動力電池智能制造的思路分析

１動力電池智能制造的背景

動力電池作為新能源汽車的核心零件，是新能源汽車能源存儲與轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)單元，其技術(shù)發(fā)展水平將成為全球汽車產(chǎn)業(yè)電動化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵支撐。近年來，全球?qū)π履茉雌嚨陌l(fā)展都已形成共識，各主要經(jīng)濟體都制定了動力電池的發(fā)展規(guī)劃。從目前來看，國際動力電池市場的需求強勁，而我國在整個產(chǎn)業(yè)鏈上多個環(huán)節(jié)都擁有一半以上的產(chǎn)能，預(yù)計未來十年將是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵時期。 在現(xiàn)有低碳環(huán)保出行的理念下，多國政府積極出臺相應(yīng)政策（如“限制燃油車銷售”和“規(guī)劃新能源汽車比例”等），推動電動汽車快速發(fā)展，從而帶動動力電池產(chǎn)業(yè)的良好發(fā)展。根據(jù)ＳＮＥＲｅｓｅａｒｃｈ公布的數(shù)據(jù)，２０２２年全球動力電池建成產(chǎn)能已接近１ＴＷｈ；同年全球動力電池裝機量為５１７．９ＧＷｈ，同比增長高達７５％。這些數(shù)據(jù)反映動力電池市場仍然存在巨大的需求。

圖１ 智能制造標(biāo)準(zhǔn)框架體系結(jié)構(gòu)（２０１８版）

在高端動力電池產(chǎn)品領(lǐng)域，我國與國外領(lǐng)先技術(shù)差距不大。我國在磷酸鐵鋰動力電池技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位，不僅在車用動力電池大規(guī)模工業(yè)化穩(wěn)定生產(chǎn)、低成本和高安全方面具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢，還積累了豐富的應(yīng)用經(jīng)驗?？傮w而言，在先進材料、新電池體系和回收技術(shù)方面，我國還需進一步提升；但在電池系統(tǒng)和大宗材料技術(shù)等方面，我國基本與國外先進水平保持同步。 智能制造是指利用先進的信息技術(shù)、智能化設(shè)備和云計算等技術(shù)手段，實現(xiàn)制造過程的智能化、自動化、靈活化和高效化。它是工業(yè)４．０的核心和重要組

成部分，是推動制造業(yè)升級和經(jīng)濟轉(zhuǎn)型的重要手段之一。

隨著信息、機器人和自動化、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)方式正在發(fā)生根本性的變革。傳統(tǒng)的制造方式已經(jīng)無法滿足市場和消費者對產(chǎn)品質(zhì)量、靈活性、交貨期、個性化的要求，同時全球經(jīng)濟競爭日趨激烈，制造業(yè)需要不斷提高生產(chǎn)效率、降低成本，才能在市場競爭中取得優(yōu)勢。因此，智能制造成了制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵路徑。 動力電池的設(shè)計與制造，首先要考慮電池性能，包括安全性、合格率、一致性、制造效率等。其中，安全性包括設(shè)備安全、制造過程安全、應(yīng)用安全等。

目前新能源車安全事故頻發(fā)，其中相當(dāng)一部分是電池本身的安全性問題導(dǎo)致，因此，提高動力電池的安全性已經(jīng)迫在眉睫。當(dāng)前電池一次制造合格率（又稱直通率）在９０％左右，目標(biāo)是在２０２５年提升到９５％以上。合格率的提升可以直接降低電池制造成本，給電池制造企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益。一致性主要包括容量一致性、內(nèi)阻一致性、自放電一致性等。提高一致性可以減少電池生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品檢測環(huán)節(jié)，簡化部分制造工序，從而有效提高生產(chǎn)效率。目前國內(nèi)儲能電池企業(yè)的單線產(chǎn)能普遍較低，無法滿足新能源汽車和儲能電站市場對儲能電池，尤其是高端電池產(chǎn)能的迫切需求。

提高動力電池制造的安全性、合格率、一致性及制造效率等指標(biāo)是動力電池制造商不斷努力的目標(biāo)，要實現(xiàn)這個目標(biāo)，必須在涂布、卷繞、疊片、組裝和化成等核心制造能力上有大幅度提升，而且必須實現(xiàn)材料技術(shù)、電池技術(shù)、設(shè)備技術(shù)和智能控制技術(shù)等方面的全面突破。采用標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化、智能化等技術(shù)手段是實現(xiàn)動力電池大規(guī)模、高質(zhì)量制造的必然途徑。

