Autor: Matthias Moser, Teledyne DALSA

Laut einer aktuellen Studie entfallen 27% der weltweiten Treibhausgasemissionen auf den Transportsektor. Aus diesem Grund ist die Weiterentwicklung von Elektrofahrzeugen und ihrer Batterien von entscheidender Bedeutung für die Bekämpfung des Klimawandels. Industrielle Bildverarbeitung und Künstliche Intelligenz (KI) spielen dabei eine wichtige Rolle.

Laut einer vom World Resources Institute unter Verwendung von Daten der Internationalen Energieagentur durchgeführten Analyse waren 2022 weltweit 10 % der verkauften Personenkraftwagen vollelektrisch - das ist zehnmal mehr als nur fünf Jahre zuvor. Norwegen ist mit einem Anteil von 80 % vollelektrischer Pkw-Verkäufe führend, gefolgt von Island (41 %), Schweden (32 %), den Niederlanden (24 %) und China (22 %).

Chinas Position ist dabei bemerkenswert: Als größter Automarkt der Welt hatte das Land 2022 mehr Verkäufe von Elektrofahrzeugen als der Rest der Welt zusammen. China hat strategisch in die Herstellung von Elektroautos investiert, und chinesische Verbraucher können inzwischen aus mehr als 300 Elektroauto-Modellen wählen.

In der Europäischen Union (12 %) und den Vereinigten Staaten (6 %) ist der Anteil der Elektrofahrzeuge an allen verkauften Pkw geringer, aber beide Märkte wachsen schnell. In den USA hat der Marktführer Tesla 2023 die Preise aggressiv gesenkt, was die Wettbewerber unter Druck setzte, ihre Fahrzeuge erschwinglicher zu machen. Der Durchschnittspreis eines neuen Elektrofahrzeugs in den USA sank bis 2023 um 22 % auf 50.683 US-Dollar. Dadurch liegt der durchschnittliche Preisunterschied zwischen Elektrofahrzeugen und allen anderen Autos in den USA jetzt bei unter 3.000 US-Dollar. Dennoch übersteigt das Angebot an E-Autos derzeit die Nachfrage in den USA, da weder die Autohersteller noch die Käufer derzeit wissen, wie sich der Markt entwickeln wird. Diese prinzipielle Situation trifft auch auf Europa zu.

Faktoren wie die Kosten von E-Fahrzeugen, die Entfernung, die mit einer einzigen Ladung zurückgelegt werden kann (Reichweite), und die Zeit, die zum Aufladen der Batterie benötigt wird, spielen alle eine Rolle bei der Wachstumsentwicklung. Experten sagen voraus, dass die Technologie einen Wendepunkt erreichen wird, wenn es günstiger wird, ein E-Fahrzeug zu kaufen, zu besitzen und zu betreiben als ein herkömmliches Verbrennerfahrzeug, und dass die Wachstumskurve dann schnell nach oben zeigen wird.

Da die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen weiter steigt, ist es unerlässlich, sich mit dem Herzstück dieser Fahrzeuge zu befassen - der Batterie. Der heute am häufigsten verwendete Batterietyp für Elektrofahrzeuge ist aufgrund seiner hohen Energiedichte und Spannung, seiner Stabilität, seines geringen Gewichts und seiner langen Lebensdauer die Lithium-Ionen-Batterie (LIB).

Dieser Artikel befasst sich mit den Trends bei Elektrofahrzeugen, der entscheidenden Rolle von Batteriepaketen, den Feinheiten der LIB-Fertigung und der Frage, warum industrielle Bildverarbeitung und künstliche Intelligenz (KI) die Branche verändern werden.

Trends bei Elektrofahrzeugen und Lithium-Ionen-Batterien

Laut Grandview Research ist die zunehmende Verbreitung von Elektrofahrzeugen ein Katalysator für den bemerkenswerten Anstieg der weltweiten LIB-Produktion. Die Größe des weltweiten LIB-Marktes wurde im Jahr 2023 auf 54,4 Mrd. USD geschätzt und wird von 2024 bis 2030 voraussichtlich eine jährliche Wachstumsrate von 20,3 % verzeichnen.

Regierungen und Industrien auf der ganzen Welt räumen dem Übergang zu einem nachhaltigen und umweltfreundlichen Transportwesen Priorität ein, indem sie Anreize zur Unterstützung der Klimaziele schaffen, was zu einem Anstieg der Nachfrage nach Elektrofahrzeugen führt. LIBs haben sich als Eckpfeiler dieser automobilen Revolution erwiesen. Diese Batterien treiben Elektrofahrzeuge an und verleihen ihnen die nötige Reichweite und Leistung, um mit herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor konkurrieren zu können.

