Regelbare Beschichtungseinheit für die flexible Beschichtung von Batterieelektroden

Die Erfordernisse für den Beschichtungsprozess ergeben sich aus der angestrebten Flächenkapazität der Batterieelektrode. Ein spezifischer Volumenstrom (q) lässt sich durch die Bahngeschwindigkeit (uWeb) und das Flächengewicht der Elektrode im trockenen bzw. nassen Zustand korrelieren. Durch die Anpassung geeigneter Prozessbedingungen mittels Regelung sollen die Zielgrößen für den geforderten Volumenstrom in den optimalen Zustand überführt werden. Bei der Beurteilung der Beschichtungsqualität spielen insbesondere die Geometrie des Nassfilms, darunter Nassfilmhöhe (hWet), Nassfilmbreite (bWet) und die Homogenität des Nassfilmhöhenprofils (insbesondere im Randbereich), eine entscheidende Rolle. Es gilt außerdem, Oberflächendefekte zu vermeiden. Diese Qualitätsmerkmale können im Prozess gezielt durch die Einstellparameter Spaltabstand (hGap) und Anstellwinkel (α) beeinflusst werden. Die relevanten Steuer- und Zielgrößen sind in einer Seitenansicht in Abbildung 1 [1] dargestellt.

Die Bahngeschwindigkeit soll einen Bereich von 0,25 bis 60 m/min abdecken und somit direkt die Produktivität der Anlage beeinflussen. Der Spaltabstand zwischen Schlitzdüse und Substrat resultiert aus der geforderten Nassfilmhöhe, der Auslassbreite der Schlitzdüse und dem Volumenstrom. Dieser Spaltabstand, der im Bereich von 100 bis 600 µm betrachtet wird, ist entscheidend für die Stabilität der Beschichtung. Zusätzlich soll die Variation des Anstellwinkels für die Feinoptimierung der Beschichtung, insbesondere in den Randbereichen, genutzt werden.

Konzeptionelle Gestaltung:
Die Umsetzung der genannten Freiheitsgrade erfolgt durch das entwickelte Konzept, wie schematisch in Abbildung 2 dargestellt.

Die Ausgangsbasis für den Demonstrator bildet der Aufbau eines Beschichtungsprüfstandes im Labormaßstab. Die Schlitzdüse ist auf einem verfahrbaren Schlitten positioniert, wodurch der Abstand zur Beschichtungswalze eingestellt werden kann. Die Schlitzdüse ist in der 8-Uhr-Position platziert und kann rotiert werden, um den Anstellwinkel des Spalts anzupassen (siehe Abbildung 1). Das Ergebnis der Beschichtung wird auf der Walze, am oberen Scheitelpunkt dargestellt, durch Profilsensoren und eine Zeilenkamera erfasst. Um weiterhin den bestehenden manuellen Prozess als Referenz nutzen zu können, wird neben der im Projekt umzusetzenden automatisierten Regelung auch zukünftig eine manuelle Einstellmöglichkeit analog zum aktuellen Stand ermöglicht. So kann auch die bereits vorhandene Datengrundlage aus vorherigen Projekten an der Anlage berücksichtigt werden. Die Einstellung des Anstellwinkels erfolgt durch die Rotation der Grundplatte, auf der die Schlitzdüse befestigt ist. Die Umsetzung wurde dabei so gewählt, dass die Einstellung von Spaltabstand und Anstellwinkel unabhängig voneinander erfolgen kann.

Die Einstellung des Spaltabstandes erfolgt durch lineare Bewegung der Schlitzdüse vor und zurück. In Versuchen wurde eine minimale Genauigkeit des Spaltabstands von 15 µm identifiziert. Mit dieser Genauigkeit wird im betrachteten Parameterraum die angestrebte Reduktion der Schwankung der Zielgrößen für die Beschichtung auf unter 1,5 % erreicht.

Zur Messung des Spaltabstands zwischen Schlitzdüse und Walze werden beidseitig der Schlitzdüse konfokale Punktsensoren angebracht. Durch die Messung des tatsächlichen Spaltabstands wird dieser durch einen geschlossenen Regelkreis überwacht. Wichtige Anforderungen sind eine Auflösung von 1 µm und ein Präzisions-Messbereich von mindestens 500 µm, welcher dem abzudeckenden Bereich der Nassfilmhöhe entspricht. Die Sensoren werden zusätzlich zur Überwachung des Spaltabstands genutzt, um einen Mindestabstand der Schlitzdüse zur Walze sicherzustellen und so eine Kollision zu vermeiden.

Erfassung der Beschichtungsqualität:
Zur Regelung des Beschichtungsprozesses ist die Kenntnis der relevanten Qualitätskenngrößen (Geometrie des Nassfilms, Oberflächendefekte) erforderlich. Geeignete inlinefähige Messtechnik wurde zur Erfassung integriert.

Zur Erfassung von Oberflächendefekten wird eine Zeilenkamera in Kombination mit einer Linienbeleuchtung verwendet. Diese Messtechnik bietet die notwendige Abtastrate, um Defekte ab einer Größe von 200 µm zuverlässig zu detektieren, insbesondere bei spiegelnder Oberfläche. Die Integration erfolgt so, dass die Kamera die Spiegelung einer projizierten Linie aufnehmen kann. Die Deflektometrie ermöglicht die Sichtbarkeit auch kleiner Defekte der Oberfläche durch deutliche Helligkeitsänderungen. Die simultane Aufnahme unter verschiedenen Belichtungseinstellungen (siehe Abbildung 3) ermöglicht die Detektion unterschiedlichster Effekte im Nassfilm. Gleichzeitig kann die Zeilenkamera zur Erfassung der Nassfilmbreite (bWet) eingesetzt werden.

