Batteriezelle im Auto

Die Komplexität der Fertigungsprozesse von Batteriezellen in Echtzeit flexibel anpassen zu können, ist eine der zentralen Herausforderungen für Unternehmen. Der Einsatz eines Digitalen Zwillings hilft ihnen, Produkte und Abläufe zu optimieren. (Bild: Adobe Stock)

Die Frage, ob Elektromobilität als Alternative zum Verbrennungsmotor zu sehen ist, hat sich im wahrsten Sinne des Wortes überholt. Auch wenn der Trend hin zum E-Auto durch Förderungen wie den Umweltbonus beschleunigt wurde, ist der Wandel zur Elektromobilität nicht mehr aufzuhalten. Letzten Endes wird sie alternativlos sein. Das verstärkt nicht nur den Druck auf OEMs ihre Fahrzeugmodelle anzupassen, sondern auch auf die Hersteller von Batteriezellen. Als Lieferant des technischen und wirtschaftlichen Herzstücks für Elektroautos müssen sie für genügend Produktionskapazitäten sorgen, um dem zukünftigen Bedarf decken zu können.

Die deutsche Industrie kann an ihre Erfolgsgeschichten anknüpfen

Report Roland Berger zur E-Mobilität
(Bild: Roland Berger)

Bislang stellt sich der weltweite Markt ziemlich unausgewogen dar: Laut einer Prognose zur kumulierten Kapazität der Zellproduktion für Batterien in ausgewählten Ländern weltweit in den Jahren 2018 bis 2023 liegt China mit einem Anteil von 3.139 Gigawattstunden unangefochten vorne. Deutschland liegt mit 80 Gigawattstunden auf Platz vier hinter China und auf Platz drei hinter den USA mit 368 Gigawattstunden bis 2023. Und das obwohl Deutschland in der Produktion elektrifizierter Fahrzeuge stark wächst und mittlerweile das zweitgrößte Volumen der Fahrzeugproduktion weltweit aufweist wie die Studie zeigt.

Eine große Chance für die deutsche Industrie, an die Fähigkeiten der Automobilhersteller anzuknüpfen und sich als wichtiger Player auch dem internationalen Markt der Batteriezellenproduzenten zu etablieren. Nicht zuletzt, um unabhängiger von asiatischen Zulieferern zu werden. Der Aufbau von Produktionsstandorten kann jedoch nur gelingen, wenn Hersteller und ihre Ökosysteme in ihrer gesamten Wertschöpfungskette auf digitale Technologien setzen. Nur so lässt sich der Produktlebenszyklus von Batteriezellen von der Grundlagenforschung über die Produktion bis hin zum Recycling ganzheitlich abbilden. Ziel der Hersteller muss es sein, agil auf die Herausforderungen und Dynamiken des Marktes reagieren und rentabel in großem Maßstab produzieren zu können.

Statistik Prognose Deutsche Batteriezellenproduktion
(Bild: Roland Berger)

Die Batterieproduktion von Anfang an skalierbar denken

Unerfahrene Akteure starten häufig mit Pilotanlagen, um zur lieferfähigen Batterie zu gelangen. Die Einführung durchgängiger Prozesse beginnend mit einer innovativen Entwicklung über die Planung effizienter Fertigungsabläufe bis hin zur reibungslosen Logistik und Beschaffung muss von Anfang skalierbar gedacht werden. Neue Methoden und Werkzeuge im Kleinen zu testen, bevor sie in einer Giga Factory zum Einsatz kommen, zahlt sich aus, denn die Investitionskosten und Risiken solcher Produktionsanlagen sind nicht zu unterschätzen.


Qualität "Made in Germany" als Alleinstellungsmerkmal zu nutzen und Ausschuss zu vermeiden, fängt jedoch nicht erst bei den Herstellungsprozessen an. Ebenso wichtig ist ein hoher Qualitätsanspruch bei der Entwicklung der benötigten Batteriezellen. Sicherheit, Leistung, Größe, Kosten und Zuverlässigkeit – alle Parameter lassen sich bereits im Engineering festlegen und prüfen, bevor die tatsächliche Produktion beginnt. Und nicht zu vergessen, die Erfüllung von Nachhaltigkeitsaspekten, denn Hersteller von Batteriezellen müssen nicht nur finanziell nachhaltig wirtschaften, sondern auch umweltverträglich.

Mit Durchgängigkeit im Fertigungsprozess zum Erfolg

Die Herstellung von Batteriezellen ist bis dato kein vollständig automatisierter Prozess. Es sind nach wie vor viele manuelle Eingriffe erforderlich, die letztlich zu Qualitätsproblemen und einer hohen Ausschussrate führen können. Diese kann bis zu 20 Prozent betragen. Zu viel, wenn man bedenkt, dass erst große Stückzahlen eine wirtschaftliche Produktion sichern.
Die Komplexität des Fertigungsprozesses zu beherrschen und dennoch die Fertigungslinien schnell anzupassen, wenn eine neue Batteriezellentechnologie auftaucht oder neue automatisierte Montagelösungen und Roboter manuelle Arbeiten übernehmen, stellt Planer vor große Herausforderungen. Sie müssen die Balance finden zwischen einer hochflexiblen Hochgeschwindigkeits-Produktionsanlage mit hohen Stückzahlen und einem hohen Output während sie die Fertigung hochskalieren.


