鋰離子動(dòng)力電池智能制造系統(tǒng)及應(yīng)用

韓有軍，胡躍明，王亞青，賈 剛，葛承杰，張春杰，黃學(xué)杰,3

（1.華南理工大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與工程學(xué)院，廣州 510640；2.廣州中國(guó)科學(xué)院 工業(yè)技術(shù)研究院，廣州 511458；3.中國(guó)科學(xué)院 物理研究所，北京 100190）

當(dāng)今，以純電動(dòng)或混合動(dòng)力為驅(qū)動(dòng)的新能源汽車已成為傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的主要方向，得益于電池系統(tǒng)的低能耗和低排放等特點(diǎn)，新能源汽車有望在未來超越或替代燃油汽車[1]。鋰離子電池作為鎳氫和鉛酸電池的升級(jí)產(chǎn)品，具備高能量密度、高倍率、高安全性等特點(diǎn)，已成為當(dāng)下技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)化的重點(diǎn)[2]。鋰離子電池的高性能是決定新能源汽車產(chǎn)業(yè)未來健康發(fā)展的重要因素[3]。在過去的20年里，包括中國(guó)在內(nèi)的世界各國(guó)，在電池各項(xiàng)技術(shù)方面取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展[4]。吳怡芳等[5]提到正極材料由鈷酸鋰體系發(fā)展到磷酸鐵鋰和三元體系，再到當(dāng)前研究的熱點(diǎn)高鎳和富錳體系。周軍華等[6]提到負(fù)極材料由石墨體系到硅碳體系，再到當(dāng)前研究的熱點(diǎn)合金負(fù)極材料體系。王玲玲等[7]提出的電池制造工藝，包括合漿、涂敷、輥壓、切片、焊接和注液化成等工藝的改進(jìn)對(duì)電池性能的影響。

隨著多項(xiàng)技術(shù)的快速發(fā)展，鋰離子電池產(chǎn)品的定性存在不確定性，多種技術(shù)的匹配和鋰離子電池性能之間的關(guān)系仍未得到充分理解，參數(shù)的選擇和匹配仍以人為認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整[8]，導(dǎo)致未能形成鋰離子電池的定型生產(chǎn)模式。因此，有必要發(fā)展鋰離子電池智能制造系統(tǒng)，揭示鋰離子電池生產(chǎn)過程中多因素交互關(guān)系對(duì)鋰離子電池性能的影響[9]。

為此，提出了一種鋰離子電池生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集方法，實(shí)現(xiàn)電池正負(fù)極材料、中間品、電解液配比、設(shè)備制造工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)采集，并結(jié)合數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以鋰離子電池最優(yōu)性能為目標(biāo)，篩選出電池正負(fù)極材料、制造工藝參數(shù)、電解液配方等之間的最佳匹配關(guān)系，縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期，為電池企業(yè)的產(chǎn)品規(guī)模生產(chǎn)提供產(chǎn)品定型前的技術(shù)支持。

1 鋰離子單體電池制造特性

鋰離子單體電池制造包括電極制造和單體電池（電芯）制造[10]。整個(gè)制造過程包括材料的投入、中間產(chǎn)品的產(chǎn)出、制造工藝參數(shù)的選擇等工藝步驟，最終輸出鋰離子電池產(chǎn)品。各個(gè)工序之間的多種相互關(guān)系對(duì)產(chǎn)品的性能有著重要的影響。鋰離子電池制備流程與特性如圖1所示。

圖1 鋰離子電池制備流程與特性

鋰離子電池制造的連續(xù)和離散相結(jié)合的特性，以及部分材料由于是粉末或漿料狀態(tài)使采集和跟蹤整個(gè)生產(chǎn)過程的材料信息、制造工藝信息、中間產(chǎn)品信息變得困難[11]。

