, Konditionierungsphase und Packmontage.
Bei der Elektrodenfertigung werden die grundlegenden Komponenten einer Batterie aus Rohstoffen hergestellt. Dieser Prozess beginnt mit dem Mischen einer Aufschlämmung, dem Auftragen der Aufschlämmung auf Metallfolien und dem Zuschneiden der beschichteten Folien für weitere Stufen. Diese beschichteten Folien bilden die Anoden und Kathoden, die die Elektroden der Batterie darstellen.
Eine Mischung aus aktiven Materialien, Lösungsmitteln und einem Binder bilden die Aufschlämmung, die in den Elektroden zur Speicherung von Ladungen verwendet wird. Die Formel für die Aufschlämmung hängt von der Chemie der Zelle und der Art der Elektrode (Anode oder Kathode) ab. Die Aufschlämmungsmischung gibt die Leistung einer Batteriezelle vor. Die Aufschlämmung wird durch einen präzisen Beschichtungsprozess auf Metallfolien aufgebracht. Anschließend muss die Beschichtung härten, damit die Lösungsmittel verdunsten können und nur das Aktivmaterial auf der Folie zurückbleibt. Die Abmessungen der Folien beeinflussen die Architektur und den Formfaktor der Zelle.
Während des Beschichtungs- und Trocknungsprozesses werden mehrere Variablen überwacht und gesteuert. Aufschlämmungsviskosität, Beschichtungsgeschwindigkeit und Folienspannung wirken sich auf die Dicke und Gleichmäßigkeit der Beschichtung aus. Temperatur und Luftfeuchtigkeit müssen während des Trocknungsprozesses streng reguliert werden. Die trockenen Folien werden im Kalandrierungsprozess zwischen Rollen geführt und komprimiert. Das Kalandrieren verbessert die Gleichmäßigkeit, reduziert die Gesamtdicke der Elektrode und gleicht Ungenauigkeiten aus. Die Platten werden dann in handhabbare Formen für die Zellmontage vorgeschnitten.
Die Montage der Batteriezellen erfolgt in einer streng kontrollierten Umgebung, um eine Degradation der Elektroden durch Feuchtigkeit, Staubpartikel, thermische Dehnung und Kompression der Materialien zu vermeiden. Die Elektroden werden durch einen Prozess aus Schneiden, Stapeln, Packen und Versiegeln zu einer Batteriezelle montiert.
Zu diesem Zeitpunkt sieht die Batteriezelle wie eine Batterie aus, ist aber nicht aktiv. Die Zelle wird durch einen als Formation bezeichneten Prozess aktiviert, durch den sie elektrische Energie speichern und wieder abgeben kann.
Während der Formation durchläuft die Batteriezelle einen Lade- und Entladezyklus. Während des Ladevorgangs reagiert der Elektrolyt mit den Materialien der Elektrode und Lithium-Ionen fließen von der Kathode zur Anode und bilden die SEI-Schicht (Solid Electrolyte Interphase). Die SEI-Schicht verhindert die Zersetzung des Elektrolyten und lässt dennoch Lithium-Ionen durch. Nach jedem Formationszyklus durchläuft die Batteriezelle einen Prozess, bei dem unerwünschte Gase entfernt werden, die bei chemischen Reaktionen in der Zelle erzeugt wurden. Die Zelle altert und stabilisiert sich dann in einer kontrollierten Umgebung, bevor sie einen weiteren Formationsprozess durchläuft.
Diese Prozesse und Zyklen sind für jeden Zellhersteller sehr unterschiedlich und werden mit unterschiedlichen Techniken wiederholt. Diese gesamte Phase ist für den ordnungsgemäßen Betrieb und die Langlebigkeit der Batteriezelle entscheidend. Die Herausforderung besteht darin, dass sie Tage dauert. In der Regel wissen Sie erst, ob eine gute SEI-Schicht vorliegt, wenn dieser Prozess abgeschlossen ist.
Bei der Montage eines Batteriepacks werden einzelne Batteriezellen zu einem vollständigen Batteriepack zusammengefügt. Vor dem Einsetzen in das endgültige Gehäuse müssen die Batteriezellen sortiert, die Module montiert und miteinander verbunden und ein Batteriemanagementsystem (BMS) installiert werden. Das BMS ist eine kritische Komponente, die die Leistung des Batteriepacks überwacht und steuert. Es verfolgt Parameter wie Spannung, Strom, Temperatur und Ladezustand. Es kann sich auch nach Bedarf anpassen, um eine optimale Leistung und Sicherheit aufrechtzuerhalten.
