新能源動力電池智能制造技術(shù)路線探析!

　　一、背景與形勢

　　1.1 世界工業(yè)轉(zhuǎn)型背景

　　世界工業(yè)發(fā)展已歷經(jīng)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(chǎn)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(zhuǎn)型，向智能化的生產(chǎn)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(lián)網(wǎng)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(chǎn)業(yè)仍處于全球制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的中低端。中國經(jīng)濟發(fā)展進入新常態(tài)后，制造業(yè)的問題逐步顯現(xiàn)，具體表現(xiàn)為產(chǎn)能過剩、制造成本居高不下，產(chǎn)品品質(zhì)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(shù)與制造技術(shù)深度融合，新一代移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及大數(shù)據(jù)、云計算技術(shù)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(zhuǎn)型。

　　1.2 新能源汽車的發(fā)展需要

　　汽車產(chǎn)業(yè)是中國的支柱產(chǎn)業(yè)，是發(fā)展高端制造業(yè)的代表，但是傳統(tǒng)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(chǎn)業(yè)的電動化轉(zhuǎn)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(chǎn)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(chǎn)品市場表現(xiàn)的重要因素。

　　1.3 中國動力電池行業(yè)現(xiàn)狀

　　在中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的帶動下，動力電池產(chǎn)業(yè)近年來保持持續(xù)快速增長，企業(yè)產(chǎn)能建設(shè)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(xiàn)在以下幾方面。

　　1.3.1 動力電池產(chǎn)業(yè)整體實力不強

　　2018年，中國新能源汽車總產(chǎn)量突破120萬輛，動力電池總配套量達到57GW·h，已產(chǎn)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(lǐng)先的龍頭企業(yè)，其他企業(yè)的實力在產(chǎn)品品質(zhì)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(chǎn)業(yè)高質(zhì)量轉(zhuǎn)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(chǎn)品安全重視度不高

　　2018年，新能源汽車出現(xiàn)了多起起火燃燒事故。據(jù)不完全統(tǒng)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(chǎn)制造質(zhì)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(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

　　1.3.3 動力電池行業(yè)亟需轉(zhuǎn)型升級

　　目前，中國動力電池產(chǎn)業(yè)總體產(chǎn)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(chǎn)能的1/5，企業(yè)實力參差不齊，產(chǎn)品品質(zhì)整體不高，核心技術(shù)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(zhì)動力電池的認知和理解加深，一些低端動力電池產(chǎn)品及企業(yè)逐漸失去市場，被淘汰出局。因此，動力電池生產(chǎn)企業(yè)提升發(fā)展水平，重點應立足品質(zhì)，降本增效，應充分借助智能制造的發(fā)展契機，實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級。

　　二、動力電池與智能制造

　　2.1 動力電池生產(chǎn)制造現(xiàn)狀

　　動力電池生產(chǎn)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(chǎn)業(yè)發(fā)展的初級階段，動力電池生產(chǎn)企業(yè)多由數(shù)碼電池企業(yè)轉(zhuǎn)型而來，生產(chǎn)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(chǎn)能力日漸提高。

　　目前中國動力電池生產(chǎn)企業(yè)基本已實現(xiàn)單機單工序自動化生產(chǎn)過程，單線產(chǎn)能和生產(chǎn)效率也得到有效提升，目前少數(shù)先進制造水平可以達到單線2GW·h以上，產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，提升產(chǎn)品品質(zhì)，在新一輪國內(nèi)外市場競爭中占據(jù)有利位置。

　　2.2 智能制造發(fā)展現(xiàn)狀及內(nèi)涵

　　智能制造是新一代的生產(chǎn)方式，最初始于20世紀80年代，并在21世紀的智能技術(shù)發(fā)展推動下逐漸形成清晰路線。智能制造是將信息技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及智能技術(shù)與生產(chǎn)制造深度融合的生產(chǎn)方式，其形成的新一代生產(chǎn)控制系統(tǒng)能在生產(chǎn)過程中不斷感知、分析、推理和決策，有效協(xié)同聯(lián)絡(luò)生產(chǎn)制造的上下游環(huán)節(jié)，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)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(nèi)涵