隨著數(shù)字化和信息化水平的提高，尤其是物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)在生產(chǎn)線上的應(yīng)用，可以在生產(chǎn)線上獲取更多的數(shù)據(jù)。王帥等[12]討論了基于OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的互聯(lián)互通。黃剛等[13]提出了離散制造行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在車間級(jí)的應(yīng)用方法。陳甦欣等[14]針對(duì)電池生產(chǎn)工藝，提出一種以監(jiān)視控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相結(jié)合的架構(gòu)，解決了車間信息孤島問題。綜上所述，鋰離子電池制造領(lǐng)域在智能信息技術(shù)的應(yīng)用研究方面仍存在空白。因此，在鋰離子電池制造過程中需要利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)過程中的材料進(jìn)行編碼和標(biāo)識(shí)，結(jié)合數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析，評(píng)估制造過程中大量數(shù)據(jù)之間的關(guān)系及對(duì)鋰離子電池產(chǎn)品性能的影響。

2 制造數(shù)據(jù)采集方法研究

鋰離子電池制造過程會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，根據(jù)上文鋰離子電池制造特性分析（圖1），電池材料投入制造過程，經(jīng)過n個(gè)生產(chǎn)加工過程后，輸出最終的鋰離子電池產(chǎn)品。材料、制造參數(shù)、中間產(chǎn)品與最終產(chǎn)品的關(guān)系如圖2所示。

圖2 材料、制造參數(shù)、中間產(chǎn)品與最終產(chǎn)品的關(guān)系

數(shù)據(jù)采集的信息模型描述如下：

式中：DTprod為最終產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型；DTmateriel為電池材料數(shù)據(jù)模型；DTprocess 為制造過程數(shù)據(jù)模型；DTMiddle為中間產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型。

在整個(gè)電池制造過程中，材料、中間產(chǎn)出物和最終產(chǎn)品屬于鋰離子電池制造過程材料形態(tài)的轉(zhuǎn)變過程。因此，鋰離子電池制造數(shù)據(jù)采集主要包括兩大部分：制造設(shè)備的工藝數(shù)據(jù)和材料流轉(zhuǎn)過程的數(shù)據(jù)。

2.1 制造設(shè)備工藝參數(shù)采集方法

如前所述，不同的制造工藝參數(shù)導(dǎo)致鋰離子電池產(chǎn)品性能的不同，當(dāng)前設(shè)備工藝參數(shù)的設(shè)定仍以人為認(rèn)知的方式設(shè)定，主要原因之一是鋰離子電池生產(chǎn)制造過程存在控制系統(tǒng)異構(gòu)[15]，導(dǎo)致數(shù)據(jù)信息難以互聯(lián)互通，存在“信息孤島”問題。因此，有必要采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議實(shí)現(xiàn)鋰離子電池制造設(shè)備的信息采集。

OPC統(tǒng)一架構(gòu)（OPC UA）是OPC基金會(huì)發(fā)布的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，它定義了一套通用的數(shù)據(jù)描述和語(yǔ)法表達(dá)方法，每種異構(gòu)的控制系統(tǒng)都可采用OPC UA的信息模型描述自身信息，通過OPC信息建模，可被第三方系統(tǒng)獲取異構(gòu)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)[16]。針對(duì)鋰離子電池制造設(shè)備的多協(xié)議接入，通過數(shù)據(jù)配置和映射建立與設(shè)備數(shù)據(jù)信息地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用OPC UA轉(zhuǎn)化層，將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至智能系統(tǒng)的OPC UA客戶端。OPC服務(wù)器/客戶端的通信方式如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集三層架構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層：主要包括鋰離子電池制造用自動(dòng)化設(shè)備，涉及的通訊協(xié)議有Modbus RTU、Modbus TCP、三菱MC和CC-Link、西門子Profinet等，以上設(shè)備控制系統(tǒng)均設(shè)置為從站。

OPC Sever：在OPC服務(wù)器中構(gòu)建與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的空間節(jié)點(diǎn)，建立與設(shè)備的通信通道，并將設(shè)備層多種異構(gòu)的通信協(xié)議接入到OPC服務(wù)器中。

