用數(shù)字化技術(shù)打通電池行業(yè)機(jī)理模型與數(shù)據(jù)模型的閉環(huán)

文/顏 輝

早晨，你的手環(huán)通過監(jiān)測你的睡眠數(shù)據(jù)判斷你處在“淺睡眠狀態(tài)”，觸發(fā)鬧鐘喚醒你；早飯后，你通過電子乘車碼支付公交車票；到了單位，你使用在線會議APP 與千里之外的客戶溝通技術(shù)問題；下班前，你用智能家居APP 通知空調(diào)提前打開。這都是你很熟悉的場景。

不知不覺中，人們在線上（數(shù)字世界）具有了一個(gè)鏡像（數(shù)字孿生，digital twin），互聯(lián)網(wǎng)公司通過人們的注冊信息（機(jī)理模型）和消費(fèi)行為數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)模型），不斷增強(qiáng)對人們的認(rèn)知，提升對人們的服務(wù)。不嚴(yán)格地講，這可以理解為日常生活的數(shù)字化。

根據(jù)《中國產(chǎn)業(yè)數(shù)字化報(bào)告2020》：產(chǎn)業(yè)數(shù)字化是指在新一代數(shù)字科技支撐和引領(lǐng)下，以數(shù)據(jù)為關(guān)鍵要素，以價(jià)值釋放為核心，以數(shù)據(jù)賦能為主線，對產(chǎn)業(yè)鏈上下游的全要素進(jìn)行數(shù)字化升級、轉(zhuǎn)型和再造的過程。工業(yè)產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化，一般分設(shè)計(jì)數(shù)字化、生產(chǎn)數(shù)字化和運(yùn)行數(shù)字化3個(gè)方面。

電池行業(yè)將是繼芯片后下一個(gè)萬億級戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。中國電池行業(yè)正面臨著諸多壓力：國內(nèi)新能源汽車補(bǔ)貼政策“退坡”，電池安全事故時(shí)常見諸報(bào)端，國際巨頭在中國市場推出優(yōu)質(zhì)低價(jià)的電池產(chǎn)品，歐洲抱團(tuán)整合市場積累成本優(yōu)勢。《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖（2.0 版）》提出：到2035 年我國新能源汽車動力電池技術(shù)總體基于國際領(lǐng)先，并形成完整、自主、可控的動力電池產(chǎn)業(yè)鏈。只有發(fā)展電池行業(yè)數(shù)字化技術(shù)，中國電池行業(yè)才有出路。

1 電池機(jī)理數(shù)字化模型

當(dāng)前，國內(nèi)電池企業(yè)在做電池產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，多數(shù)企業(yè)僅在電池包系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)使用CAD技術(shù)，設(shè)計(jì)、驗(yàn)證主要靠經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)。電池設(shè)計(jì)參數(shù)較多，各參數(shù)對電池性能的影響不明確，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)帶有一定的盲目性；“試錯(cuò)式設(shè)計(jì)”的效率低、周期長、成本高；某些微觀狀態(tài)（如電極應(yīng)力、SEI 生長、析鋰等）既缺乏經(jīng)驗(yàn)，也無法用實(shí)驗(yàn)測試獲取。精確測量的電池材料與電極的表征參數(shù)和電熱力等參數(shù)、專業(yè)的數(shù)字化模擬仿真工具和經(jīng)驗(yàn)豐富的模擬仿真技術(shù)人員，是建立電池機(jī)理模型必不可少的要素。

在電芯尺度，機(jī)理模型主要包含考慮電化學(xué)、微觀應(yīng)力和熱等物理場及耦合作用的電化學(xué)模型、基于電學(xué)和熱學(xué)測試的等效電路模型。電化學(xué)模型可用于電芯正向設(shè)計(jì)、性能預(yù)測、壽命預(yù)測、電極應(yīng)力、狀態(tài)估計(jì)、參數(shù)分布、濫用模擬等。等效電路模型可用于電芯及模組的熱分析、BMS 控制策略的開發(fā)等。在模組和電池包尺度，機(jī)理模型主要包含電池的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型、熱模型、一維系統(tǒng)模型等。如果要考慮材料機(jī)理模型，還需要使用材料計(jì)算（第一性原理、分子動力學(xué)、蒙特卡洛等計(jì)算方法）。

2 電池?cái)?shù)據(jù)數(shù)字化模型

國內(nèi)電池企業(yè)在電池生產(chǎn)過程中，在生產(chǎn)管理方面主要使用紙質(zhì)表單和Office 辦公軟件：人手動記錄數(shù)據(jù)容易發(fā)生錯(cuò)誤，“信息孤島式“的管理方式給數(shù)據(jù)追溯、質(zhì)量改善帶來困難，整個(gè)管理方式的不透明容易造就推諉、扯皮的企業(yè)文化。

電池生產(chǎn)過程的數(shù)字化管理，并非采購一套軟件安裝使用那樣簡單，也不是“企業(yè)要什么就開發(fā)什么”條件反射式的工作。要做好電池生產(chǎn)過程的數(shù)字化管理，需要在電池行業(yè)生產(chǎn)業(yè)務(wù)有深刻理解的信息系統(tǒng)開發(fā)實(shí)施商帶領(lǐng)下，以有“價(jià)值”的數(shù)據(jù)的獲取與整理為目標(biāo)，基于對電池生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)、質(zhì)量、工藝、計(jì)劃、物流等流程深入調(diào)研的前提下，信息系統(tǒng)開發(fā)實(shí)施商和電池生產(chǎn)企業(yè)共同組建執(zhí)行力強(qiáng)的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，將信息化系統(tǒng)方法論和電池生產(chǎn)企業(yè)的實(shí)際業(yè)務(wù)特點(diǎn)深入融合，并交付系統(tǒng)軟件、系統(tǒng)技術(shù)文檔、二次開發(fā)及報(bào)表開發(fā)方法等全套項(xiàng)目資料，并以此“數(shù)據(jù)管道”為基礎(chǔ)，構(gòu)建電池企業(yè)大數(shù)據(jù)平臺，進(jìn)一步建好數(shù)據(jù)模型，才能源源不斷獲取數(shù)據(jù)的價(jià)值。

