Batteriezellen von außen prüfen: Kratzer, Dellen, Rost und Elektrolytaustritt an Becher, Hülse, Pouch und Knopfzelle erkennen

Ist eine Zelle erst im Modul verbaut, kommt an ihre Hülle niemand mehr heran. Was an Becher, Mantel, Pouchfolie oder Knopfzelle nicht vorher gefunden wird, bleibt im Produkt. Dieser Beitrag richtet sich an Qualitäts- und Prozessingenieure bei Herstellern von Zellen und Zellgehäusen und an Integratoren, die die Endprüfung der Zelle aufbauen. Er ordnet dokumentierte Anwendungen nach Bauform.

Wichtige Punkte im Überblick

Eine Zelle hat keine Schauseite: Mantel, Stirnseiten und beim offenen Becher die Innenfläche werden geprüft, bevor die Zelle im Modul verbaut ist und niemand mehr an ihre Hülle herankommt.
Der dokumentierte Weg für den Mantel ist die drehende Zelle vor einer Zeilenkamera, die nach einer Umdrehung ein abgewickeltes, ebenes Bild liefert, während Flächenkameras die Stirnseiten aufnehmen.
Weil eine Delle auf transparenter Pouchfolie im Grauwertbild oft wenig Kontrast hat, kommt der 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 in Frage, in dessen Höhenbild sie als Mulde erscheint.
An blanken, spiegelnden Bechern trennt LumiTrax Form und Textur, und laut Katalog sind die Texturbilder frei von Glanzeffekten.
Bei vielen Kriterien auf wenigen Millimetern, etwa an der Knopfzelle, bietet sich an, Fehlerklassen mit der AI-Klassifizierung der All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS als OK- und NG-Klassen anzulernen, statt jede als Regel zu formulieren.

Warum die Zellhülle rundum geprüft werden muss

Eine Zelle hat keine Schauseite. Am Rundzellenbecher kommen zum Mantel zwei Stirnseiten und, solange der Becher offen ist, die Innenfläche hinzu. Eine Pouchzelle bietet zwei große, glänzende oder transparente Flächen, eine Knopfzelle Stirn- und Mantelflächen auf wenigen Millimetern. In den Anwendungen stehen als Fehlerbilder Kratzer, Schlagstellen, Dellen, Rost, Foliendefekte, Ausbrüche und Elektrolytaustritt. Gefragt wird jeweils, ob ein solcher Fehler vorliegt und welcher Art er ist.

Das legt die Grenze fest. Soll eine Delle als Tiefe mit Toleranz bewertet werden oder eine Schweißnaht an der Zelle als Maß, wird daraus Messtechnik; Berstmembran, Sealcap und Naht behandelt der Beitrag zu sicherheitsrelevanten Zellmerkmalen. Kennzeichnen und Lesen des DMC an Rundzelle und Zellbecher hat ebenfalls einen eigenen Beitrag. Hier geht es um die Oberfläche, die nach der Zellfertigung sichtbar bleibt, und darum, sie im Takt vollständig zu sehen.

Becher und Hülse: Kratzer, Schlagstellen und Rost innen und außen

Ein Hersteller von Zellbechern für Rundzellen will auf Kratzer, Schlagstellen und Rost prüfen, außen wie innen. Für die Pilotphase ist ein Takt von rund 10 s genannt. Die Anwendung teilt die Aufgabe schon in Blickrichtungen auf: den Mantel mit einer Zeilenkamera, Pluspolseite und Öffnungsseite mit Flächenkameras, das Innere durch die Öffnung. Ob für die Innenfläche ein Endoskop genügt, muss ein Test an Musterteilen zeigen. Dokumentiert ist dafür bisher nichts.

Beim selben Hersteller geht es außerdem um die Hülsen; getestet wurde mit Kameras von zwei und fünf Megapixeln. Jedes Teil vollständig zu prüfen, ist dort mechanisch nicht möglich, deshalb soll ein Stichprobenkonzept folgen.

An der Unterseite eines Zellgehäuses verbindet die Anwendung eine Rundheitsprüfung, die als Maß außerhalb dieses Beitrags liegt, mit der Suche nach Defekten auf der Fläche und nennt ausdrücklich LumiTrax. Die High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G nimmt dafür Bilder aus mehreren Beleuchtungsrichtungen auf und errechnet ein Formbild, in dem Unregelmäßigkeiten wie Schlagstellen hervortreten, und ein Texturbild für Muster- und Farbabweichungen.