OPC Client：客戶端部署在上層管理系統(tǒng)中，負(fù)責(zé)偵聽端口和讀取OPC UA服務(wù)器中的模型節(jié)點(diǎn)與地址空間。

本系統(tǒng)利用OPC UA SDK軟件開發(fā)工具包二次開發(fā)生成的組態(tài)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與傳輸。制造設(shè)備工藝數(shù)據(jù)采集方法如圖4所示。

圖4 制造設(shè)備工藝數(shù)據(jù)采集方法

2.2 材料流轉(zhuǎn)過程數(shù)據(jù)采集方法

由于材料的形態(tài)和特征不同，部分材料如正負(fù)極材料、正負(fù)極漿料、正負(fù)電極和電解液等，無法直接在材料本身進(jìn)行標(biāo)識(shí)和采集。因此，可根據(jù)各個(gè)工序的流程特點(diǎn)，確定材料流通過程的載體，以RFID標(biāo)簽和二維碼相結(jié)合的方式進(jìn)行標(biāo)識(shí)[17]，見表1。通過上層智能系統(tǒng)，將材料過程數(shù)據(jù)寫入到數(shù)據(jù)庫(kù)并綁定標(biāo)簽號(hào)，形成載體標(biāo)簽號(hào)與載體內(nèi)材料的一對(duì)多或一對(duì)一的關(guān)聯(lián)關(guān)系，見表1。

表1 材料與載體的對(duì)應(yīng)關(guān)系

RFID讀寫器采集到的標(biāo)簽信息可作為材料的原始數(shù)據(jù)，DTmateriel=，其中Tag代表材料的RFID編號(hào)及系統(tǒng)綁定的材料工藝和質(zhì)量數(shù)據(jù)；Read代表讀取標(biāo)簽的閱讀器所在的編號(hào)和工位；Time代表讀取該材料標(biāo)簽的時(shí)間。當(dāng)材料進(jìn)入工序加工時(shí)，該工序的讀寫器會(huì)多次讀取信息，需要對(duì)讀取的信息進(jìn)行初步處理，可對(duì)讀寫器讀到的多個(gè)記錄進(jìn)行合并，只保留標(biāo)簽在該工序的開始和結(jié)束時(shí)間，從而完成了中間產(chǎn)品的產(chǎn)出，即DT Middle≤Tag、Read、Time、Time，＞，其中，Time和Time，代表材料進(jìn)入和離開該工序的時(shí)間。經(jīng)過多個(gè)工序的加工形成最終產(chǎn)品，即DTprod Final≤Tag（1，…，n）（Read1、Time1），（Read2，Time2），（Read3、Time3），…，（Readn、Timen）＞，即為中間產(chǎn)品的集合。材料與中間產(chǎn)品、中間產(chǎn)品與最終產(chǎn)品的關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖5所示。

圖5 RFID數(shù)據(jù)采集模型

材料數(shù)據(jù)采集過程如圖6所示。通常二維碼讀頭配有RS232/RS485串口和兼容主流儀表Modbus RTU標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，即Modbus TCP/RTU協(xié)議均可接入OPC服務(wù)器/客戶端架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)材料信息的實(shí)時(shí)采集。

圖6 材料數(shù)據(jù)采集過程

3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)庫(kù)建模方法

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)系與數(shù)據(jù)庫(kù)建?？蔀殇囯x子電池制造過程的大數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)檢索和數(shù)據(jù)維護(hù)等功能。采用面向結(jié)構(gòu)的IDEF1x建模方法，對(duì)鋰離子電池制造過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)建模。IDEF1x支持?jǐn)?shù)據(jù)建模，描述系統(tǒng)數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)關(guān)系，經(jīng)常用于數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)[18]。將材料信息、制造工藝信息、電解液配方單獨(dú)封裝成一個(gè)實(shí)體，各實(shí)體以唯一編碼作為主鍵。中間產(chǎn)品質(zhì)量和電芯質(zhì)量實(shí)體分別與材料、制造工藝、電解液配方實(shí)體形成數(shù)據(jù)庫(kù)子父關(guān)系，表示數(shù)據(jù)庫(kù)表單之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。產(chǎn)品下線后，可通過實(shí)體唯一編號(hào)追溯該產(chǎn)品的信息。數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)建模如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)建模