Die entscheidende Rolle von Batteriepaketen

Das Herzstück eines jeden Elektrofahrzeugs ist die Batterie - ein wesentlicher Bestandteil, der nicht nur die Leistung des Fahrzeugs, sondern auch seine Reichweite bestimmt. Jedes Akkupaket besteht aus Modulen, und diese Module basieren auf einzelnen Zellen, die den bekannten AA-Batterien sehr ähnlich sind.

LIBs sind der derzeitige Goldstandard für die Stromversorgung von Elektrofahrzeugen, und die Herstellung und Prüfung dieser Batterien ist von entscheidender Bedeutung. Wie im Tech Briefs EV Battery Innovation Special Report erläutert, werden in vielen LIBs zylindrische Zellen verwendet, da sie ausgereift und weniger teuer in der Herstellung sind. Seit 2008 sind die durchschnittlichen Kosten für ein LIB-Paket für Elektrofahrzeuge um 89 % gesunken, von 1.355 USD/Kilowattstunde (kWh) auf 153 USD /kWh im Jahr 2022, und es wird erwartet, dass sie bis 2026 noch weiter auf 100 USD /kWh sinken werden.

Zylindrische Zellen waren einer der ersten Typen von Lithiumbatterien, die in Massenproduktion hergestellt wurden. Sie bestehen aus Anoden-, Separator- und Kathodenplatten, die ineinander geschoben und aufgerollt werden. Diese Zellen eignen sich gut für die automatisierte Fertigung, und die Form erlaubt es der Zelle, einen höheren Innendruck ohne Verformung zu verkraften.

Diese Zellen werden in einem so genannten Clamshell-Gehäuse (einem muschelartigen Kunststoffgehäuse) untergebracht und ergeben ein Modul. Mehrere Module bilden dann das Batteriepaket, das ein Elektrofahrzeug antreibt. Für jedes Fahrzeug werden Hunderte bis Tausende von Batteriezellen benötigt, und das Batteriepaket ist ein entscheidender Faktor für das Gewicht und die Kosten des fertigen Fahrzeugs.

Alan Eddy ist Chief Technology Officer bei Tensor ID, einem Systemintegrator, der mit den größten Herstellern von Lithium-Ionen-Batterien und führenden Herstellern von Elektrofahrzeugen zusammenarbeitet. Er erklärt: „Bei der Inspektion von Batterien, die Elektrofahrzeuge antreiben, muss das Inspektionssystem mehrere Herausforderungen bewältigen, einschließlich einer gründlichen Inspektion jeder Batteriezelle auf Probleme wie Rost oder Beulen. Wenn eine einzige Zelle beschädigt ist, verkürzt sich die Lebensdauer des gesamten Batteriepakets.“

LIB-Fertigung und -Inspektion

Der Herstellungsprozess für LIBs umfasst komplexe Schritte, von der Beschaffung der Rohstoffe über den Zusammenbau der Zellen bis hin zur Verpackung des fertigen Batterie-Pakets. Eine detaillierte Qualitätskontrolle während dieses Prozesses ist entscheidend für die Effizienz und Sicherheit der Batterien.

Die Inspektion findet in verschiedenen Stadien der Batterieherstellung statt, unter anderem:

• während der Inspektion der Folien, die zur Herstellung der Elektroden (Kathoden und Anoden) verwendet werden
• während der Inspektion in verschiedenen Stadien der Montage
• während der Inspektion der fertigen Batteriezellen und -module

Die Qualitätskontrolle bei der Herstellung von Batterien stellt aufgrund der Schwankungen in der Produktion und der möglichen Auswirkungen von Defekten auf die Leistung und Sicherheit eine große Herausforderung dar. Die Identifizierung interner Defekte, insbesondere mikroskopisch kleiner Fehler, ist eine schwierige Aufgabe. Hier kommen die industrielle Bildverarbeitung und KI ins Spiel.

Im Zusammenhang mit der Batterieherstellung können Bildverarbeitungssysteme komplizierte Details mit unübertroffener Genauigkeit, Geschwindigkeit und Effizienz analysieren, was zu Batterie-Paketen mit bestmöglicher Leistung führt. Die Optimierung der Qualitätsprüfung erhöht die Lebensdauer der Batterie und ihre Fähigkeit, eine Ladung über längere Zeiträume zu halten.

Wenn ein Elektroauto ein 95-kWh-Batteriepaket enthält (wie bei einem Tesla Model S) und die Kosten pro kWh 150 US-Dollar betragen, trägt die Batterie allein 14.300 US-Dollar zu den Produktionskosten bei. Daher ist die Qualität der Batterien für die Hersteller von Elektrofahrzeugen ein entscheidender Faktor für die Garantiekosten, die Kundenzufriedenheit und den Ruf der Marke.