Abbildung 1: Batteriemodule
Validierungsingenieure überprüfen anhand verschiedener Tests Aspekte der Qualität und Leistung von Batteriezellen. Die jeweiligen Tests haben unterschiedliche Ziele, Vorteile und Nachteile. Weitere Informationen zu diesen Tests finden Sie unter Die Zukunft des Ladens: Qualitätsprüfung von Batteriezellen in der Elektrofahrzeugproduktion.
Je nach Anwendung und Architektur kann ein Batteriepack für Elektrofahrzeuge Hunderte oder Tausende von Zellen enthalten. McKinsey schätzt, dass Batteriehersteller weltweit nur über etwa 10 % der Kapazität verfügen, die erforderlich ist, um die Ziele für 2030 zu erreichen. Die Verfügbarkeit und Produktion besserer Batterien ist entscheidend dafür, dass die Automobilindustrie ihren Kurs halten und die prognostizierten Anforderungen erfüllen kann.
Abbildung 2: Batteriepacks
Die meisten Menschen verbinden Qualitätstests mit Sicherheit und Leistung, die zweifellos von entscheidender Bedeutung sind. Die Qualität der Batteriezellen ist jedoch auch entscheidend für die Aufwärtsskalierung der Produktion, die Reaktion auf Kundenanforderungen und die Erfüllung gesetzlicher Anforderungen unter Beibehaltung des Endergebnisses.
Jeder Schritt während der Produktion von Batteriezellen ist ein langwieriger Prozess, der Wochen dauern kann. Führende Hersteller müssen davon absehen, nur am Ende der Produktreihe zu testen. Tests müssen in den gesamten Produktionsprozess eingebettet sein, damit Fehler früher und näher an der Entstehungsstelle gefunden werden.
Die frühzeitige Erkennung von Fehlern ermöglicht eine effizientere Rohstoffnutzung, reduziert Nacharbeiten, erhöht die Batterieleistung und verbessert letztendlich den Produktionsdurchsatz.
Beispielsweise steht die Herstellung der Elektrode am Anfang des Produktionsprozesses. Mehrere Defekte können auftreten, z. B. Rissigkeit in der Beschichtung aufgrund eines zu schnellen Trocknungsprozesses, Beschichtung, die die Elektrode nicht gleichmäßig abdeckt, Falten und Risse in den Elektrodenfolien. Robuste Inspektionsprozesse in dieser Phase sind für die Fehlererkennung entscheidend, bevor kostspielige Rohstoffe in ein möglicherweise fehlerhaftes oder minderwertiges Produkt investiert werden.
In späteren Produktionsprozessen kann es zu einer schlechten Ausrichtung des Separators und der Elektroden, Dendriten und fehlerhaften Verbindungen während der Zellmontage oder einer ungleichmäßigen SEI-Schicht während der Formation kommen. All diese Defekte können zu Leistungseinbußen, beschleunigter Alterung oder einem internen Kurzschluss führen, der thermische Ereignisse auslösen kann.
Die Früherkennung von Fehlern beginnt mit dem Shift-Left-Ansatz. Die Einführung von Tests in das Produktdesign erhöht nicht nur die Geschwindigkeit und Qualität, sondern zahlt sich auch aus. Die Studie von Gartner hat ergeben, dass Unternehmen, die der Produktqualität zu einem frühen Zeitpunkt in der Entwicklung neuer Produkte besondere Aufmerksamkeit zuwiesen, 20 % höhere Renditen erzielten als Unternehmen, die dies nicht taten.
Tools wie digitale Entwicklung und virtuelle Validierung sind enorme fördernde Faktoren. Indem Prototypen und experimentelle Entwürfe strengen Tests unterzogen werden, können Entwurfsingenieure Entwurfsfehler, Herstellbarkeit und Verbesserungsmöglichkeiten bewerten. Ein iterativer Ansatz verbessert das Produkt und die Technologie und gewährleistet eine optimale Leistung und Zuverlässigkeit.
Die Durchführung umfassender Tests im Batterielabor ist eine Sache, aber die Skalierung für eine Produktionsumgebung mit hohen Volumen ist eine neue Herausforderung. Schnell wachsende Produktionsvolumen, lange Testzeiten und der physische Platzbedarf der Produktionslinie stellen die Tests von Batteriezellen im Vergleich zu herkömmlichen Produktionsherausforderungen vor einzigartige Komplexität.
Um mehr Tests in eine Batterieproduktionsumgebung zu integrieren, ist Automatisierung ein absolutes Muss. Sie ist die sauberste und zuverlässigste Methode, um strenge Kontrollen sicherzustellen, Ungenauigkeiten in Testergebnissen zu reduzieren und die Fehlererkennung zu verbessern. Gleichzeitig gewährleistet sie hohe Geschwindigkeit. Diese Konsistenz ist auch entscheidend, um Prüfungs- und behördliche Anforderungen zu erfüllen.