Zellmantel und Umhüllungsfolie: Zeilenkamera an der drehenden Zelle

Geprüft werden soll der Mantel einer großformatigen Rundzelle in mehreren Zelllängen. Am Mantel sind Kratzer ab 16 µm gefragt, an der Umhüllungsfolie Defekte ab 60 µm. Die Aufgabe enthält außerdem einen Folienversatz von 0,05 mm, eine Lagefrage, die nicht zur Defektprüfung gehört. Für eine Rundzelle in der Serienfertigung ist eine Oberflächenprüfung gefragt; die Gratprüfung aus derselben Anwendung ist Messtechnik.

Der dokumentierte Weg für den Mantel ist die drehende Zelle vor einer Zeilenkamera. Die Zelle rotiert, die Kamera nimmt Zeile für Zeile auf, und nach einer Umdrehung liegt der Mantel als abgewickeltes, ebenes Bild vor. Zeilenkameras gibt es bei KEYENCE an der High-End Bildverarbeitung mit ultimativer Flexibilität der Modellreihe XG-X, nicht an VS oder VS-G. Die Aufnahme wird über einen Encoder getaktet, je Erweiterungsmodul sind zwei Zeilenkameras möglich, am Controller insgesamt vier Kameras einschließlich der Zeilenköpfe.

Wie fein die Zeile sein muss, folgt aus dem kleinsten Fehler. Rechnerisch hat ein Mantel von 40 mm Durchmesser einen Umfang von gut 125 mm; bei 8 µm je Zeile entspricht eine Umdrehung rund 15.700 Zeilen. Die Alternative sind mehrere Flächenkameras um die stehende Zelle. Sie sparen die Drehung, sehen den Mantel an den Bildrändern aber schräg, und die Überlappungen müssen mit ausgewertet werden. Die Stirnseiten bleiben in beiden Varianten Sache der Flächenkamera.

Pouchzelle und prismatische Zelle: Dellen, Foliendefekte und Ausbrüche am Zellkontakt

Bei Pouchzellen sollen Dellen auf der transparenten Oberfläche erkannt werden, beide Seiten innerhalb von 60 s, als Ersatz für die Sichtprüfung von Hand. Die Anwendung stellt das Erkennen an den Anfang. Ob die Tiefe einer Delle zusätzlich als Wert ausgegeben wird, ist eine Folgefrage für die Maßprüfung. Validiert werden soll über ein Golden Sample, nicht über eine Messsystemanalyse.

Auf transparenter Folie hat eine Delle im Grauwertbild oft wenig Kontrast. Der 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 wertet stattdessen die Höhe aus, sodass die Delle als Mulde im Höhenbild erscheint. Das X-Feld liegt je nach Messkopf bei 7,0 bis 510 mm, die Abtastung bei bis zu 16 kHz, und als Controller dient die Modellreihe XG-X. Ob die Folie ein stabiles Höhenbild liefert, gehört in den Test.

An einer prismatischen Zelle verbindet die Aufgabe zwei Maße mit drei Fehlerbildern: Foliendefekte auf beiden Seiten, Ausbrüche und Korrosion am Zellkontakt. Nach der optischen Prüfung folgen in der Anlage ein elektrischer Test und das Ausschleusen durch einen Roboter. Foliendefekte und Ausbrüche, die sich als Höhe zeigen, sind Kandidaten für den Profilsensor, Korrosion als Verfärbung eher für ein Farbbild. An einem beschichteten Teil einer Zinkbatterie für Heimspeicher sind Risse neben einer Ebenheitsprüfung gefragt.

Knopfzelle und kleiner Deckel: viele Kriterien auf wenigen Millimetern

Knopfzellen von 7 bis 16 mm sollen an Stirn- und Mantelflächen nach 25 Kriterien geprüft werden, bei drei Teilen pro Sekunde. Auf der Liste stehen Kratzer, Dellen, Elektrolytaustritt, Schweißstellen sowie Position und Lesbarkeit des DMC. Rechnerisch bleiben je Teil gut 330 ms für Aufnahme und Auswertung aller Seiten. Die Schweißstelle zählt hier als Erscheinungsfehler, also danach, wie sie aussieht, nicht wie breit sie ist.

