電池工廠的建設(shè)與智能制造實(shí)現(xiàn)路徑

陽(yáng)如坤

摘要：據(jù)統(tǒng)計(jì)，2022年，中國(guó)新能源乘用車市場(chǎng)動(dòng)力電池裝機(jī)量230.73GW·h，同比增長(zhǎng)86.24%。預(yù)計(jì)2023年，全球電動(dòng)車對(duì)動(dòng)力電池的需求達(dá)406GW·h，而動(dòng)力電池供應(yīng)預(yù)計(jì)為335GW·h，缺口約18%；到2025年，這一缺口將擴(kuò)大到約40%。因此，各大電池生產(chǎn)企業(yè)不斷增建新廠，以滿足整車市場(chǎng)的裝機(jī)需求。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池；工廠；設(shè)備；智能制造；路徑

2022年，我國(guó)新能源汽車市場(chǎng)繼續(xù)爆發(fā)，全年產(chǎn)銷分別完成705.8萬(wàn)輛和688.7萬(wàn)輛，同比分別增長(zhǎng)96.9%和93.4%，市場(chǎng)占有率達(dá)到25.6%。

新能源汽車的熱銷也帶動(dòng)了動(dòng)力電池裝機(jī)量的大幅增長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2022年，中國(guó)新能源乘用車市場(chǎng)動(dòng)力電池裝機(jī)量230.73GW·h，同比增長(zhǎng)86.24%。預(yù)計(jì)2023年，全球電動(dòng)車對(duì)動(dòng)力電池的需求達(dá)406GW·h，而動(dòng)力電池供應(yīng)預(yù)計(jì)為335GW·h，缺口約18%；到2025年，這一缺口將擴(kuò)大到約40%。因此，各大電池生產(chǎn)企業(yè)不斷增建新廠，以滿足整車市場(chǎng)的裝機(jī)需求。

電池工廠建設(shè)的基本原則

電池制造工廠的建設(shè)，主要考慮在滿足電池性能條件下，電池制造的安全、合格率、效率、系統(tǒng)的柔性及建成的速度，以快速適應(yīng)市場(chǎng)的需求，帶來(lái)最大的經(jīng)濟(jì)效益。

電池大規(guī)模生產(chǎn)的條件

為了滿足電池快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，如何保證電池的大規(guī)模生產(chǎn)是目前需要重點(diǎn)考慮的問題。高質(zhì)量、高安全性、低成本——這是行業(yè)一直以來(lái)對(duì)電池生產(chǎn)的追求，也是保證大規(guī)模生產(chǎn)的關(guān)鍵。

綜合考慮目前的電池技術(shù)、材料、裝備的保障能力，動(dòng)力電池大規(guī)模智能制造應(yīng)滿足如下基本條件：

1）生產(chǎn)型號(hào)單一化：?jiǎn)萎a(chǎn)線生產(chǎn)的尺寸規(guī)格型號(hào)1-2個(gè)。

2）整線制造能力：4GW·h以上，單臺(tái)設(shè)備的產(chǎn)能不小于0.5～1.0GW·h。

3）制造合格率96%以上。

4）材料利用率95%以上。

5）制造成本0.08～0.1元/W·h。

6）安全控制、環(huán)境、環(huán)保指標(biāo)及能耗指標(biāo)控制優(yōu)化措施。

7）來(lái)料數(shù)字化、過程數(shù)字化、設(shè)備網(wǎng)絡(luò)互連及大數(shù)據(jù)優(yōu)化。

電池制造目標(biāo)分解

在明確電池制造目標(biāo)的前提下，接下來(lái)是對(duì)電池制造目標(biāo)細(xì)節(jié)分解，主要包括：制造安全目標(biāo)分解及管控措施、電池直通率目標(biāo)分解到各電池制造子系統(tǒng)、成本目標(biāo)分解、材料利用率目標(biāo)分解及生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)率（Down Time）目標(biāo)分解。這五個(gè)方面還可以根據(jù)工廠自身建設(shè)的條件進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化分解，直到落實(shí)到材料、工藝、設(shè)備及環(huán)境的選擇確定。制造目標(biāo)分解如圖1所示。