4 智能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與結(jié)果

智能系統(tǒng)采用的是基于客戶端/服務(wù)器的C/S架構(gòu)和基于瀏覽器/服務(wù)器的B/S架構(gòu)相結(jié)合的方式，制造實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集采用C/S架構(gòu)，部署在B/S架構(gòu)的智能系統(tǒng)內(nèi)。數(shù)據(jù)采集采用C語(yǔ)言編寫，智能系統(tǒng)采用C#作為開發(fā)語(yǔ)言，Microsoft SQL Server 2008作為數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，Visual Studio 2010作為開發(fā)工具，以此來設(shè)計(jì)和開發(fā)鋰離子電池生產(chǎn)制造智能系統(tǒng)。該系統(tǒng)部署在中國(guó)科學(xué)院某研究所的軟包電池試制線中，以單體電池（電芯）的最優(yōu)性能為目標(biāo)，反向追溯該產(chǎn)品所使用的材料信息、制造工藝信息和電解液配方信息，形成多批次多產(chǎn)品的綜合對(duì)比，快速收斂它們之間的最佳匹配關(guān)系。設(shè)備制造數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)監(jiān)控和追溯統(tǒng)計(jì)界面如圖8所示。

圖8 設(shè)備制造數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)監(jiān)控和追溯統(tǒng)計(jì)界面

單體電池性能的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)由系統(tǒng)用戶根據(jù)首周充放電容量、第2周充放電容量和第100周充放電容量綜合獲取電池性能分?jǐn)?shù)（0~100分）。系統(tǒng)以材料變量A（具體參數(shù)A1、A2、A3），制造工藝過程數(shù)據(jù)B（具體參數(shù)B1、B2、B3），電解液配方數(shù)據(jù)C（具體配方C1、C2、C3）為例，通過智能系統(tǒng)的追溯查詢模塊，根據(jù)電池批號(hào)查詢或掃碼等方式，形成多電池過程參數(shù)（材料、制造工藝、電解液配方）的BOM信息。產(chǎn)品性能與過程因素的關(guān)系如圖9所示。

圖9 產(chǎn)品性能與過程因素的關(guān)系

通過電池性能結(jié)果的排序，可篩選出鋰離子電池最優(yōu)性能所使用的過程參數(shù)為：材料變量A2、制造工藝變量B1和電解液變量C2的最優(yōu)匹配關(guān)系，從而為科研人員提供產(chǎn)品研發(fā)與試制的條件，縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著鋰離子電池各項(xiàng)技術(shù)的快速發(fā)展，鋰離子電池產(chǎn)品定型存在不確定性，導(dǎo)致科研成果產(chǎn)業(yè)化周期過長(zhǎng)。面向科研智能化，提出鋰離子電池智能制造系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)方法，結(jié)合數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析，以最終產(chǎn)品最優(yōu)值為目標(biāo)，快速收斂過程中材料、制造工藝、電解液配比的最佳匹配關(guān)系，為新產(chǎn)品規(guī)模生產(chǎn)前提供定型生產(chǎn)工藝技術(shù)包。未來的工作將集中在鋰離子電池制造大數(shù)據(jù)的分析研究方面，可根據(jù)最終產(chǎn)品的規(guī)格型號(hào)，由智能系統(tǒng)自動(dòng)優(yōu)化出生產(chǎn)該產(chǎn)品的過程因素匹配關(guān)系，進(jìn)一步提升產(chǎn)品的品質(zhì)一致性。