Methodik zur Gestaltung des Wiederanlaufs der Lithium-Ionen-Batteriezellproduktion

Kehrer, Mario Marcel; Kampker, Achim; Heimes, Heiner Hans

doi:HT030636359

Methodik zur Gestaltung des Wiederanlaufs der Lithium-Ionen-Batteriezellproduktion = Methodology for designing re-ramp-up in lithium-ion battery cell production

Kehrer, Mario Marcel^RWTH*

2023 & 2024

VerantwortlichkeitsangabeMario Kehrer

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-98555-192-7

ReiheErgebnisse aus der Elektromobilproduktion ; 27

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Druckausgabe: 2023. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2024

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Kampker, Achim (Thesis advisor)^RWTH* ; Heimes, Heiner Hans (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-11-03

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-11902
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/975217/files/975217.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Production Engineering of E-Mobility Components (420910)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Seit einigen Jahren befindet sich die Automobilindustrie in einem disruptiven Wandel hin zur Elektromobilität, bei der die Fahrzeuge mit gespeicherter Energie aus Lithium-Ionen-Batteriezellen versorgt werden. Der Bedarf an Batteriezellen steigt mit der Anzahl produzierter Fahrzeuge. Gleichzeitig wird die Batterietechnologie weiterentwickelt, sodass die Fertigung adaptierbar sein muss. Während der Produktion von Batteriezellen mit neuer Zellchemie oder neuem Zellformat fällt insbesondere beim Wiederanfahren der Fertigungslinie nach Unterbrechungen aufgrund einer nicht kontinuierlichen Prozessführung oder eines Produktwechsels Ausschuss an. Daraus leiten sich der Handlungsbedarf und die Zielsetzung zur Reduktion des Ausschusses beim Wiederanlauf der Produktion von aktuellen und zukünftigen Lithium-Ionen-Batteriezellen ab. Die Untersuchung der Literatur auf bestehende Lösungsansätze zeigt, dass keine vollständige Lösung in den Handlungsfeldern der Anlauforganisation, der Prozessqualität und der Prozessgestaltung vorliegt. Aus diesem Grund wird eine Methodik zur Gestaltung des Wiederanlaufs der Lithium-Ionen-Batteriezellproduktion in drei Modulen erarbeitet. Im ersten Modul werden die Prozesskette der vorliegenden Fertigungslinie aufgenommen sowie Produktspezifikationen untersucht und damit die Qualitätsmerkmale der Batteriezelle definiert. Im zweiten Modul werden die Wirkzusammenhänge zwischen den Stellgrößen als Prozessparameter und den Spezifikationen als Qualitätsmerkmale mit Wirknetzen analysiert. Für die einzelnen Prozessschritte und den Prozessverbund werden das Anlaufverhalten und die resultierende Produktivität in Produktionsleistungsgraphen untersucht. Dabei wird als Zielsetzung des Wiederanlaufs formuliert, die Wiederanlaufzeit und die Produktionsqualität zu verbessern. Als Analyseergebnis werden aus den Wirkzusammenhängen Qualitätskennfelder und aus den Produktionsleistungsgraphen Hochlaufkurven modelliert. Mit einer im Rahmen dieser Methodik entwickelten Isolinienwanderung in den Qualitätskennfeldern werden die Hochlaufkurven optimiert. Das letzte Modul dient der Überführung des Wiederanlaufmodells in einen Programmcode und der anschließenden Überprüfung des Optimierungsergebnisses. Abschließend wird die Methodik in der Praxis an einer Batteriezellproduktion validiert.

For several years the automotive industry has been undergoing a disruptive shift towards electromobility where vehicles are powered by stored energy from lithium-ion battery cells. The demand for battery cells is increasing with the number of vehicles produced. At the same time battery technology is evolving and therefore manufacturing processes must be adaptable. During the production of battery cells of new cell chemistries or cell formats, scrap accumulates, especially when the production line is restarted after interruptions due to non-continuous manufacturing processes or a product change. For this reason there is action required and the objective for reducing rejects during the re-ramp-up of production of current and future lithium-ion battery cells is derived. For this purpose, the literature is examined for existing solution approaches, whereby no complete solution is available in the fields of action of start-up organisation, process quality and process design. For this reason, a methodology for planning re-ramp-up in lithium-ion battery cell production is developed in three modules. In the first module, the process chain of the existing production line is identified and product specifications are investigated for defining the quality characteristic of the battery cell. In the second module, the interdependencies between the control variables as process parameters and the specifications as quality characteristics are analysed with causal charts. For the individual process steps and the process chain, the start-up behaviour and the resulting productivity are examined in production performance graphs. The objective of the restart is to improve the re-ramp-up time and the production quality. As a result of the analysis, quality maps are modelled from the interdependencies and re-ramp-up curves from the production performance graphs. The re-ramp-up curves are optimised with an isoline migration in the quality maps developed within this methodology. The final module serves to transfer the re-ramp-up model into a programme code and to subsequently check the optimisation result. Finally, the methodology is validated on a battery cell production line.

OpenAccess:
PDF
(additional files)