Hyperautomatisierung hebt diese Vorteile mit fortschrittlichen Technologien wie KI, ML, robotergesteuerter Prozessautomatisierung (RPA) und anderen digitalen Tools auf die nächste Stufe. Der Schwerpunkt liegt auf der Integration unterschiedlicher Systeme, Tools und Datenquellen, um eine nahtlose Automatisierung über den gesamten Workflow hinweg zu erreichen. Hyperautomatisierung muss einen Platz in Ihrer Teststrategie haben, wenn Sie die Produktion erhöhen, die Kosten kontrollieren und die Qualität steigern möchten.
Tausende von Test- und Messknoten werden über die gesamte Produktionslinie für Batteriezellen hinweg gesammelt. Einheitliche Testdaten ermöglichen es Ingenieuren, mehr über Batteriesysteme, Qualität und Leistung zu erfahren. Durch das Feedback von Produktionsdaten an die Validierung und das Produktdesign wird der Wert der Daten maximiert, um das Produkt und die Herstellungsprozesse zu verbessern.
Die Technologie entwickelt sich schnell, ebenso wie das Verständnis dafür, wie Fehler mithilfe fortschrittlicher Messungen und Algorithmen zuverlässig erkannt werden können. KI und ML können dazu beitragen, Anomalien zu erkennen, die der gegenwärtige menschliche Verstand noch nicht genau bestimmen kann. Durch das Erkennen von Trends mit intelligenten Analysen können Hersteller die Vorgänge im Innern einer Zelle besser verstehen, Defekte verhindern und die Batterieleistung verbessern.
Hersteller von Elektrofahrzeugen und Batterien sowie OEMs stehen unter ständigem Druck, die Produktion zu beschleunigen, ohne dabei Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Rückverfolgbarkeit zu beeinträchtigen. Während die Branchenakteure versuchen, ihre Ziele zu erreichen, hat NI jahrzehntelange Erfahrung in den Bereichen Test, Messung, Datenerfassung, Signalaufbereitung und modulare Hardware genutzt, um Batterietestlösungen der nächsten Generation zu entwickeln, mit denen neue Herausforderungen bewältigt werden können.
Abbildung 3: Validierungslabor für Batteriezellen
Diese Lösungen sind so konzipiert, dass sie zukunftssicher sind, mit den Kundenanforderungen mitwachsen und den Wert steigern. Mit dem vielfältigen Angebot an Schnittstellen und Software zur optimierten Erfassung, Standardisierung, Verwaltung und Analyse von Testdaten kann NI ein breites Spektrum an Anforderungen in einem Unternehmen abdecken.
NI-Lösungen stehen an der Spitze der Technologie von Testsystemen für Batteriezellen. Diese integrierten Hardware- und Softwarelösungen sind für die Erstellung automatisierter Testsysteme und fortschrittlicher Analyseverfahren mit geringem Platzbedarf optimiert. Dieser Ansatz ermöglicht umfassende Tests während der gesamten Produktionslinie ohne Zeit- oder Platzbeschränkungen. Die modulare PXI-Plattform ermöglicht optimierte Arbeitsabläufe und maximale Flexibilität.
Das Produktionstestsystem für Elektrofahrzeugbatteriezellen und ‑module von NI basiert auf der PXI-Plattform. Als modulares System orchestriert es alle Instrumente und Funktionen in einem zentralisierten Computersystem, und PXI-Module decken ein breites Spektrum spezialisierter E/A und Instrumentierung ab. Mit dieser Flexibilität können Sie eine hohe Messdichte in einem einzigen Chassis erreichen (ACIR, OCV, HPCD, Leckage, EIS und mehr). Die PXI-Plattform ermöglicht außerdem eine Kombination aus simultanen und gemultiplexten Eingängen, sodass Hersteller maximale Flexibilität haben, um Kosten und Produktionsdurchsatz in Einklang zu bringen.
PXI ist kompakt und leistungsfähig, sodass Anwender die Testabdeckung erhöhen können, ohne wertvolle Produktionsfläche hergeben zu müssen. Benutzer können eine Vielzahl von Instrumenten nahtlos anschließen und orchestrieren. Der modulare Aufbau vereinfacht auch Kalibrierungs- und Wartungsaktivitäten, wie z. B. den Austausch von Geräten. Dieses plattformbasierte System bildet einen Kontrast zu geschlossenen Lösungen, die eine Abhängigkeit von einem Anbieter erzeugen. Außerdem entfallen die Kosten- und Zeitbeschränkungen, die durch kundenspezifische Systeme mit komplexen Schnittstellen und Integrationen verursacht werden. Da die Messgeräte von NI zudem softwaredefiniert sind, können Parameter einfach geändert und an wechselnde Anforderungen angepasst werden, wie z. B. Testfrequenzen und ‑ströme für ACIR- und EIS-Tests, ohne dass die Hardware ausgetauscht werden muss.