２動力電池智能制造的路徑

實現(xiàn)動力電池智能化制造是規(guī)模制造業(yè)的必然選擇，應(yīng)該采取標(biāo)準(zhǔn)化、模型化、數(shù)字化、智能化的路徑。

２.１標(biāo)準(zhǔn)化

目前，《國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》（２０１８版，簡稱《指南》）已經(jīng)發(fā)布，框架體系結(jié)構(gòu)如圖１所示。正如《指南》中的“智能制造、標(biāo)準(zhǔn)先行”，動力電池大規(guī)模制造需要采用標(biāo)準(zhǔn)化的手段，需要標(biāo)準(zhǔn)體系的支撐。動力電池技術(shù)起步較晚，其設(shè)計、制造、檢驗、應(yīng)用缺少完整的標(biāo)準(zhǔn)，尤其針對鋰電池行業(yè)的互聯(lián)互通準(zhǔn)則、集成接口、集成功能、集成能力標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場裝備與系統(tǒng)集成、系統(tǒng)之間集成、系統(tǒng)互操作等集成標(biāo)準(zhǔn)嚴重缺少。面對動力電池智能制造發(fā)展的新形勢、新機遇和新挑戰(zhàn)，有必要系統(tǒng)梳理現(xiàn)有的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，明確動力電池制造、集成的需求。從基礎(chǔ)共性、關(guān)鍵技術(shù)以及行業(yè)應(yīng)用等方面，建立一整套標(biāo)準(zhǔn)體系來支撐動力電池產(chǎn)業(yè)有序健康發(fā)展。 首先要實現(xiàn)電池規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)化，目前國內(nèi)８０多家動力電池企業(yè)有１５０多種電池規(guī)格型號，意味著需要有１５０多種不同的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)線，這嚴重限制了動力電池大規(guī)模制造能力的提升。應(yīng)該總結(jié)分析過去的經(jīng)驗及給產(chǎn)業(yè)造成的損失教訓(xùn)，盡快制定出動力電池尺寸規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，將電池規(guī)格型號限制在１０種左右。其次，元數(shù)據(jù)是動力電池設(shè)計、制造、應(yīng)用的基礎(chǔ)，要實現(xiàn)動力電池設(shè)計及基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)化，需要建立動力電池領(lǐng)域元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

ＳＤＳ／Ｔ２１１１－２００４《元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化原則與方法》中規(guī)定了領(lǐng)域元數(shù)據(jù)制定時的選取原則，可以參照此原則制定動力電池領(lǐng)域元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。最后要實現(xiàn)動力電池制造的標(biāo)準(zhǔn)化，需要解決一系列問題。動力電池制造過程復(fù)雜、工藝流程長、生產(chǎn)產(chǎn)線設(shè)備眾多，而且同一條產(chǎn)線的生產(chǎn)設(shè)備往往來自不同的廠家，采用不同的通信接口和協(xié)議，導(dǎo)致設(shè)備之間缺乏互聯(lián)互通互操作的基礎(chǔ)。為了解決這個問題，需要建立電池制造過程數(shù)據(jù)字典標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一設(shè)備模型，制定設(shè)備通信接口規(guī)范，進行數(shù)據(jù)治理，實現(xiàn)產(chǎn)線設(shè)備和企業(yè)信息化系統(tǒng)的集成，實現(xiàn)運營技術(shù)與信息技術(shù)深度融合。同時，利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部和外部信息集成，優(yōu)化電池制造資源的配置及過程管控。

２.２模型化

模型化是智能化的基礎(chǔ)，它是將工廠、物料、機器和過程轉(zhuǎn)化為計算機可以識別、優(yōu)化和提升的基本手段。在動力電池制造中，需要建立電池模型、工廠模型、設(shè)備模型、工藝模型以及質(zhì)量模型等，如圖２所示。

