新能源動力電池智能制造技術路線探析!

　　一、背景與形勢

　　1.1 世界工業(yè)轉型背景

　　世界工業(yè)發(fā)展已歷經三次工業(yè)革命，第一次工業(yè)革命促進人類社會進入蒸汽時代，第二次工業(yè)革命促進人類社會進入電氣時代，第三次工業(yè)革命將人類社會帶入信息時代，每次工業(yè)革命都促進了生產力的大幅提升，對人類社會文明的進步做出了巨大貢獻。目前全球工業(yè)正在推進第四次工業(yè)革命，以德國、美國為首的西方發(fā)達國家正在大力推動工業(yè)制造轉型，向智能化的生產方式發(fā)展。如德國實施的工業(yè)4.0以及美國實施的工業(yè)互聯網等國家戰(zhàn)略，其核心均是圍繞智能制造對國家工業(yè)進行升級。

　　近年來，中國制造業(yè)增加值在逐年增長的同時，整體增速卻趨于平緩，產業(yè)仍處于全球制造業(yè)產業(yè)鏈的中低端。中國經濟發(fā)展進入新常態(tài)后，制造業(yè)的問題逐步顯現，具體表現為產能過剩、制造成本居高不下，產品品質偏差、制造效率偏低以及創(chuàng)新能力不足等，這些問題桎梏著中國制造業(yè)的發(fā)展和提升。在新一輪信息技術與制造技術深度融合，新一代移動互聯網技術以及大數據、云計算技術發(fā)展應用的背景下，中國制造業(yè)也亟需通過智能制造來完成新一輪制造業(yè)的戰(zhàn)略轉型。

　　1.2 新能源汽車的發(fā)展需要

　　汽車產業(yè)是中國的支柱產業(yè)，是發(fā)展高端制造業(yè)的代表，但是傳統汽車對石油的消耗與依賴以及尾氣排放對環(huán)境的污染迫切需要發(fā)展新能源汽車。目前以中國為代表的世界汽車大國正在積極推動汽車產業(yè)的電動化轉型。作為新能源汽車心臟部件的動力電池，其成本可以占到整車成本的50%，其性能如能量密度、功率密度、高低溫耐受性、循環(huán)壽命、一致性以及安全性等是決定新能源汽車使用性能以及未來發(fā)展的重要因素。與汽車制造相似，動力電池同樣是重視制造能力的行業(yè)，高水平的動力電池生產制造能力是電池一致性、安全性和低成本的重要保障，也是決定產品市場表現的重要因素。

　　1.3 中國動力電池行業(yè)現狀

　　在中國新能源汽車產業(yè)的帶動下，動力電池產業(yè)近年來保持持續(xù)快速增長，企業(yè)產能建設規(guī)模擴張迅速，整體配套出貨量居世界第一，但也存在一些發(fā)展上的問題，具體體現在以下幾方面。

　　1.3.1 動力電池產業(yè)整體實力不強

　　2018年，中國新能源汽車總產量突破120萬輛，動力電池總配套量達到57GW·h，已產新能源汽車有近100家動力電池配套企業(yè)。在這些企業(yè)中，除了配套規(guī)模領先的龍頭企業(yè)，其他企業(yè)的實力在產品品質以及成本控制方面與國外先進水平相比還有較大差距，還無法真正參與日漸激烈的國際競爭。在動力電池產業(yè)高質量轉型突破的背景下，這些企業(yè)則面臨被市場淘汰的風險。

　　1.3.2 對動力電池產品安全重視度不高

　　2018年，新能源汽車出現了多起起火燃燒事故。據不完全統計，由動力電池引發(fā)的事故占到了65%。在當前，企業(yè)為了得到更多的財政補貼，不斷追求動力電池能量密度的快速提升，卻忽視了動力電池生產制造質量的同步提升，給新能源汽車的安全使用埋下了隱患，也影響了新能源汽車產業(yè)的健康發(fā)展。

　　1.3.3 動力電池行業(yè)亟需轉型升級

　　目前，中國動力電池產業(yè)總體產能超過250GW·h，新能源汽車配套量居世界第一，但實際配套量僅為總產能的1/5，企業(yè)實力參差不齊，產品品質整體不高，核心技術專利仍然欠缺，動力電池市場競爭越來越激烈。隨著新能源汽車補貼退出，車企對高品質動力電池的認知和理解加深，一些低端動力電池產品及企業(yè)逐漸失去市場，被淘汰出局。因此，動力電池生產企業(yè)提升發(fā)展水平，重點應立足品質，降本增效，應充分借助智能制造的發(fā)展契機，實現轉型升級。

　　二、動力電池與智能制造

　　2.1 動力電池生產制造現狀

　　動力電池生產制造包含勻漿、涂布、烘烤、輥壓、分切、卷繞/疊片、裝配、注液、封裝、化成、分容等過程[1]。在中國新能源汽車產業(yè)發(fā)展的初級階段，動力電池生產企業(yè)多由數碼電池企業(yè)轉型而來，生產過程多處于半自動化半手工狀態(tài)。隨著新能源汽車市場規(guī)模的擴大，動力電池行業(yè)也得到快速發(fā)展，自動化的生產能力日漸提高。