制造合格率分解

電池電芯工廠主要分為六大模塊，電池設(shè)計(jì)的首要任務(wù)是在選擇合理的電池結(jié)構(gòu)后，針對(duì)合格率指標(biāo)，根據(jù)制程控制的難易程度和可能達(dá)到的目標(biāo)，將總體合格率目標(biāo)按照核心影響因素原則分解到各大模塊，確定模塊的關(guān)鍵產(chǎn)品特性KPC（Key Product Characteristics）的工序能力（Cpk），再進(jìn)一步Cpk分解到模塊內(nèi)的核心工序，這是從上到下的分解。再根據(jù)各個(gè)工序工藝方法的關(guān)鍵控制特性KCC （Key Control Characteristics） 可能達(dá)到的工序控制能力Cpk值和設(shè)備投入進(jìn)行綜合分析，總體核算整線設(shè)備投入，以及各個(gè)工序控制點(diǎn)Cpk的保證能力、可靠性和穩(wěn)定性，達(dá)到設(shè)備投入與制造質(zhì)量的最優(yōu)化。電芯制造合格率分解如圖2所示。

在設(shè)備規(guī)劃時(shí)，一般根據(jù)工序質(zhì)量控制的難易程度及產(chǎn)線投入成本進(jìn)行Cpk綜合分解平衡，反復(fù)迭代優(yōu)化到最佳設(shè)計(jì)。即同樣的投入，達(dá)到最佳的質(zhì)量；或者保證質(zhì)量要求前提下最少的設(shè)備投入，同時(shí)還要考慮設(shè)備和產(chǎn)線的綜合輸出產(chǎn)能。

由于這些設(shè)備是由不同的廠商提供，采用的也是多種不同的協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)，面向各種不同的應(yīng)用要求，因此智能工廠集成不僅需要將不同廠家提供的不同產(chǎn)品結(jié)合在一起，還要有科學(xué)的方法讓它們能夠互聯(lián)、互操作，不產(chǎn)生沖突。更為重要的是，整個(gè)系統(tǒng)要達(dá)到系統(tǒng)性能最優(yōu)，成本最低，生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量最好，同時(shí)將來(lái)容易擴(kuò)充和維護(hù)。

電池生產(chǎn)設(shè)備選擇原則

（1）設(shè)備選擇原則 電池生產(chǎn)設(shè)備的選擇應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則：技術(shù)先進(jìn)性、生產(chǎn)適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)合理性、相互兼容性及人機(jī)友好性。

（2）設(shè)備綜合選擇 裝備是提升制造合格率和制造效率的，設(shè)備投入影響設(shè)備的質(zhì)量，電芯制造的合格率也就高。如圖３所示，縱軸代表成本（設(shè)備投入成本，合格率變化帶來(lái)成本改變），橫軸代表合格率，圖３中曲線①為設(shè)備投入曲線，設(shè)備投入增加，合格率也提升；曲線②由于合格率提升帶來(lái)成本損失減少；③為曲線①與②的合成?？梢钥闯觯呵€③表示設(shè)備投入增加，合格率提升綜合成本逐步下降，但隨著設(shè)備投入增加，合格率提升有限，降低廢品損失的程度也逐步減少，因而綜合成本會(huì)逐步上升?？傊O(shè)備的投入與成本有一個(gè)最優(yōu)點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)就是設(shè)備投入的最佳選擇。

① 設(shè)備投入曲線；② 制造不合格導(dǎo)致的質(zhì)量損失；

③ 綜合成本曲線。

按照目前電池產(chǎn)業(yè)大規(guī)模制造合格率只有90%～93%的現(xiàn)狀，提升電芯制造合格率還有較大提升空間，同時(shí)也有較大的難度和更大的企業(yè)價(jià)值，可以說(shuō)中國(guó)電池制造進(jìn)入產(chǎn)品制造質(zhì)量攻堅(jiān)階段。

按照電芯材料成本0.5元/W·h計(jì)算，電池制造工廠生產(chǎn)每GW·h提升1%的合格率，將有500萬(wàn)元的利潤(rùn)增加，如果考慮篩選合格的電芯中的一些隱含缺陷和使用中暴露的問題，合格率提升對(duì)電池企業(yè)將有更大的價(jià)值。2022年中國(guó)累計(jì)輸出546GW·h，電池企業(yè)全面提升合格率1%，將有27.3億元利潤(rùn)的增加，況且，目前中國(guó)電池制造合格率的空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止1%。