圖２動力電池制造模型體系 模型要能夠準(zhǔn)確完整地描述對象的真實屬性。模型的建立是一個不斷調(diào)整和優(yōu)化的過程。模型化和數(shù)字化是互相促進的過程，對于有理論模型的物理量或過程，可以使用現(xiàn)有模型將其數(shù)字化；對于沒有模型或難以用理論模型準(zhǔn)確描述的物理量或過程，可以先采集數(shù)據(jù)，通過數(shù)字分析建立數(shù)字化模型。這種方法可以很好地解決制造過程中的質(zhì)量優(yōu)化問題，也是數(shù)字化和智能化給制造業(yè)帶來的紅利。

２.３數(shù)字化

數(shù)字化研制體系包括數(shù)字化設(shè)計、數(shù)字化制造及數(shù)字化應(yīng)用等方面。數(shù)字化設(shè)計包括材料設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計及工藝設(shè)計等方面。在電池設(shè)計過程中，需要使用專業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計工具和結(jié)構(gòu)設(shè)計工具，并建立電化學(xué)仿真模型和電池壽命模型等。 數(shù)字化制造包括工藝規(guī)劃、設(shè)備研制、系統(tǒng)集成等。通過運用工廠仿真、過程仿真、虛擬調(diào)試等技術(shù)手段，建立實際生產(chǎn)過程與虛擬生產(chǎn)過程的數(shù)字孿生系統(tǒng)。設(shè)計人員利用軟件提供的仿真環(huán)境對產(chǎn)品及生產(chǎn)過程進行設(shè)計及優(yōu)化，從而縮短產(chǎn)品從構(gòu)思到投產(chǎn)的周期，減少失誤并降低成本。 數(shù)字化應(yīng)用包括電池質(zhì)量控制、電池追溯系統(tǒng)的建立以及產(chǎn)品大數(shù)據(jù)分析等。為了實現(xiàn)數(shù)字化應(yīng)用，需要建立動力電池設(shè)計、制造、質(zhì)量追溯及梯次利用等全生命周期數(shù)據(jù)管理應(yīng)用平臺。 通過動力電池數(shù)字化設(shè)計、制造、應(yīng)用全流程系統(tǒng)的建立，可以實現(xiàn)電池的高效設(shè)計、高質(zhì)量制造、低成本生產(chǎn)及可靠的安全管控。

２.４智能化

智能化指的是基于數(shù)據(jù)分析結(jié)果，挖掘隱形問題，并生成描述、診斷、預(yù)測、決策、控制等不同應(yīng)用，從而形成優(yōu)化決策建議或直接控制指令，實現(xiàn)個性化定制、智能化生產(chǎn)、協(xié)同化組織和服務(wù)化制造等創(chuàng)新模式，并將結(jié)果以數(shù)據(jù)化形式存儲下來，最終構(gòu)成從數(shù)據(jù)采集到設(shè)備、生產(chǎn)現(xiàn)場及企業(yè)運營管理的持續(xù)優(yōu)化閉環(huán)，以提高電池制造的合格率、一致性和安全性?？偟膩碚f，動力電池智能制造的目標(biāo)是實現(xiàn)基于模型的數(shù)字化和基于數(shù)據(jù)的智能化，從而提升制造的安全性、質(zhì)量，并降低制造成本。

３動力電池智能制造的思路

動力電池智能制造的核心是基于模型的數(shù)字化和基于大數(shù)據(jù)的智能化。首先，建立動力電池制造系統(tǒng)的信息模型，將設(shè)備、物料、信息系統(tǒng)模型化，建立基于模型定義的企業(yè)（MBE），實現(xiàn)模型的數(shù)字化，為基于大數(shù)據(jù)的智能化提供基礎(chǔ)。 有了數(shù)字化模型，通過數(shù)字連接，將實體模型和虛擬模型相互關(guān)聯(lián)，形成數(shù)字孿生。通過數(shù)字孿生，可以對系統(tǒng)進行優(yōu)化，實現(xiàn)虛擬調(diào)試。 在沒有模型的情況下，制造優(yōu)化方式是通過人為認識問題、調(diào)整影響要素并解決問題，最后實現(xiàn)的是人的經(jīng)驗積累。基于模型的優(yōu)化方式則不同，制造優(yōu)化積累的結(jié)果是模型的迭代和進化，實現(xiàn)了數(shù)字化的積累，使計算機能夠自主進行優(yōu)化和深度學(xué)習(xí)，這就是基于模型優(yōu)化的魅力所在?；谀Ｐ偷臄?shù)字化智能制造路徑的演繹如圖４所示。