Bei so vielen Kriterien bietet sich an, Fehlerklassen nicht einzeln als Regel zu formulieren. Die AI-Klassifizierung der All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS deckt OK- und NG-Klassen mit einem Werkzeug ab. Welche Kriterien sich zusammenfassen lassen und welche eine eigene Ansicht brauchen, klärt der Test an Grenzmustern.

Ähnlich klein ist ein Zellendeckel von wenigen Millimetern mit einer transparenten, UV-aktiven Dichtung. Die Anwendung nennt selbst die AI-Segmentierung als Werkzeug und 2 s je Teil.

Silber, transparent, UV-aktiv: Beleuchtung und AI-Segmentierung an Zellwerkstoffen

Die Werkstoffe der Zellhülle stellen drei verschiedene Beleuchtungsfragen. Blanke, silberne Becher spiegeln, sodass ein Kratzer je nach Winkel hell, dunkel oder gar nicht erscheint. LumiTrax trennt hier Form und Textur; laut Katalog sind die Texturbilder frei von Glanzeffekten. Wie weit das an einem bestimmten Becher trägt, zeigt erst das Musterteil.

Transparente Pouchfolie lässt das Licht durch und zeigt die darunterliegende Struktur mit. Dort hilft es, auf die Höhe auszuweichen, statt die Helligkeit zu bewerten. Eine UV-aktive Dichtung erscheint je nach Lichtart unterschiedlich; welche Beleuchtung sie gegen den Deckel abhebt, ist Teil der Machbarkeit.

Wo sich ein Fehler schwer als Regel für Helligkeit oder Kante fassen lässt, grenzt die AI-Segmentierung der All-in-One Kamera Fehlerbereiche im Bild ab. Für Stationen mit mehreren Ansichten nimmt die Bildverarbeitung der Modellreihe VS-G bis zu acht Kameras an einem Controller auf, mit Auflösungen von 0,31 bis 64 MP. Stirnseiten, Deckel und Knopfzelle lassen sich so an einer Auswertung zusammenführen.

Häufige Fragen

F Lässt sich die Sichtprüfung an Pouchzellen automatisieren?

Eine dokumentierte Anwendung will genau das: Dellen auf der transparenten Oberfläche erkennen, beide Seiten innerhalb von 60 s. Weil eine Delle auf transparenter Folie im Grauwertbild wenig Kontrast hat, kommt ein Höhenbild mit dem 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 in Frage. Die Validierung ist dort über ein Golden Sample vorgesehen.

F Wann ist eine Delle an der Zelle ein Defekt und wann ein Maß?

Wird nur entschieden, ob eine Delle vorhanden ist, ist das Defektprüfung. Soll ihre Tiefe gegen eine Toleranz bewertet werden, wird daraus eine Messaufgabe. In einer dokumentierten Pouch-Anwendung steht das Erkennen an erster Stelle und die Tiefe als Zusatzfrage.

F Lässt sich die Innenseite eines Zellbechers prüfen?

Eine dokumentierte Anwendung sieht vor, das Innere durch die Öffnung des Bechers zu prüfen. Ob ein Endoskop dafür genügt, ist eine offene Testfrage an Musterteilen. Eine dokumentierte Lösung gibt es dafür bisher nicht.

F Welche Bildverarbeitung passt für glänzende Zellbecher?

Für blanke Metallflächen kommt die High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G mit LumiTrax in Frage. Sie errechnet aus mehreren Beleuchtungsrichtungen ein Formbild für Unregelmäßigkeiten und ein Texturbild ohne Glanzeffekte. Den drehenden Mantel nimmt dagegen die Zeilenkamera an der Modellreihe XG-X auf.

F Wie werden 25 Kriterien an einer Knopfzelle ausgewertet?

Die dokumentierte Anwendung legt das nicht fest. Naheliegend ist, Fehlerklassen mit der AI-Klassifizierung der Modellreihe VS als OK- und NG-Klassen anzulernen, statt jede Klasse als Regel zu formulieren. Wie viele Ansichten die Station dafür braucht, ist noch offen.

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