Und sie müssen bei Anpassungen immer alle Prozesse im Auge behalten. Volatile Märkte, Rohstoffmangel und Lieferkettenengpässe - insbesondere die Beschaffung und Logistik haben in den letzten beiden Jahren die Nachteile der Globalisierung zu spüren bekommen. Ohne Sichtbarkeit der Vorlaufzeiten ihrer Lieferanten könnte jede Unterbrechung in der vorgelagerten Lieferkette die Produktion zum Erliegen bringen.

Der Digitale Zwilling ist ein unverzichtbarer Mediator

Um diesen Herausforderungen zu begegnen und digitale Durchgängigkeit zu schaffen, führt kein Weg am Digitalen Zwilling vorbei. Basierend auf digitalen Technologien wie der 3DEXPERIENCE Plattform und den Anwendungen von Dassault Systèmes fungiert er als verbindendes Element. Der Digitale Zwilling verknüpft alle Einzelschritte der Batteriezellenproduktion in einem Modell und schafft digitale Transparenz über die gesamte Wertschöpfungskette.
Die 3DEXPERIENCE Plattform bildet dabei als zentraler cloudbasierter Speicherort die Grundlage. Auf ihr werden alle Daten und das Wissen aller am Batterie-Entstehungsprozess Beteiligten gebündelt und verwaltet. Im Umkehrschluss stehen alle Informationen über die 3DEXPERIENCE Plattform auch wieder allen Stakeholdern zur Verfügung – von jedem Ort und Gerät aus. Durch die bidirektionale Verarbeitungsweise der Plattform in Echtzeit ist sichergestellt, dass Informationen an jeder Stelle des Prozesses immer aktualisiert bereitgestellt werden.


Je mehr Daten bei einem Projekt in die 3DEXPERIENCE Plattform einfließen, desto mehr Informationen lassen sich daraus ableiten. An dieser Stelle kommt der Digitale Zwilling ins Spiel. Er verschmilzt als präzises digitales Abbild seines realen Pendants auf Basis aller verfügbaren Daten die Grenzen zwischen virtueller und realer Welt. Die ad hoc Verfügbarkeit der Rückschlüsse helfen, Entscheidungen schneller und besser zu treffen, Freigabeprozesse zu verkürzen und somit den gesamten Workflow zu beschleunigen.

Mit virtueller Hilfe die realen Produkte und Abläufe optimieren

Die Vorteile sind vielfältig: Batteriezellenhersteller können Zeit und Kosten einsparen, da sich Simulationen mittels Digitalem Zwilling parallel zum Entstehungsprozesses durchführen lassen. In der Entwicklung ermöglicht er beispielsweise genauere Einblicke in die Zellabläufe. Daten wie Trockenzeiten, Temperaturen sowie konkrete Informationen der einzelnen Fertigungsschritte wie beispielsweise die Mischzeit zweier Stoffe lassen sich erfassen und direkt über den Digitalen Zwilling abbilden. Physische Montagelinien, Produktionsprozesse und -abläufe bis hin zu Lieferketten – alles kann mithilfe des Digitalen Zwillings am Computer simuliert und optimiert werden, um eine fehlerfreie Entwicklung und Fertigung sicherzustellen sowie den Zeithorizont von Liefer- und Absatzaussichten besser zu planen.


Ganz im Sinne der Nachhaltigkeit lässt sich auch der Bau physischer Prototypen von Batterien reduzieren oder sogar komplett eliminieren. Gleichzeitig steigern Simulationen die Qualität der Produkte und Prozesse, da Schwachstellen frühzeitig in der virtuellen Welt erkannt werden, bevor sie zu Problemen in der realen Welt führen. 3D als universelle Sprache des Digitalen Zwillings fördert zudem das Verständnis komplexer Projekte, insbesondere bei nicht-technischen Projektbeteiligten. Dies vereinfacht nicht nur die Kommunikation, sondern ermöglicht und verbessert auch die interdisziplinäre Zusammenarbeit über die Unternehmensgrenzen hinaus.

Digitaler Zwilling in der Batteriezellenproduktion

Mit der 3DEXPERIENCE Plattform und den Anwendungen von Dassault Systèmes sind Batteriezellenhersteller gerüstet, den erfolgreichen Aufbau ihrer Produktionsstandorte zu realisieren. Hier gibt es weitere Informationen zu den Lösungen von Dassault Systèmes rund um die Batteriezellenfertigung

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