圖４ 基于模型的數(shù)字化智能制造路徑的演繹 通過模型和數(shù)據(jù)，可以基于模型尋找影響質(zhì)量的關(guān)鍵因素和關(guān)鍵質(zhì)量控制點，并控制這些關(guān)鍵因素，以獲得最佳質(zhì)量，從而解決顯性問題。同時，利用數(shù)據(jù)進行數(shù)字特征分析提取關(guān)鍵特征，實現(xiàn)預(yù)測性維護和健康管理，大大提升生產(chǎn)線制造的合格率。此外，還可以優(yōu)化設(shè)計模型，實現(xiàn)反向升級，進一步優(yōu)化制造過程，這正是智能制造的本質(zhì)。

４動力電池智能制造質(zhì)量閉環(huán)

４.１縱向數(shù)據(jù)閉環(huán)

設(shè)備的智能制造水平可以分成４個層級：Ｌ１為邏輯控制與檢測級，設(shè)備具備基本結(jié)構(gòu)，能夠滿足控制檢測和邏輯控制的需求，這個級別的制造合格率只有８８％左右；Ｌ２為工藝模型級，這個級別的設(shè)備通過導(dǎo)入工藝模型實現(xiàn)制造合格率的提升，這級的合格率可達９７％左右，相當(dāng)于４．５σ的水平；Ｌ３為工藝模型優(yōu)化閉環(huán)級，這個級別的裝備實現(xiàn)了制造工藝的閉環(huán)，能夠修正設(shè)備的加工參數(shù)，從而保證制造合格率達到９９．９％以上，相當(dāng)于５σ的水平；Ｌ４為自學(xué)習(xí)循環(huán)提升級，此時的設(shè)備通過工藝積累判斷來料和工藝過程的變化，自動修正參數(shù)，實現(xiàn)更高質(zhì)量的加工，可以保證９９．９９％以上的制造合格率，相當(dāng)于６σ以上的水平。裝備智能化的總體要求如圖５所示。

圖５ 裝備智能化的總體要求

裝備是產(chǎn)業(yè)的核心，也是實現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)。首先，需要解決制造裝備本身的智能化問題。裝備實現(xiàn)智能制造的基本思路是應(yīng)用閉環(huán)控制原理，并設(shè)置優(yōu)化算法，以實現(xiàn)最優(yōu)的控制目標(biāo)。同時，需要應(yīng)用閉環(huán)方法解決裝備制造產(chǎn)品過程中不同層級的優(yōu)化問題。裝備控制閉環(huán)優(yōu)化架構(gòu)如圖６所示。

圖６ 裝備閉環(huán)控制優(yōu)化層級架構(gòu)

首先，是裝備底層的控制。這一層主要基于傳感器和邏輯控制，解決裝備本身的定位精度、效率及穩(wěn)定性等問題。例如，卷繞機主軸和涂布箔材驅(qū)動軸的控制等。每臺設(shè)備都有很多這樣的控制環(huán)，這些控制環(huán)通常要求具有實時性。隨著制造精度和效率的不斷提高，對底層控制的閉環(huán)周期時間要求也越來越高，一般在毫秒級，有些甚至要達到微秒級。這一層對于設(shè)備的控制性能和產(chǎn)品制造質(zhì)量而言是開環(huán)的。 其次，是工藝閉環(huán)層。在這一層，通過對設(shè)備材料來料參數(shù)、過程參數(shù)、環(huán)境參數(shù)和加工產(chǎn)品質(zhì)量參數(shù)進行工藝閉環(huán)，可以保證該工序的質(zhì)量閉環(huán)。工藝閉環(huán)的閉環(huán)周期一般在毫秒到幾十個毫秒。同時，工藝閉環(huán)也通過整體模型優(yōu)化選擇實現(xiàn)整體制造過程的大數(shù)據(jù)閉環(huán)，也就是第三層閉環(huán)。

４.２橫向過程閉環(huán)

從來料到極片制造，再到電芯制造、化成分容和模組，通過互聯(lián)互通的方式，實現(xiàn)對大約３０００個數(shù)據(jù)點的監(jiān)測，這樣可以進行電芯和電池包的失效模式分析。動力電池制造質(zhì)量閉環(huán)優(yōu)化如圖７所示。