智能工廠設(shè)計(jì)流程

智能工廠的規(guī)劃建設(shè)是一個(gè)十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程，如何設(shè)計(jì)鋰電池智能工廠也是一個(gè)難題，需要進(jìn)行詳細(xì)的分析與規(guī)劃，經(jīng)過詳細(xì)的項(xiàng)目方案評(píng)審，再到方案的落地以及設(shè)計(jì)。智能工廠的設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

電池智能工廠的規(guī)劃設(shè)計(jì)一般分6個(gè)步驟進(jìn)行：

1）智能工廠的總輸入是企業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略。

2）做詳細(xì)的市場(chǎng)調(diào)研、分析，確定項(xiàng)目產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域。

3）根據(jù)識(shí)別出的需求，站在智能工廠的高度，對(duì)企業(yè)的組織、管理模式、業(yè)務(wù)流程、技術(shù)手段和數(shù)據(jù)開發(fā)利用等進(jìn)行診斷和評(píng)估。

4）根據(jù)產(chǎn)品定位以及工廠目標(biāo)，進(jìn)行電芯的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)電芯的基本參數(shù)。

5）項(xiàng)目方案評(píng)審，包括對(duì)項(xiàng)目投資預(yù)算和方案可行性進(jìn)行評(píng)審。

6）確認(rèn)項(xiàng)目方案和實(shí)施計(jì)劃，落實(shí)總項(xiàng)目和分項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人和團(tuán)隊(duì)。

總體設(shè)計(jì)思路如圖5所示。

主流程為根據(jù)電池性能要求，進(jìn)行材料選擇配置設(shè)計(jì)、電池設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備選型及設(shè)備開發(fā)制造，其他為輔助設(shè)計(jì)流程。

電池智能制造實(shí)現(xiàn)的路徑

采用標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化、智能化等技術(shù)手段，依托物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)線數(shù)字化改造及建設(shè)，實(shí)現(xiàn)增效降本，已成為動(dòng)力電池裝備制造大規(guī)模、高質(zhì)量制造的必然途徑。

在此背景下，我國(guó)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)化及智能化轉(zhuǎn)型，向制造強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)。

智能制造是動(dòng)力電池生產(chǎn)的趨勢(shì)，要在高度自動(dòng)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(dòng)力電池制造“高精度、高速度及高可靠性”的發(fā)展目標(biāo)。

1.標(biāo)準(zhǔn)化

儲(chǔ)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。面對(duì)儲(chǔ)能電池智能制造發(fā)展的新形勢(shì)、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(chǔ)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(chǔ)能電池行業(yè)應(yīng)用等方面，建立一整套標(biāo)準(zhǔn)體系來(lái)支撐儲(chǔ)能電池產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展。

首先，要實(shí)現(xiàn)電池尺寸規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)化。目前國(guó)內(nèi)80多家儲(chǔ)能電池企業(yè)有150多種電池規(guī)格型號(hào)，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(chǔ)能電池大規(guī)模制造能力的提升?？偨Y(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(chǔ)能電池尺寸規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，需要將電池規(guī)格型號(hào)限制在10種左右。

其次，要實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池設(shè)計(jì)及基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)化。需要建立儲(chǔ)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(chǔ)能電池設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用的基礎(chǔ)?？萍疾繃?guó)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(chǔ)能電池領(lǐng)域元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

最后，要實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池制造標(biāo)準(zhǔn)化。儲(chǔ)能電池制造過程復(fù)雜，工藝流程長(zhǎng)，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(lái)自于不同的廠家，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)。因此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(tái)，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。

2.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(shí)別、優(yōu)化、提升的基本手段。儲(chǔ)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。

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(duì)象的真實(shí)屬性，同時(shí)，模型的建立是一個(gè)不斷調(diào)整優(yōu)化的過程。模型化和數(shù)字化是一個(gè)互相促進(jìn)的過程，有理論模型的過程和物理量可以將現(xiàn)有模型數(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，可以很好地解決制造過程算數(shù)和質(zhì)量?jī)?yōu)化問題，這也是數(shù)字化、智能化給制造業(yè)帶來(lái)的紅利。

3.數(shù)字化

儲(chǔ)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。

（1）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。

（2）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(duì)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。

（3）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(tái)。

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。

智能制造是一項(xiàng)長(zhǎng)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(lái)更大的價(jià)值。