Die einheitliche Software-Toolchain von NI unterstützt Sie bei der Definition, Ausführung und Überwachung von Tests. Fortgeschrittene Analysefunktionen werden durch eine einheitliche Datenpipeline in der gesamten Produktionslinie unterstützt. Die Software von NI bietet zuverlässige, sofort einsatzbereite Funktionen und lässt sich einfach anpassen.
NI bietet ein umfassendes Softwareportfolio, mit dem Sie Ihre Produktivität steigern und Ihre größten Herausforderungen meistern können. Hier finden Sie einige NI-Softwareprogramme zur Optimierung und Verwaltung Ihrer Prozesse, Daten und Hardwareprodukte zu Qualitätstests von Batteriezellen.
Die Softwarelösungen von NI sind bewusst so konzipiert, dass sie Offenheit und Innovation fördern. Testingenieure haben die Freiheit, Anpassungen an Geschäftsanforderungen vorzunehmen. Ganz gleich, ob Sie benutzerdefinierte Dashboards erstellen, Open-Source-Datenbanken nutzen oder proprietäre Protokolle und Algorithmen programmieren – Lösungen von NI verlangsamen Ihre Produktionslinie nicht mit Einschränkungen.
Meistens bietet die Konkurrenz keine Möglichkeit zu Softwareanpassungen. Und wenn es doch der Fall ist, sind Sie bei der Implementierung der Anpassungen auf sie angewiesen, was Ihre proprietären Protokolle, die Time-to-Innovation und die Lieferung an Kunden einem Risiko aussetzt. Mit NI-Software kann Ihr Testingenieur Anpassungen implementieren, ohne NI konsultieren zu müssen.
Eine Erhöhung des Testumfangs und eine schnellere Ausführung von Tests sind nur so wichtig wie Ihre Fähigkeit, die Daten zu überwachen, zu verwalten und zu analysieren. Die Hardware- und Softwarelösungen von NI sind integriert und so entwickelt, dass sie in einer einheitlichen Sprache harmonisch zusammenarbeiten, sodass Ihre Daten über ihren ursprünglichen Zweck („bestanden“ bzw. „nicht bestanden“) hinaus für eine Wertsteigerung sorgen können.
Mit intelligenten vernetzten Testsystemen können Hersteller die Erträge optimieren und Qualitätsverluste minimieren. Erkenntnisse aus einer Zelle können mit Erkenntnissen aus der gesamten Produktion kombiniert werden. Kontinuierliche Tests während des gesamten Lebenszyklus einer Batterie können zeigen, ob sich die Testergebnisse plötzlich verschlechtern, was eine sofortige Untersuchung und bessere Erkenntnisse über Maßnahmen ermöglicht.
Führende Hersteller sammeln während des gesamten Herstellungsprozesses Testdaten und erkennen Trends mithilfe von KI und ML. Diese Modellierung wird für jeden Hersteller zum Schlüssel, um seine Prozesse und Rezepte zu optimieren und letztendlich qualitativ hochwertigere Batteriezellen herzustellen. Die Lösungen von NI sind eine hervorragende Voraussetzung für Hyperautomatisierung, da Hersteller versuchen, mit diesen proprietären Modellen Tests zu einem Wettbewerbsvorteil zu machen.
Die Entwicklung von Elektrofahrzeugen und Technologien für erneuerbare Energien hat den Bedarf an einer effizienteren und effektiveren Produktion von Batteriezellen erhöht, aber die Batterieproduktion selbst ist keine einfache Aufgabe. Die Steigerung der Batterieproduktion bei gleichzeitiger Verbesserung von Kosten, Qualität und Leistung ist nur mit bahnbrechenden Lösungen möglich.
NI hat sich verpflichtet, diese Nachfrage mit Lösungen zu erfüllen, die auf die sich ständig ändernden Anforderungen der Branche zugeschnitten sind und diese definieren. Diese fortschrittlichen Messsysteme ermöglichen es Herstellern, die Vorgänge im Innern einer Zelle zu verstehen und die notwendigen Verbesserungen vorzunehmen, um die globale Nachfrage zu erfüllen.
NI hat sich zum Ziel gesetzt, an der Spitze der Testsystemtechnologie zu stehen und Kunden dabei zu unterstützen, ihre Ziele zu erreichen und gemeinsam innovative Wege zu gehen. Arbeiten Sie mit uns zusammen und machen Sie das Testen zu einem strategischen Vorteil in diesem hart umkämpften und sich schnell entwickelnden Markt.