圖７ 動力電池制造質(zhì)量閉環(huán)優(yōu)化

動力電池制造過程復(fù)雜、工藝流程長。主要分為極片制造單元、電芯制造單元和電池包制造單元，全流程影響電池質(zhì)量的關(guān)鍵控制點超過２０００個，包括來料尺寸、黏度、固含量、張力、對齊度、溫度、濕度等。為了有效控制電池的生產(chǎn)質(zhì)量，需要建立電池從原材料、電芯到電池包的全流程追溯體系，構(gòu)造大數(shù)據(jù)質(zhì)量閉環(huán)優(yōu)化系統(tǒng)。首先，需要按生產(chǎn)工段分別建立極片制造、電芯制造及電池包制造的質(zhì)量數(shù)據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)產(chǎn)線數(shù)據(jù)的閉環(huán)控制。在此基礎(chǔ)上，完成全流程數(shù)據(jù)的集成，實現(xiàn)完整的電池制造大數(shù)據(jù)分析與閉環(huán)系統(tǒng)。通過閉環(huán)反饋，持續(xù)優(yōu)化，不斷提高電池制造從材料投入到電池包整體質(zhì)量的橫向優(yōu)化。

５動力電池智能制造系統(tǒng)成熟度實現(xiàn)的層級

動力電池制造系統(tǒng)從制造維度和智能維度兩個方面進行分類。制造維度體現(xiàn)了面向產(chǎn)品的全生命周期的智能化提升，包括了設(shè)計、生產(chǎn)、物流、銷售和服務(wù)五類，涵蓋了從接收客戶需求到提供產(chǎn)品及服務(wù)的整個過程。與傳統(tǒng)的制造過程相比，智能制造更加側(cè)重于各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的智能化應(yīng)用和智能水平的提升。智能維度是智能技術(shù)、智能化基礎(chǔ)建設(shè)和智能化結(jié)果的綜合體現(xiàn)，是對信息物理融合的詮釋，完成了感知、通信、執(zhí)行和決策的全過程，包括了全資源要素、互聯(lián)互通、系統(tǒng)集成、信息融合和新興業(yè)態(tài)五類，引導(dǎo)企業(yè)利用數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化技術(shù)進行模式創(chuàng)新。根據(jù)動力電池企業(yè)客戶的需求，以及技術(shù)發(fā)展的狀態(tài)、技術(shù)能力、技術(shù)手段和企業(yè)自身的目標(biāo)定位，動力電池智能制造按成熟度分為五個級別，如表１所示。 表１ 動力電池智能制造各級成熟度的功能

一級（規(guī)劃級）：電池生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)開始對實施智能制造的基礎(chǔ)和條件進行規(guī)劃，能夠?qū)诵臉I(yè)務(wù)（設(shè)計、資源供給、生產(chǎn)、銷售、服務(wù)）進行流程化管理。 二級（規(guī)范級）：電池生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)采用數(shù)字化設(shè)計、自動化技術(shù)、信息化手段對核心裝備與核心業(yè)務(wù)進行改造和規(guī)范，實現(xiàn)單一業(yè)務(wù)活動的數(shù)據(jù)共享。 三級（集成級）：電池生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)采取數(shù)字化手段對產(chǎn)品進行設(shè)計、制造驗證，對裝備、系統(tǒng)等開展集成，實現(xiàn)跨業(yè)務(wù)活動的數(shù)據(jù)共享，實現(xiàn)互聯(lián)互通。 四級（優(yōu)化級）：電池生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對資源、制造過程等進行分析，實現(xiàn)對電池質(zhì)量和安全性能的精準(zhǔn)預(yù)測、閉環(huán)控制和優(yōu)化，并實現(xiàn)生產(chǎn)的互操作。 五級（引領(lǐng)級）：電池生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)基于模型持續(xù)驅(qū)動業(yè)務(wù)活動的優(yōu)化和創(chuàng)新，以實現(xiàn)黑燈工廠生產(chǎn)和產(chǎn)品自適應(yīng)定制化生產(chǎn)。 ?

?作者：陽如坤 柯奧

編輯：黃飛

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