Zur Erfassung der Nassfilmgeometrie (Nassfilmhöhe und Profil im Randbereich) kommen verschiedene Messtechniken in Frage. Zur Auswahl des anwendungsspezifisch geeignetsten Messverfahrens wurden als Ausschlusskriterien die Notwendigkeit der Inlinefähigkeit sowie des berührungslosen Messens festgelegt. Anschließend wurden Anforderungen des Messverfahrens an das Messobjekt und die Messumgebung bewertet, wobei Kriterien wie Auflösung, Messfrequenz, Kosten und Bauraum einbezogen wurden. Zudem wurde die Eignung der Messverfahren für den Prozess abgeschätzt. Als geeigneten Kompromiss konnten dabei das 2D-Lichtschnittverfahren (Lasertriangulation) und das chromatisch-konfokale Messverfahren identifiziert werden.

Mit diesen Verfahren wurden in einem zweiten Schritt mögliche Integrationsoptionen (I) erarbeitet. Die Optionen unterscheiden sich in Anzahl, Anordnung, Integration und Ausführung der jeweils benötigten Sensoren (siehe Bild 4, Lasertriangulationssensoren sind blau und mit breitem Messbereich dargestellt; konfokale Sensoren sind rot und mit fokussiertem Messbereich dargestellt).

In den bestehenden Aufbau implementiert wurden für den Zweck der Erfassung des Nassfilmprofils zwei stationäre Lichtschnittsensoren, welche über die Breite flexibel positioniert werden können. So können die Optionen I5 und I8 abgebildet werden. Weiter wird die Option eines traversierenden chromatisch-konfokalen Sensorkopfes geprüft, welcher keine kontinuierliche Aufnahme des vollständigen Randprofils erlaubt, jedoch eine höhere Auflösung bietet. Hier ist abzuwägen, welche Lösung für den In-Line betrieb zielführender ist.
Nachfolgend wurden für diese favorisierten Integrationsoptionen vier geeignete Sensortypen von drei verschiedenen Sensorherstellern betrachtet und unter Laborbedingungen und anschließend an der Versuchsanlage getestet. Die Messungen unter Laborbedingungen erfolgten hierbei mit getrockneten und kalandrierten Anodenstücken mit Dicken von 151 µm. Die Messungen an der Versuchsanlage erfolgten bei einer Nassfilmhöhe von 150 µm. Anhand dieser Untersuchungen konnten drei Sensortypen aufgrund unzureichender Genauigkeit im benötigten Mess- und kHz-Bereich ausgeschlossen und nur ein Sensortyp als geeignet identifiziert werden.

Regelung
Die KI-basierte Regelung besteht aus drei Schritten. Zunächst müssen die Features, also die für die Regelung relevanten individuellen Merkmale der Beschichtung, aus den gesammelten Rohdaten extrahiert werden. Als Rohdaten stehen die Bilder der Zeilenkamera und die Beschichtungsprofile des Lasersensors zur Verfügung. Aus den Profilen der Beschichtung werden die Randüberhöhung, die Höhe der Beschichtung im stabilen Bereich und die Randbreite erhalten, wie in Bild 5 gezeigt. Die Bilder der Kamera liefern Informationen über Defekte in der Beschichtung, wie Löcher und Wellen.

In einem zweiten Schritt werden die extrahierten Features interpretiert. Ist eine Regelung notwendig, werden die Features zusammen mit den aktuellen Betriebsparametern als Eingangsgrößen für das Reglermodell verwendet, um die notwendige Anpassung zu berechnen. Dazu kann auf eine Basis aus physikalischen Gegebenheiten, Expertenwissen sowie die Erkenntnisse aus verschiedenen Versuchen zurückgegriffen werden. Mithilfe der Daten aus über 500 Versuchen wurde ein Modell zur Vorhersage der Eigenschaften von Beschichtung entwickelt. Das Ziel ist es, für einen gegebenen Satz von Eingangsparametern die Qualität der Beschichtung (Defektfreiheit sowie geringe Soll-Ist-Abweichungen von Nassfilmhöhe und Randüberhöhung) zu bestimmen. Für die Vorhersage der Qualität wird eine Support-Vector-Machine, aufgebaut mit einem RBF-Kernel, verwendet. Dadurch konnten bereits im ersten Anlauf 91 % der Fälle korrekt vorhergesagt werden. Parallel dazu wurde ein lineares Regressionsmodell trainiert, um mittlere Nassfilmhöhe sowie die Randüberhöhung vorherzusagen wodurch ein Mean Absolute Percentage Error von 3% erzielt werden konnte.

Während den ersten Tests mit dem Regler hat sich gezeigt, dass es notwendig ist, die Vorhersagemodelle um eine iterative Komponente zu erweitern. Denn auch im stabilen Betrieb kann die Abweichung zwischen Vorhersage und Realität zu groß ausfallen, um den Vorgaben zu entsprechen. Ein Grund hierfür kann z.B. sein, dass die Anlage in einem Bereich betrieben wird, der in den Trainingsdaten für das Model unterrepräsentiert ist und die Vorhersage des Modells dadurch nicht so genau wie in anderen Bereichen ist. An dieser Stelle kommt die iterative Komponente ins Spiel, die den Prozessparameter so anpasst, dass er den Anforderungen entspricht.

Um den Regler überwachen zu können und die Interaktion des Benutzers mit dem Regler zu vereinfachen, wurde auch ein User Interface entwickelt. Dieses läuft, zusammen mit dem Regler in einer isolierten Laufzeitumgebung, was das Deployment vereinfacht.

[1] Entwicklung einer autonomen Elektrodenbeschichtung, http://dx.doi.org/10.1515/zwf-2022-1128