Permettre une production ambitieuse de batteries à grande échelle

L'industrie des batteries devrait décupler d'ici la fin de la décennie. Cette croissance est tirée par la demande croissante de batteries au lithium-ion (Li-ion), principalement pour le transport électrifié et le stockage de l'énergie. La forte demande du marché et les politiques gouvernementales de plus en plus favorables de nombreux pays créent une concurrence féroce entre les start-ups, les coentreprises et les opérateurs historiques pour déterminer les leaders du marché. Les nouveaux entrants et les fournisseurs établis sont confrontés à bon nombre des mêmes défis, à savoir comment réduire le temps de mise à l'échelle, réduire les taux de rebut et maximiser le débit tout en respectant les objectifs de coût, de qualité et de durabilité. Les pratiques de fabrication traditionnelles ne peuvent pas répondre à ces ambitions.

Au contraire, les entreprises qui cherchent à augmenter leur production de batteries de manière rentable et à occuper une position de leader sur le marché ont besoin d'un cadre d'entreprise numérique pour la fabrication où le jumeau numérique de la production est connecté aux opérations réelles de l'usine via des technologies d'automatisation et des appareils compatibles avec l'IoT industriel (IIoT). Cela permet la conception et l'optimisation virtuelles de la chaîne de production et la validation des processus de production avant la mise en œuvre dans l'usine, réduisant ainsi les risques d'investissement et raccourcissant le délai de mise à l'échelle.

La connexion du cadre numérique avec le matériel et les logiciels d'automatisation et l'IdO industriel facilite une intégration de bout en bout de la production. Cela fournit des informations d'exécution sur la production à grande échelle et un cadre basé sur les données pour améliorer en permanence le débit de production tout en équilibrant la durabilité des processus et la rentabilité à long terme.

Des exemples de ces dernières années ont montré qu'il peut falloir sept ans ou plus aux entreprises pour passer des annonces de gigafactory à une production stable à grande échelle. Cette longue période d'augmentation de la production est un défi important sur ce marché des batteries en évolution rapide. L'objectif du développement virtuel de la fabrication est d'accélérer la conception, la construction et l'aménagement de votre usine grâce à une ingénierie connectée et multidisciplinaire. À partir de là, les entreprises peuvent créer une version virtuelle fiable de leurs processus, lignes et usines pour mettre en service des processus de production de manière itérative sans les coûts et les risques de le faire dans le monde réel. De plus, l'exploitation des simulations, de l'ingénierie cellulaire et de l'optimisation peut être considérablement accélérée.

Grâce aux simulations, les ingénieurs peuvent évaluer avec précision l'impact de diverses chimies sur les performances, la sécurité et le vieillissement des cellules, ainsi qu'optimiser la conception des cellules pour maximiser la densité d'énergie et la charge rapide. Ils peuvent valider virtuellement les conceptions et les comportements des cellules par rapport aux exigences du pack et aux exigences du système final en tirant parti des jumeaux numériques. Cela libère les entreprises d'une approche coûteuse et fastidieuse des tests uniquement. Nous assistons à une accélération de 2 à 3 fois dans la conception et l'ingénierie des batteries, alors que les entreprises adoptent notre cadre de jumeau numérique. Avec une dorsale PLM robuste, les jumeaux numériques du produit, de la production et de l'usine restent connectés, permettant ainsi aux entreprises de tenir compte des interdépendances et des effets du changement tout au long du cycle de vie.

Un jumeau numérique du produit et de la production de batteries devient un besoin clé pour l'industrie des batteries compte tenu de l'évolution rapide de la chimie des matériaux, de la conception des cellules et des techniques de fabrication. Conquérir une position de leader dans une industrie en mutation nécessite de l'agilité, et ces changements doivent être vérifiés rapidement pour conserver une utilisation optimale de l'énergie et des matières premières.

L'un de nos clients exploite le cadre du jumeau numérique de Siemens pour accélérer l'ingénierie et l'optimisation des cellules et mettre en service virtuellement des lignes de production pour une mise à l'échelle de la fabrication à grande échelle à partir des processus de production en laboratoire. L'adoption de ce cadre leur a permis de raccourcir le temps nécessaire aux cellules de batterie pour passer du laboratoire à la production à grande échelle tout en répondant aux objectifs de durabilité et à leurs propres exigences uniques.

L'un des plus grands défis pour la production à grande échelle est le taux de rebut très élevé. Nous avons constaté que le taux de rebut était de 40 % ou plus au début de la production de cellules, tout en restant dans la plupart des cas juste en dessous de 10 % lorsque la capacité de production à pleine vitesse est atteinte quelques années après le début de la production. Ces niveaux sont des goulots d'étranglement majeurs pour réduire les coûts de production.