　　目前中國動力電池生產企業(yè)基本已實現單機單工序自動化生產過程，單線產能和生產效率也得到有效提升，目前少數先進制造水平可以達到單線2GW·h以上，產品合格率可以達到90%以上，但是與國外先進水平相比仍有差距。在新能源汽車財政補貼退出以及市場競爭加劇的形勢下，動力電池生產企業(yè)需要通過智能制造來進一步縮短研發(fā)周期，提高生產效率，降低生產成本，提升產品品質，在新一輪國內外市場競爭中占據有利位置。

　　2.2 智能制造發(fā)展現狀及內涵

　　智能制造是新一代的生產方式，最初始于20世紀80年代，并在21世紀的智能技術發(fā)展推動下逐漸形成清晰路線。智能制造是將信息技術、數字技術、網絡技術以及智能技術與生產制造深度融合的生產方式，其形成的新一代生產控制系統能在生產過程中不斷感知、分析、推理和決策，有效協同聯絡生產制造的上下游環(huán)節(jié)，從而提高生產效率和產品質量，形成和擴展新型的人機模式和商業(yè)模式。

　　2.2.1 美國智能制造發(fā)展內涵

　　美國智能制造領導聯盟指出智能制造是先進智能系統強化應用、新產品快速制造、產品需求動態(tài)響應，以及工業(yè)生產和供應鏈網絡實時優(yōu)化的制造。其核心技術是網絡化傳感器、數據互操作性、多尺度動態(tài)建模與仿真、智能自動化以及可擴展的多層次網絡安全。融合從工廠到供應鏈的所有制造，并使其對固定資產、過程和資源的虛擬追蹤橫跨整個產品的生命周期。

　　美國能源部則認為智能制造是先進傳感、儀器、監(jiān)測、控制和過程優(yōu)化的技術和實踐的組合，它們將信息和通信技術與制造環(huán)境融合在一起，實現工廠和企業(yè)中能量、生產率以及成本的實時管理。智能制造需要實現的目標有四個：產品的智能化、生產的自動化、信息流和物資流合一、價值鏈同步。

　　2.2.2 德國智能制造發(fā)展內涵

　　德國主推工業(yè)4.0戰(zhàn)略，即以智能制造為主導的第四次工業(yè)革命，在產品生命周期內對整個價值創(chuàng)造鏈的組織和控制邁上新臺階，意味著從創(chuàng)意、訂單，到研發(fā)、生產、終端客戶產品交付，再到廢物循環(huán)利用，包括與之緊密聯系的各服務行業(yè)，在各個階段都能更好地滿足日益?zhèn)€性化的客戶需求。所有參與價值創(chuàng)造的相關實體形成網絡，獲得隨時從數據中創(chuàng)造最大價值流的能力，從而實現所有相關信息的實時共享。以此為基礎，通過人、物和系統的連接，實現企業(yè)價值網絡的動態(tài)建立、實時優(yōu)化和自組織，根據不同的標準對成本、效率和能耗進行優(yōu)化。

　　2.2.3 日本智能制造發(fā)展內涵

　　日本在《日本制造業(yè)白皮書(2018)》中正式發(fā)布了“互聯工業(yè)”的概念，認為日本制造業(yè)已經處于一個“非連續(xù)創(chuàng)新”的時期，希望不僅通過機器人、信息技術、物聯網等技術的靈活應用和變革工作方式提升和優(yōu)化業(yè)務的效率，更重要的是通過靈活運用數字技術從而獲得新的附加價值。

　　2.2.4 中國智能制造發(fā)展內涵

　　中國2016年發(fā)布的《智能制造發(fā)展規(guī)劃(2016—2020)》，則是基于工業(yè)化和信息化的深度融合，通過中國現已領先的互聯網技術，實現工業(yè)領域的互聯互通，打通信息孤島，實現大數據融合，推動制造業(yè)向數字化、網絡化、智能化發(fā)展，向綠色化、服務化轉型，挖掘制造新業(yè)態(tài)，創(chuàng)造商業(yè)新模式。

　　2.3 動力電池智能制造技術路線分析

　　動力電池生產制造的終極目標是實現動力電池的大規(guī)模高度一致化的制造，保障產品的一致性和安全可靠性，并且可持續(xù)性降低生產制造成本。

　　當前來看，智能制造是實現上述目標的重要手段，綜合世界各主要國家智能制造發(fā)展內涵，以《智能制造發(fā)展規(guī)劃(2016—2020)》為指導，并結合行業(yè)特定的發(fā)展特征，動力電池實現智能制造需要實現自動化、信息化、數字化、網聯化以及智能化的高度融合及并行推進，實現從工業(yè)2.0向工業(yè)4.0發(fā)展跨越。

