Optimierung der Batteriezellentests mit XTS- und EtherCAT-Technologie

Anwendungsbereich: Mechanische End-of-Line-Prüfung / Produkttransport
Industriesektor: Elektromobilität / Batterieproduktion

V4Smart, ein in Nördlingen ansässiges Joint Venture von Porsche und Varta, ist auf die Entwicklung, Materialforschung und skalierbare Produktion von Hochleistungs-Lithium-Ionen-Rundzellen spezialisiert. Bei der Fertigung von Zellen für anspruchsvolle Anwendungen – wie die Hybridantriebe des Porsche 911 Carrera GTS und Turbo S – benötigte das Unternehmen eine automatisierte End-of-Line-Testanlage, die eine Qualitätskontrolle mit hohem Durchsatz ermöglicht.

Die primäre technische Herausforderung bestand darin, die extreme Prozesskomplexität von über 30 Arbeits- und Prüfstationen pro Teilsystem zu bewältigen und gleichzeitig ein striktes Durchsatzziel von 80 geprüften Teilen pro Minute an der gesamten Anlage einzuhalten. Die Anlage musste kontinuierliche Prozesse, wie einen thermischen Heiztunnel, nahtlos mit hochsynchronisierten, zyklischen Prozessen wie optischen Inspektionen und Lasermarkierungen verknüpfen. Zudem war die physische Grundfläche stark begrenzt.

V4Smart und seine Entwicklungspartner – der Maschinenbau von Varta Microbattery, der Systemintegrator Nema Automation und Beckhoff – entschieden sich für die PC-basierte Steuerung und das eXtended Transport System (XTS) von Beckhoff. XTS wurde als einzige Lösung ausgewählt, die in der Lage ist, das präzise Produkthandling, die Geschwindigkeit und die Entkopplung der Maschinengänge zu liefern, die zur Erfüllung dieser Leistungsparameter erforderlich sind. Während des gesamten Projekts unterstützten die Vertriebs- und Engineering-Teams von Beckhoff die Partner von der Designphase bis zur Inbetriebnahme mit einem engen, lösungsorientierten Engineering und halfen Nema Automation bei der Umsetzung der gesamten Steuerungssystemarchitektur.

Technische Komplexität und verteilte Topologie
Die gesamte Testanlage besteht aus zwei gespiegelten, symmetrischen Abschnitten, die jeweils etwa 15 Meter lang und 3 Meter breit sind. Jedes Teilsystem arbeitet unabhängig und verarbeitet 40 Teile pro Minute, was eine Gesamtanlagenleistung von 80 Teilen pro Minute bei einer strikten Ziel-Ausschussrate von unter 1 % gewährleistet.

Um das hohe Aufkommen an Betriebsdaten zu bewältigen, umfasst die Systemarchitektur ca. 1.000 E/A-Punkte pro Abschnitt. Die Hälfte dieser Datenpunkte wird über dezentrale, maschinenmontierbare EtherCAT-Box-Module erfasst, während die verbleibende Hälfte über Standard-EtherCAT-Klemmen geleitet wird, die auf 26 separate Schaltschränke verteilt sind. Die Hochgeschwindigkeitskommunikation wird über den Industrial-Ethernet-Standard EtherCAT realisiert. Das System nutzt eine präzise Netzwerktopologie mit einer zentralen Sternkonfiguration, von der aus alle anderen Netzwerkteilnehmer über lineare Stichleitungen eingebunden sind, um die Effizienz der Datenübertragung über das gesamte Großanlagen-Layout zu optimieren.



Mit dem XTS können die Batteriezellen problemlos durch den Heiztunnel zum Aufbringen des Schrumpfschlauchs transportiert werden – geschützt durch eine eigene Sicherheitszone, die eine zu lange Verweilzeit verhindert.