在電池生產(chǎn)過程中，電池生產(chǎn)企業(yè)對于工廠、車間、產(chǎn)線的規(guī)劃，可以借助有電池行業(yè)經(jīng)驗(yàn)的數(shù)字化工廠規(guī)劃服務(wù)商和數(shù)字化軟件工具，由“拍腦袋”“試錯(cuò)”式的規(guī)劃方式，向“數(shù)字化仿真”式的工廠規(guī)劃過渡，以提升規(guī)劃效率、避免拆改的浪費(fèi)、提高工廠的精益性。

在國內(nèi)電池行業(yè)中，即使數(shù)字化做得好的企業(yè)，也仍然存在“設(shè)計(jì)”與“生產(chǎn)”的“業(yè)務(wù)鴻溝”：生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)的設(shè)計(jì)缺陷不能很好地反饋給設(shè)計(jì)部門，設(shè)計(jì)完全完成后才能進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)規(guī)劃。要解決這個(gè)問題，應(yīng)當(dāng)樹立企業(yè)的數(shù)字化戰(zhàn)略：即“數(shù)據(jù)”不是生產(chǎn)環(huán)節(jié)的“附屬”，而是生產(chǎn)環(huán)節(jié)的“產(chǎn)品”?！皵?shù)據(jù)倉”應(yīng)當(dāng)作為獨(dú)立于企業(yè)“原料倉”“半成品倉”“成品倉”的戰(zhàn)略倉儲。需要從企業(yè)整體業(yè)務(wù)出發(fā)，建立設(shè)計(jì)與生產(chǎn)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化存儲邏輯、整理邏輯、使用邏輯，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面考慮柔性和低代碼開發(fā)特性，從業(yè)務(wù)價(jià)值角度規(guī)劃數(shù)據(jù)的使用和呈現(xiàn)。從電池行業(yè)根本特點(diǎn)出發(fā)，以企業(yè)價(jià)值為基礎(chǔ)，不必一步到位，不必強(qiáng)制自動化，逐步建立企業(yè)的數(shù)據(jù)閉環(huán)。

3 電池行業(yè)數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展模式

電池行業(yè)數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，目前存在兩種模式：一是單個(gè)企業(yè)發(fā)展數(shù)字化技術(shù)，二是創(chuàng)新型服務(wù)平臺發(fā)展數(shù)字化技術(shù)。單個(gè)企業(yè)發(fā)展數(shù)字化技術(shù)，以寧德時(shí)代、比亞迪等行業(yè)巨頭在電池?cái)?shù)字化技術(shù)投入和發(fā)展為代表。創(chuàng)新型服務(wù)平臺發(fā)展數(shù)字化技術(shù)，以天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院和西門子工業(yè)軟件共建的“先進(jìn)電池技術(shù)創(chuàng)新中心”為典型代表。

電池行業(yè)的數(shù)字化技術(shù)，投入較大，普通中小企業(yè)很難承受；行業(yè)巨頭在數(shù)字化技術(shù)方面的成果保密性高，一般不會共享給行業(yè)其他企業(yè)。以天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院和西門子工業(yè)軟件共建的“先進(jìn)電池技術(shù)創(chuàng)新中心”為代表的創(chuàng)新型服務(wù)平臺，以電池行業(yè)數(shù)字化技術(shù)的開發(fā)和共享為盈利模式，以西門子的先進(jìn)數(shù)字化工具為基礎(chǔ)，為行業(yè)企業(yè)提供電池產(chǎn)品、工藝、工廠的數(shù)字化模擬仿真，電池行業(yè)生產(chǎn)、質(zhì)量、研發(fā)的信息化管理系統(tǒng)實(shí)施服務(wù)，很好地滿足了行業(yè)企業(yè)對數(shù)字化技術(shù)的需求和投入的平衡。

值得注意的是：2020 年7月3 日，Batteries Europe 對 外公布的《歐洲電池價(jià)值鏈的短期研究和創(chuàng)新優(yōu)先事項(xiàng)》中，“電池模組和電池包的開發(fā)、制造過程和電池管理的數(shù)字孿生，電池安全、性能、可靠性和壽命評估的方法和工具”的數(shù)字化技術(shù)被重點(diǎn)提及。當(dāng)前，作為中國“土生土長”的技術(shù)產(chǎn)業(yè)，電池行業(yè)無論在市場體量還是應(yīng)用場景都表現(xiàn)出強(qiáng)勁的優(yōu)勢，在數(shù)字化技術(shù)對工業(yè)產(chǎn)業(yè)的影響力逐漸擴(kuò)大、第四次工業(yè)革命爆發(fā)的前夜，中國的電池產(chǎn)業(yè)要密切關(guān)注和應(yīng)用電池行業(yè)數(shù)字化技術(shù)、打通電池機(jī)理模型與數(shù)據(jù)模型的閉環(huán)，推動電池產(chǎn)業(yè)的迭代升級，可不要“起了個(gè)大早，趕了個(gè)晚集”。