　　2.3.1 自動化

　　動力電池制造精髓在于高度自動化的生產過程，其生產過程對于環(huán)境有比較嚴苛的要求，需要保證恒溫、恒濕和優(yōu)質的空氣潔凈度。動力電池企業(yè)應在規(guī)劃生產線建設的時候嚴格限制人工數量，以保證外界對生產環(huán)節(jié)不產生影響，尤其是在制造前端的勻漿和涂布環(huán)節(jié)。綜合來看，動力電池各生產環(huán)節(jié)已基本實現自動化，人工參與環(huán)節(jié)在大幅減少，下一步的發(fā)展重點是要實現機器對人的全面替代，提高單機工作效率和制造精度，通過工業(yè)機器人的布局和應用，銜接動力電池生產上下游各環(huán)節(jié)，打造無人工廠，為智能制造打下基礎。

　　2.3.2 信息化

　　信息化是企業(yè)實現現代化發(fā)展轉型的管理基礎，是實現精益生產的必備手段。企業(yè)實施應用ERP、MES、PLM等企業(yè)管理、生產管理以及產品管理等信息系統來實現企業(yè)業(yè)務的橫向集成、縱向集成、端到端集成以及研發(fā)數據、生產數據、和銷售數據的融合貫通，并進一步實現動力電池產品的全生命周期追溯功能。這種信息化的管理執(zhí)行通過對人、機、料的協同規(guī)劃，實現生產過程的邏輯化、透明化和規(guī)范化，促進精益生產的開展和實施，提升生產效率、減少浪費，增強企業(yè)軟實力，為智能制造的數據開發(fā)及應用奠定基礎。

　　2.3.3 數字化

　　企業(yè)的數字化建設包含以下兩層含義：①用數字來定義制造過程的對象，動力電池制造過程中的原料、裝備、工藝、輔具以及人工等均實現數字定義，并在制造過程中產生生產大數據，企業(yè)管理系統通過對生產大數據的調用和分析來及時掌握生產狀態(tài)以及預判生產質量的發(fā)展走勢;②企業(yè)信息物理系統的構建，使現實生產與虛擬生產互相映射，現實中的生產活動在虛擬世界均能一一對應，現實生產活動的發(fā)展變化能夠在虛擬環(huán)境中被捕獲和反映，并可以通過對虛擬生產活動的調節(jié)和控制，從而影響現實當中的生產活動，做到快速反饋、快速調節(jié)和快速生效。

　　2.3.4 網聯化

　　網聯化是設備與設備之間、生產鏈條與鏈條之間達到互聯互通，實現不同來源的異構數據格式的統一以及數據語義的統一，把研發(fā)設計信息、物料信息、生產信息、管理信息和業(yè)務流程與組織再造等環(huán)節(jié)進行打通，使數據在各環(huán)節(jié)能夠被讀取和準確識別，促進物理系統和數字系統的融合，實現通信、控制和計算的融合，營造信息物理系統的執(zhí)行環(huán)境。網聯化是智能制造的重要基礎，是實現智能識別和智能控制的必備手段。

　　2.3.5 智能化

　　智能化是智能制造的追求目標，只有真正意義上實現了智能控制才能稱為智能制造。而自動化、信息化、數字化和網聯化均是智能制造實現的基礎，具備基礎條件后，企業(yè)可以形成自主的動力電池制造專家系統，通過大數據以及云計算等技術在動力電池在制造過程中實現自診斷、自分析、自糾錯和自決策等高級控制，對生產過程中的質量錯誤進行及時診斷和糾錯并高效實施，減少工序中斷環(huán)節(jié)，提高生產效率和產品品質。

　　智能制造對工業(yè)知識的生成和傳承主要依賴機器，突破了人在認知方面的限制，機器會學習制造過程中產生的海量數據，通過一定的算法進行數據訓練，形成數字模型，模型可以對再制造過程中的錯誤進行糾錯和調整，使制造一直處于正常高效的工作模式。

　　2.4 動力電池智能制造技術路線

　　基于以上分析，動力電池智能制造應是基于生產設備的高度自動化，應用現代化的企業(yè)信息管理體系執(zhí)行精益生產模式，通過生產鏈條的互聯互通以及企業(yè)信息物理系統的構建，使動力電池的生產方式具有深度自學習、自糾錯、自決策、自優(yōu)化功能從而實現智能水平，到動力電池生產制造實現優(yōu)質、高效、低成本的目標。動力電池智能制造技術路線如圖1所示。

圖 1 動力電池智能制造技術路線

　　三、結論

　　動力電池智能制造是實現動力電池行業(yè)發(fā)展轉型、提高市場競爭力的重要途徑，是提高產品品質、降低生產成本的重要保障。動力電池行業(yè)實施智能制造需要具有高度自動化的生產工藝以及精益化和信息化的管理體系作為基礎。動力電池工業(yè)實施智能制造，需要落實工業(yè)物聯網技術及工業(yè)數字模型技術兩大關鍵技術的構建與實施。

　來源：《科技與創(chuàng)新》 　作者：中國汽車技術研究中心有限公司朱成等