Bei Tensor ID entwickelt der Systemintegrator Bildverarbeitungssysteme für die Inspektion von fertigen Batteriezellen und -modulen, aber Bildverarbeitung kann in jedem Stadium der Inspektion eingesetzt werden, auch bei der Herstellung und Montage, wie Eddy erklärt: „Seit Jahren liefern wir Kameras mit Barcode-Lesegeräten für diese Inspektionen, aber es gibt noch viel mehr, was die industrielle Bildverarbeitung betrifft. Um zu automatisieren und effizienter zu werden, müssen die Batteriehersteller jedes Element des Inspektionsprozesses von Anfang bis Ende neu betrachten.“

Das Bildverarbeitungsinspektionssystem von Tensor ID verwendet Flächenkameras von Teledyne DALSA, um jede einzelne Batteriezelle zu prüfen, und zwar sowohl bei der vollständigen Montage als auch kurz vor dem Aufsetzen des Clamshell-Gehäuses. Die Batteriehersteller müssen dabei Probleme wie das Lesen des Barcodes, die Identifizierung von Rost und Dellen und die Bestimmung der Polarität beachten.

Die einzelnen Batteriezellen werden vom Lieferanten in Kartons geliefert und von einem Roboter zur Inspektion entnommen. Jede einzelne Batteriezelle muss inspiziert werden, bevor sie in das Clamshell-Modul eingesetzt wird, das Teil des Batterie-Pakets wird. Für die genaue Inspektion des Batteriestapels verwendet Tensor ID vier Kameras vom Typ Genie Nano von Teledyne DALSA, die so positioniert sind, dass sie ein Bild aufnehmen, das aus einem ganzen, knapp 1 Meter breiten Stapel zusammengesetzt wird.

Bei der Inspektion auf Roststellen wird eine KI-basierte Softwareplattform eingesetzt, um die Bilder zu klassifizieren. „KI hat bei der Inspektion von Batterien einen echten Wandel herbeigeführt. Rost ist aufgrund der glänzenden, reflektierenden Oberfläche der Batteriezellen besonders schwer zu erkennen“, sagt Eddy. Das System von Tensor ID trainiert das KI-Modell mit dem KI-Trainingstool Astrocyte von Teledyne DALSA, um den Unterschied zwischen Rost und anderen Anomalien, wie z. B. einem Fingerabdruck oder einem Staubfleck, zu erkennen. Das System ist dann in der Lage, Batteriezellen mit rostigen Stellen zu identifizieren und diese auszusortieren, da diese Erosion des Materials die Leistungsfähigkeit der Batterie beeinträchtigt.

Neben der Inspektion wird die KI auch eine wichtige Rolle bei der Optimierung der Batterieleistung spielen. KI-gesteuerte Algorithmen können große Datenmengen analysieren, um Batteriemanagementsysteme fein abzustimmen, die Effizienz zu verbessern und die Lebensdauer der Batterien zu verlängern. Intelligentes, KI-gesteuertes Laden ist ein weiterer Bereich, in dem die Technologie voraussichtlich einen erheblichen Einfluss auf die Verbraucher haben wird, indem sie den Ladevorgang für Fahrer von Elektroautos intelligenter und bequemer macht.

Vorteile der industriellen LIB-Inspektion:

Genauigkeit und Präzision

Einer der Hauptvorteile der Inspektion mit industriellen Bildverarbeitungssystemen ist ihre Genauigkeit, Präzision und die Fähigkeit, die höchsten Qualitätsstandards zu erfüllen. Herkömmliche Prüfverfahren können mikroskopisch kleine Fehler übersehen, die die Batterieleistung erheblich beeinträchtigen können. Bildverarbeitungssysteme in Verbindung mit künstlicher Intelligenz hingegen sind in der Lage, selbst kleinste Mängel zu erkennen, wie z. B. eine 130 Mikrometer kleine Delle, die etwa so breit ist wie ein menschliches Haar. Dies gewährleistet ein Höchstmaß an Genauigkeit und Präzision im Prüfprozess.

Effizienz und Geschwindigkeit

Die industrielle Bildverarbeitung verbessert nicht nur die Genauigkeit, sondern auch die Effizienz und Geschwindigkeit des Prüfprozesses. Automatisierte Systeme können große Mengen von Batterien schnell analysieren und so Produktionszeit und -kosten senken. Diese Effizienz kommt nicht nur den Herstellern zugute, sondern trägt auch zur allgemeinen Skalierbarkeit der Produktion von Elektrofahrzeugen bei.

Sicherheit und Zuverlässigkeit

Die Gewährleistung der Sicherheit und Zuverlässigkeit von Elektrofahrzeugen ist von größter Bedeutung. Die industrielle Bildverarbeitung spielt dabei eine entscheidende Rolle, indem sie potenzielle Defekte identifiziert, die die Integrität des Akku-Pakets beeinträchtigen und seine Fähigkeit zur vollständigen Aufladung einschränken könnten. Durch die Eliminierung minderwertiger Batterien, bevor sie zum Einsatz kommen, trägt die industrielle Bildverarbeitung zur allgemeinen Sicherheit von Elektrofahrzeugen bei und erhöht die Zuverlässigkeit ihrer Energiequellen.