Traceability in Battery Production Systems
It is our undeniable responsibility to address the impact of greenhouse gases on our environment. Reducing greenhouse gas emissions in industrial practices and societal behavior is crucial in addressing the resulting environmental challenges. Energy storage systems, including batteries, are emerging as a crucial technology in various sectors such as energy storage and transportation. However, the high cost of materials, relatively lower production yields, and energyintensive processes, coupled with a lack of understanding of existing interrelationships in battery manufacturing, result in high costs, environmental impact, and inconsistent product and process quality. To manage this complexity, along with multi-stakeholder involvement, improved transparency is necessary. Traceability is a crucial technology, not only for supply chain purposes but also as a central aspect of a comprehensive quality management system. Implementing a traceability system throughout a value chain requires cross-functional coordination, which can pose challenges for traditional operating models. It is important to consider various technology applications and options. A literature review uncovered a deficiency in comprehending the current definitions and principles of traceability, particularly within the battery cell production system. This limitation hinders the implementation of such a system, necessitating the identification of appropriate technologies to address existing challenges and demonstrate their effectiveness. The framework presented in this book is based on the concept of a CPPS and includes four transition modules to ensure consistent traceability. It can contribute to future data-driven approaches for intelligent production systems. The framework covers both upstream tracking and downstream tracing of information and objects. Furthermore, this work primarily addresses the gate-to-gate perspective by focusing on internal traceability within the manufacturing system of battery cell production. The developed framework was prototypically implemented in the facilities of the Battery Lab- Factory Braunschweig. A conducted stakeholder analysis resulted in three scenarios of application with varying traceability system granularities. From a production manager's perspective, a prototype system was implemented to automate the allocation of production and product data. The system ensures accuracy and efficiency in production data management. An energy manager's perspective was incorporated into this system, resulting in a robust traceability system capable of detecting and handling errors through a semantic model layer. Finally, a data analyst's perspective was included in a third application scenario by implementing a traceability system that supplies comprehensive data on electrode sheet levels for modeling purposes.
Durch die anhaltende Emission von Treibhausgasen tragen wir zur Verschärfung von Umweltproblemen bei. In den letzten Jahrzehnten hat dies zu signifikanten Veränderungen in industriellen Prozessen und unserem alltäglichen Verhalten geführt. Eine Schlüsselrolle spielen hierbei Energiespeichersysteme wie beispielsweise Batterien. Jedoch verursachen teure Materialien, niedrige Produktionserträge, energieintensive Prozesse und mangelndes Verständnis der Wirkungszusammenhänge entlang der Batteriezellproduktion hohe Kosten, Umweltbelastungen und unerwünschte Qualitätsschwankungen. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, bedarf es einer verbesserten Transparenz unter Einbeziehung mehrere Interessengruppen. Hier spielt Traceability als entscheidender Bestandteil eines umfassenden Qualitätsmanagementsystems eine zentrale Rolle. Die Umsetzung eines Traceability-Systems entlang einer Wertschöpfungskette erfordert eine funktionsübergreifende Koordination, wo herkömmliche Geschäftsmodelle angesichts der verschiedenen Technologieoptionen und -anwendungen oft versagen. Daher ist ein individuell angepasstes Konzept zum Aufbau eines Traceability-Systems notwendig. Eine Literaturrecherche hat ergeben, dass ein umfassendes Verständnis der bestehenden Definitionen und Grundsätze, insbesondere im Hinblick auf die Produktion von Batteriezellen, fehlt. Dies führt zu Einschränkungen bei der Umsetzung eines Traceability-Systems. Daher ist ein Ansatz erforderlich, um geeignete Technologien zu identifizieren und bestehende Herausforderungen zu bewältigen. In Zukunft kann dies zu Vorteilen bei datengesteuerten Ansätzen führen und den Übergang zu einem intelligenten Produktionssystem, welches durch Traceability ermöglicht wird, erleichtern. Dazu wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Framework entwickelt, welches Elemente des Cyber-physischen Produktionssystems integriert. Dieses Konzept wurde um vier weitere Module erweitert, um eine konsistente Traceability sicherzustellen. Das Framework umfasst sowohl die Tracking- als auch die Tracing-Perspektive und fokussiert die Gate-to-Gate-Perspektive eines internen Traceability-Systems für die Fertigung von Batteriezellen. Im Folgenden wurde innerhalb der Battery LabFactory Braunschweig eine prototypische Implementierung des Frameworks durchgeführt und eine erste Validierung erreicht. Dabei wurde mittels einer anwendungstypischen Stakeholderanalyse drei Anwendungsszenarien mit unterschiedlichen Systemausprägungen identifiziert. Aus der Perspektive eines Produktionsleiters wurde ein prototypisches System aufgebaut, das die automatische Zuordnung von Produktionsdaten unterstützt. Darauf aufbauend wurde die Perspektive eines Energiemanagers einbezogen, um ein robustes Traceability-System zu entwickeln, welches in der Lage ist, Fehler in der Informationsgrundlage automatisiert zu erkennen und durch eine semantische Modellschicht zu beheben. In einem dritten Szenario wurde die Perspektive eines Datenanalytikers berücksichtigt, indem ein Rückverfolgbarkeitssystem installiert wurde, welches detaillierte Daten auf der Ebene der Elektrodenblätter zur Verfügung stellt, um Modellierungszwecke zu unterstützen.
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