Pour réduire le taux de rebut tout en respectant les objectifs de qualité pour la fabrication de cellules Li-ion, vous avez besoin d'informations sur l'exécution au niveau de l'usine. Le matériel et les logiciels intégrés pour un processus de production de bout en bout sont essentiels pour améliorer la production de cellules. Il permet la continuité numérique des plans de processus validés virtuellement à l'exécution de la production sans papier. Le logiciel d'exécution de la fabrication, connecté au matériel d'automatisation via une couche SCADA, permet aux équipes de fabrication d'orchestrer facilement la production à grande échelle et d'appliquer les pratiques de production souhaitées. Cela est possible grâce à l'intégration de l'informatique et de l'OT qui permet le traçage, le suivi et l'intégration des machines pour identifier et atténuer rapidement les problèmes.

La facilité de partage des données au sein d'une usine et du réseau de fournisseurs permet également une planification efficace à une échelle beaucoup plus grande qu'auparavant. Les entreprises peuvent créer une logistique intra-usine plus efficace et sécuriser les chaînes d'approvisionnement pour garantir la provenance des matériaux ou les impacts environnementaux associés à chaque étape de la fabrication. Un processus de fabrication plus connecté réduit la complexité tout en augmentant la flexibilité en standardisant verticalement et horizontalement. Cela a été inestimable pour un autre de nos clients avec l'ambition de devenir un leader européen des cellules et modules de batterie EV.

La production de cellules Li-ion consiste en diverses étapes de fabrication, chacune d'entre elles ayant un degré variable de temps, d'énergie et de capital associé qui leur est associé. Certaines de ces étapes, par exemple la formation des cellules et les étapes de vieillissement, peuvent prendre 10 jours ou plus. Cela crée des goulots d'étranglement importants, affectant le débit de production. Les étapes de fabrication telles que le séchage des électrodes ou le mélange des encres doivent être optimisées pour réduire la consommation d'énergie sans affecter la qualité.

De plus, la production de cellules est un processus très énergivore qui peut consommer jusqu'à 40 unités d'énergie pour produire une unité d'énergie de batterie. Cela oblige les entreprises à optimiser la consommation d'énergie dans leurs usines afin de minimiser leur empreinte carbone. Pour résoudre ces problèmes, les fabricants de batteries peuvent améliorer l'utilisation des données des machines et de l'usine, qui ne sont pas bien utilisées dans la configuration de production de batteries traditionnelle, afin d'apporter l'intelligence nécessaire à la production de batteries et au fonctionnement de l'usine.

La connexion de l'IdO industriel et des technologies d'automatisation au système d'exécution de la fabrication et au jumeau numérique de la production est la clé de la fabrication basée sur les données. La fabrication de cellules Li-ion est un processus très complexe qui implique environ 600 caractéristiques de processus, telles que divers paramètres de machine.

Compte tenu de la quantité de données et de l'interdépendance compliquée des différentes étapes de fabrication dans un processus de production cellulaire typique, l'IA est nécessaire pour comprendre l'intercorrélation entre les différentes étapes et apprendre des partenaires produit/processus. Les cas d'utilisation typiques impliquent, sans s'y limiter, le contrôle qualité en ligne, la vision par ordinateur pour mesurer la viscosité de la suspension et les défauts de revêtement, mais également la prédiction du comportement des cellules pendant le processus de vieillissement. Les plates-formes de données avec des modèles de données standardisés sont essentielles pour rapprocher l'informatique et l'OT et permettre la collecte de données à partir des machines et de l'usine de manière transparente.

De plus, l'IdO industriel et le fonctionnement basé sur les données permettent aux entreprises de suivre la consommation d'énergie et d'optimiser le fonctionnement de l'usine afin de réduire leur empreinte carbone. Les temps d'arrêt pendant le fonctionnement de l'usine peuvent également être réduits grâce à la maintenance prédictive des machines, améliorant ainsi le débit de production global.

Trouver les positions de leader du marché dans l'industrie des batteries en pleine expansion signifie adopter des pratiques de fabrication intelligentes. Cela signifie se déplacer vers la gauche pour simuler et valider avant le début des opérations, réduire le temps de propagation des modifications techniques et permettre une chaîne d'approvisionnement résiliente. Avec des solutions matérielles et logicielles intégrées apportant des informations d'exécution pour la production de bout en bout, il est possible de réduire le taux de rebut et d'améliorer la qualité.

Étant donné que le coût de fabrication représente environ 25 % du coût des cellules, une réduction plus rapide du taux de rebut tout en améliorant la qualité et le débit de production est essentielle pour l'ambition de l'industrie des batteries de multiplier par 10 la capacité de production de manière rentable dans les années à venir. Et pour faire tout cela de manière durable et rentable à long terme, les entreprises doivent minimiser leur consommation d'énergie, limiter l'empreinte carbone globale, maintenir une visibilité sur l'ensemble de la production et prévoir les problèmes avant qu'ils ne surviennent.

La numérisation peut être une entreprise décourageante, mais l'expertise de Siemens en matière de fabrication ainsi que nos investissements en croissance rapide dans les batteries sont à la disposition de tout client souhaitant se lancer dans l'avenir de la production.

Cet article a été rédigé par Puneet Sinha, directeur principal de l'industrie des batteries pour Siemens Digital Industries Software (Plano, TX). Pour plus d'informations, rendez-vous ici.

Cet article est paru pour la première fois dans le numéro de juin 2023 de Battery & Electrification Technology Magazine.

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