電池智能制造實(shí)現(xiàn)的路徑

縱觀中國動力電池生產(chǎn)制造發(fā)展歷程，動力電池制造技術(shù)已從半自動起步逐漸從模仿階段走向大規(guī)模、數(shù)字化、智能化制造階段，并且在制造效率，制造合格率方面不斷提升。

雖然目前國內(nèi)動力電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展“高歌猛進(jìn)”，但在制造方面還存在一些痛點(diǎn)問題，從全球價(jià)值鏈上來看，產(chǎn)業(yè)核心競爭力仍然不強(qiáng)，一方面我國已經(jīng)不能延續(xù)21世紀(jì)初期依靠人口紅利的發(fā)展模式，即廉價(jià)勞動力消失。另一方面，產(chǎn)業(yè)的自動化、智能化程度相較于發(fā)達(dá)國家還較低，表現(xiàn)為電池制造的合格率、材料利用率、產(chǎn)能利用率較低，無法滿足高速增長的新能源汽車市場對動力電池產(chǎn)能尤其是高端產(chǎn)能的迫切需求。

在此背景下，我國政府也提出要實(shí)現(xiàn)智能制造，在“十三五”、“十四五”期間連續(xù)編制智能制造發(fā)展規(guī)劃，促進(jìn)制造業(yè)企業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型，向制造強(qiáng)國邁進(jìn)。

智能制造是動力電池生產(chǎn)的趨勢，要在高度自動化的基礎(chǔ)上全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化，以期實(shí)現(xiàn)動力電池制造“高精度、高速度、高可靠性”的發(fā)展目標(biāo)。

從第一性原理的基礎(chǔ)思路出發(fā)，加速智能化改造的主要實(shí)現(xiàn)方向有以下三點(diǎn)：

▲儲能電池智能制造實(shí)現(xiàn)的路徑

01

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，正如《指南》所講：“智能制造、標(biāo)準(zhǔn)先行”，儲能電池大規(guī)模制造需要采用標(biāo)準(zhǔn)化的手段，需要一系列標(biāo)準(zhǔn)體系的支撐。儲能電池技術(shù)起步較晚，其設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、使用缺少完整標(biāo)準(zhǔn)，尤其針對鋰電池行業(yè)裝備的互聯(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(yán)重缺少。面對儲能電池智能制造發(fā)展的新形勢、新機(jī)遇和新挑戰(zhàn)，有必要系統(tǒng)梳理現(xiàn)有相關(guān)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，明確儲能電池制造集成的需求，從基礎(chǔ)共性，關(guān)鍵技術(shù)以及儲能電池行業(yè)應(yīng)用等方面，建立一整套標(biāo)準(zhǔn)體系來支撐儲能電池產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展。

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

?首先要實(shí)現(xiàn)電池尺寸規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)化，目前國內(nèi)80多家儲能電池企業(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(yán)重限制了儲能電池大規(guī)模制造能力的提升。借鑒目前應(yīng)該總結(jié)過去的經(jīng)驗(yàn)及給我們產(chǎn)業(yè)造成的損失，盡快制定出儲能電池尺寸規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，需要將電池規(guī)格型號限制在10種左右。

?其次要實(shí)現(xiàn)儲能電池設(shè)計(jì)及基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)化，需要建立儲能電池領(lǐng)域元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，元數(shù)據(jù)是關(guān)于數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，是儲能電池設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用的基礎(chǔ)。科技部國家科學(xué)數(shù)據(jù)共享工程的《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(shí)的選取原則，可以參照此原則制定儲能電池領(lǐng)域元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

?最后要實(shí)現(xiàn)儲能電池制造標(biāo)準(zhǔn)化，儲能電池制造過程復(fù)雜，工藝流程長，產(chǎn)線生產(chǎn)設(shè)備眾多，而且同一條產(chǎn)線的生產(chǎn)設(shè)備往往來自于不同的設(shè)備廠家，采用不同的通訊接口和通訊協(xié)議，設(shè)備之間缺乏互聯(lián)互通互操作的基礎(chǔ)。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)備通訊接口規(guī)范，進(jìn)行數(shù)據(jù)治理，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線設(shè)備和企業(yè)信息化系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)OT與IT深度融合，利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)、外部信息集成，優(yōu)化電池制造資源配置及過程管控。

02

模型化

數(shù)學(xué)模型是智能化的基礎(chǔ)，是把制造工廠、物料、機(jī)器、過程轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以識別、優(yōu)化、提升的基本手段。儲能電池制造需要建立包括電池模型、工廠模型、設(shè)備模型、工藝模型、以及質(zhì)量模型等。

▲儲能電池制造模型體系

模型化是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化制造的基礎(chǔ)，模型需要能準(zhǔn)確完整描述對象的真實(shí)屬性，同時(shí)，模型的建立是一個不斷調(diào)整優(yōu)化的過程。模型化和數(shù)字化是一個互相促進(jìn)的過程，有理論模型的過程和物理量可以現(xiàn)有模型將模型數(shù)字化；沒有模型或難以用準(zhǔn)確理論模型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，這可以很好的解決制造過程算數(shù)和質(zhì)量優(yōu)化問題，這也數(shù)字化、智能化給制造業(yè)帶來的紅利。

03

數(shù)字化

儲能電池行業(yè)需要建立數(shù)字化研制體系，包括數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化制造及數(shù)字化應(yīng)用等方面。如下圖為儲能電池?cái)?shù)字化研制體系。

▲儲能電池?cái)?shù)字化研制體系

?數(shù)字化設(shè)計(jì)：電池設(shè)計(jì)包括材料設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝設(shè)計(jì)等。電池設(shè)計(jì)過程需要應(yīng)用專業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)工具、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工具，需要建立電化學(xué)仿真模型、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。需要運(yùn)用工廠仿真、過程仿真、虛擬調(diào)試等技術(shù)手段，建立起實(shí)際生產(chǎn)過程與虛擬生產(chǎn)過程的數(shù)字化雙胞胎映射系統(tǒng)。設(shè)計(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì)及優(yōu)化，以加快產(chǎn)品從構(gòu)思到投產(chǎn)的周期，減少失誤，降低成本。

?數(shù)字化應(yīng)用：包括電池質(zhì)量閉環(huán)控制，電池追溯系統(tǒng)的建立，產(chǎn)品大數(shù)據(jù)分析等。數(shù)字化應(yīng)用需要建立電池設(shè)計(jì)、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。

通過電池?cái)?shù)字化設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用全流程系統(tǒng)的建立，可以實(shí)現(xiàn)電池高效設(shè)計(jì)、高質(zhì)量、低成本制造及可靠的安全管控。

04

展望

智能制造是一項(xiàng)長期的系統(tǒng)工程，核心是用數(shù)據(jù)解決制造中質(zhì)量、效率和安全問題，為產(chǎn)業(yè)帶來更大的價(jià)值，實(shí)現(xiàn)智能制造道阻且長，然行則將至，相信在未來的發(fā)展中，電池裝備產(chǎn)業(yè)一定會涌現(xiàn)出越來越多創(chuàng)新驅(qū)動的智能制造企業(yè)！