Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB
AIMACC
Forschungsprojekt, »AIMACC - AI-Managed Adaptive Closed-Loop Formation Control«
Im Rahmen der Batteriezellfertigung ist die Formierung einer der größten Kostentreiber der Fertigungskosten aufgrund langer Prozesszeiten und kapitalintensiver Anlagen. In der Regel wird die Formierung in der Industrie bei geringen Stromraten durchgeführt, da wenig Prozessverständnis (vor allem für neue Zellmaterialien) über den maximalen Strom für die Formierung vorliegt. Daher kann der Formierprozess bis zu einem Tag andauern.
Um die hohen Fertigungskosten und den hohen Energieverbrauch durch die Formierung zu reduzieren, fokussiert das Forschungsvorhaben »AI-Managed Adaptive Closed-Loop Formation Control (AIMACC)« eine Optimierung des Formierprozesses. Dies erfolgt durch eine echtzeitfähige Stromregelung des Formierstroms mittels Simulations- und KI-Modellen auf Basis von 2D-Druck- und Temperatursensoren. Dies ist im aktuellen Stand der Technik bisher nicht umgesetzt worden, bietet jedoch enorme Vorteile in Bezug auf:
schnellere und detailliertere Prognosen der Zellqualität;
Beschleunigung des Formierprozessdesigns für neue Zellmaterialsysteme;
Verkürzung der Formierzeit zur Energie- und Kostenreduktion;
Verbesserung der Zellqualität.
Arbeitsplan
Das Projekt untergliedert sich in sechs Arbeitspakete:
AP1 startet mit der Durchführung von Benchmark-Formierungen, die als Referenz für die spätere Optimierung dienen. Zudem wird eine Anforderungsanalyse für die Projektinnovationen durchgeführt.
AP2 umfasst die Zellfertigung, das Testing und die Analytik der produzierten Batteriezellen.
In AP3 wird das Konzept für die neue 2D-Sensorik und die Closed-Loop-Schnittstelle erarbeitet, und die Hardware wird in die Formieranlagen integriert.
In AP4 werden Modelle und KI-Methoden entwickelt, um den Formierprozess zu optimieren.
In AP5 werden Optimierungsansätze samt Closed-Loop-Regelung auf verschiedene Zellformate angewendet.
AP6 umfasst die Tätigkeiten des Projektmanagements während der Projektlaufzeit.
Ergebnisverwertung
Die im Projekt erarbeiteten vorwettbewerblichen Forschungsergebnisse werden durch Beiträge auf Konferenzen und in Fachzeitschriften der Allgemeinheit der Batterieindustrie zugänglich gemacht. Dadurch wird ein Beitrag zur Stärkung Deutschlands als Forschungsstandort geleistet. Weiterhin werden die Resultate in Forschungsnetzwerken eingebracht und finden so weitere Verbreitung. Die Fraunhofer FFB ist Mitglied in den Netzwerken Allianz Batterie, SRIA, ELLB, LiPLANET, IPCEI und Allianz Big Data AI.
Aufbauend auf den Ergebnissen wird weiterhin Forschung in der Batterieproduktionstechnik betrieben, um die Kompetenzen weiter auszubauen. Für zukünftige Folgeprojekte sind unter anderem die entwickelten KI-Modelle, die Erkenntnisse zur Formierung sowie die entwickelte Kombination aus Sensorinfrastruktur und KI-Datenverarbeitung von großem Nutzen.
Darüber hinaus wird im Rahmen von »AIMACC« gezielte Nachwuchsförderung für Fachkräfte vorangetrieben, beispielsweise durch forschungsorientierte Masterausbildungen und Promotionen sowie hochschulinterne Projekt- und Abschlussarbeiten, die durch die Bearbeitung der Forschungsfragen des Projekts ermöglicht werden. Zudem können die wissenschaftlichen Ergebnisse auf verschiedenen Ebenen in der Lehre der Elektro- und Maschinenbaustudiengänge genutzt werden, insbesondere in den Fachrichtungen »Elektrochemische Energiespeichersysteme« und »Produktionstechnik«.
Die Ergebnisse werden in die Vorlesungen des Faches »Battery Production«, das von Dozent*innen der Fraunhofer FFB an der FH Münster gehalten wird, einfließen. Das Hochschulinstitut ISEA wird sicherstellen, dass wissenschaftliche und technische Erkenntnisse des Projekts in folgenden Bereichen genutzt werden:
(1) Veröffentlichung in wissenschaftlichen Publikationen, insbesondere in Artikeln und Promotionen
(2) Integration in die akademische Lehre, insbesondere durch Einbindung in Seminare und Praktika
Für deutsche Batteriezellhersteller wie Cellforce stellen Forschungsvorhaben wie »AIMACC« ein wichtiges Instrument dar, sich durch innovative datenbasierte Lösungsansätze im internationalen Wettbewerb zu differenzieren. Die Ergebnisse dieses Projekts sollen sowohl Kosten- (OPEX) als auch Qualitätsvorteile in der Produktion erzielen. Diese Effizienzsteigerungen sind im ersten Schritt für die im Bau befindliche Batteriezellfertigung in Baden-Württemberg hochrelevant und werden in weitere Skalierungsszenarien einfließen.