Inline-Prozessstationen und Messtechnik
Während sich die Batteriezellen durch das System bewegen, durchlaufen sie mehr als 30 dedizierte Stationen. Dazu gehören rund 20 optische Inspektionseinheiten, Reinigungsstationen und mechanische Montagebereiche. Den Ablauf der mechanischen und Oberflächenprüfungen detailliert Felix Eitel, Teamleiter Elektrokonstruktion/Steuerungstechnik bei Varta Microbattery:

„Die Batteriezelle wird auf eine Vielzahl von mechanischen Eigenschaften geprüft. Das Gehäuse wird auf Kratzer, Dellen sowie Wasser- oder Elektrolytflecken untersucht. Gleiches gilt für den Zellendeckel und den Zellenboden, wobei die Batteriezelle zusätzlich gedreht wird. Anschließend wird die Bodenisolation aufgebracht und deren korrekter Sitz überprüft. Es folgt das thermische Aufbringen des Schrumpfschlauchs inklusive Prüfung auf korrekte Länge, vollständige Abdeckung und etwaige Beschädigungen. Schließlich wird jede Batteriezelle mit einem UV-Laser markiert, das Druckbild per Kamera kontrolliert und die Zelle durch einen Delta-Roboter entnommen.“

Entkoppelter Produkttransport via XTS
Das Kernstück des Materialhandlings besteht aus zwei 28,5 Meter langen, umlaufenden XTS-Strecken. Jedes Teilsystem nutzt mehr als 100 XTS-Motormodule und 100 einzelne Mover. Andreas Hütter, CTO von Nema Automation, unterstreicht die technische Notwendigkeit des Systems:

„Die Entkopplung des Produkttransports vom Maschinengang ist hier entscheidend. Schließlich umfasst die Anlage eine Vielzahl unterschiedlichster Bearbeitungsstationen – teils parallelisiert, teils als Einzelstation – sowie den Heiztunnel als kontinuierlichen Prozess, der mit den zyklischen Abläufen synchronisiert werden muss. Dies erfordert das hohe Maß an Flexibilität, das das XTS bietet. Zudem ist der verfügbare Platz für die Anlage begrenzt, und das XTS ermöglicht ein sehr kompaktes Maschinenlayout. Eine konventionell konzipierte Anlage wäre mindestens ein Drittel größer ausgefallen.“

Eine zentrale Herausforderung war die Integration des 2 Meter langen thermischen Heiztunnels, der zum Aushärten der Schrumpfschläuche dient. Die Mover durchfahren diese Zone mit einer konstanten Geschwindigkeit von 60 mm/s. Im Falle einer Störung in einem vorgelagerten Prozess müssen die Zellen im Tunnel diesen sofort verlassen, um thermische Schäden durch Überhitzung zu vermeiden. Durch die Nutzung der XTS-Architektur teilten die Ingenieure die Strecke mithilfe eines zusätzlichen Einspeisemoduls in zwei unabhängige Sicherheitszonen auf. Diese Konfiguration ermöglicht es, den vorderen Teil der Maschine für Wartungsarbeiten anzuhalten, während die Mover im Heiztunnel ununterbrochen weiterfahren, um die Heizzone sicher freizumachen.



Trotz der Komplexität lässt sich die Anlage auf dem Beckhoff Multi-touch-Control-Panel mit Tastererweiterung übersichtlich darstellen und komfortabel bedienen.

Kinematik, Synchronisation und Steuerungsarchitektur
Die auf den XTS-Movern montierten Werkstückträger verfügen über eine spezielle, drehbare Aufnahme. An 13 spezifischen Stationen pro Teilsystem – darunter die optische Inspektion, die Reinigung und die Heizzonen – muss sich die Batteriezelle drehen. Diese Rotation wird über eine Magnetkupplung von einem Servomotor AM8000 angetrieben, der an ein Multiachs-Servosystem AX8000 angeschlossen ist. Verkabelungsaufwand, Platzbedarf und Wartungsaufwand wurden durch den Einsatz der Einkabeltechnologie (OCT) für die Servomotoren minimiert.

Für das Be- und Entladen des Materials sind zwei Pick-and-Place-Delta-Roboter am Anfang und am Ende der Prozesskette positioniert. Die Kinematik für diese Delta-Roboter wird direkt auf der zentralen Beckhoff Maschinensteuerung via TwinCAT 3 Kinematic Transformation berechnet, während die Bahnplanung über TwinCAT 3 Motion Pick-and-Place erfolgt. Systemvisualisierung, Diagnose und Bedienersteuerung sind auf einen zweiten, dedizierten Steuerungsrechner mit TwinCAT HMI ausgelagert, der an drei Multi-touch-Control-Panels von Beckhoff angebunden ist.

Bearbeitet von Romila DSilva, Redakteurin bei Induportals, mit Unterstützung von KI.