　　美國智能制造領(lǐng)導聯(lián)盟指出智能制造是先進智能系統(tǒng)強化應用、新產(chǎn)品快速制造、產(chǎn)品需求動態(tài)響應，以及工業(yè)生產(chǎn)和供應鏈網(wǎng)絡(luò)實時優(yōu)化的制造。其核心技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)化傳感器、數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)安全。融合從工廠到供應鏈的所有制造，并使其對固定資產(chǎn)、過程和資源的虛擬追蹤橫跨整個產(chǎn)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(shù)和實踐的組合，它們將信息和通信技術(shù)與制造環(huán)境融合在一起，實現(xiàn)工廠和企業(yè)中能量、生產(chǎn)率以及成本的實時管理。智能制造需要實現(xiàn)的目標有四個：產(chǎn)品的智能化、生產(chǎn)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(nèi)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(chǎn)品生命周期內(nèi)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(chǎn)、終端客戶產(chǎn)品交付，再到廢物循環(huán)利用，包括與之緊密聯(lián)系的各服務(wù)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(guān)實體形成網(wǎng)絡(luò)，獲得隨時從數(shù)據(jù)中創(chuàng)造最大價值流的能力，從而實現(xiàn)所有相關(guān)信息的實時共享。以此為基礎(chǔ)，通過人、物和系統(tǒng)的連接，實現(xiàn)企業(yè)價值網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)建立、實時優(yōu)化和自組織，根據(jù)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(nèi)涵

　　日本在《日本制造業(yè)白皮書(2018)》中正式發(fā)布了“互聯(lián)工業(yè)”的概念，認為日本制造業(yè)已經(jīng)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(shù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的靈活應用和變革工作方式提升和優(yōu)化業(yè)務(wù)的效率，更重要的是通過靈活運用數(shù)字技術(shù)從而獲得新的附加價值。

　　2.2.4 中國智能制造發(fā)展內(nèi)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(xiàn)已領(lǐng)先的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域的互聯(lián)互通，打通信息孤島，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)融合，推動制造業(yè)向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展，向綠色化、服務(wù)化轉(zhuǎn)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(shù)路線分析

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

　　當前來看，智能制造是實現(xiàn)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(nèi)涵，以《智能制造發(fā)展規(guī)劃(2016—2020)》為指導，并結(jié)合行業(yè)特定的發(fā)展特征，動力電池實現(xiàn)智能制造需要實現(xiàn)自動化、信息化、數(shù)字化、網(wǎng)聯(lián)化以及智能化的高度融合及并行推進，實現(xiàn)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(chǎn)過程，其生產(chǎn)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(zhì)的空氣潔凈度。動力電池企業(yè)應在規(guī)劃生產(chǎn)線建設(shè)的時候嚴格限制人工數(shù)量，以保證外界對生產(chǎn)環(huán)節(jié)不產(chǎn)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(chǎn)環(huán)節(jié)已基本實現(xiàn)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(xiàn)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(chǎn)上下游各環(huán)節(jié)，打造無人工廠，為智能制造打下基礎(chǔ)。

　　2.3.2 信息化

　　信息化是企業(yè)實現(xiàn)現(xiàn)代化發(fā)展轉(zhuǎn)型的管理基礎(chǔ)，是實現(xiàn)精益生產(chǎn)的必備手段。企業(yè)實施應用ERP、MES、PLM等企業(yè)管理、生產(chǎn)管理以及產(chǎn)品管理等信息系統(tǒng)來實現(xiàn)企業(yè)業(yè)務(wù)的橫向集成、縱向集成、端到端集成以及研發(fā)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、和銷售數(shù)據(jù)的融合貫通，并進一步實現(xiàn)動力電池產(chǎn)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(xié)同規(guī)劃，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的邏輯化、透明化和規(guī)范化，促進精益生產(chǎn)的開展和實施，提升生產(chǎn)效率、減少浪費，增強企業(yè)軟實力，為智能制造的數(shù)據(jù)開發(fā)及應用奠定基礎(chǔ)。

　　2.3.3 數(shù)字化

　　企業(yè)的數(shù)字化建設(shè)包含以下兩層含義：①用數(shù)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(xiàn)數(shù)字定義，并在制造過程中產(chǎn)生生產(chǎn)大數(shù)據(jù)，企業(yè)管理系統(tǒng)通過對生產(chǎn)大數(shù)據(jù)的調(diào)用和分析來及時掌握生產(chǎn)狀態(tài)以及預判生產(chǎn)質(zhì)量的發(fā)展走勢;②企業(yè)信息物理系統(tǒng)的構(gòu)建，使現(xiàn)實生產(chǎn)與虛擬生產(chǎn)互相映射，現(xiàn)實中的生產(chǎn)活動在虛擬世界均能一一對應，現(xiàn)實生產(chǎn)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(chǎn)活動的調(diào)節(jié)和控制，從而影響現(xiàn)實當中的生產(chǎn)活動，做到快速反饋、快速調(diào)節(jié)和快速生效。

　　2.3.4 網(wǎng)聯(lián)化

　　網(wǎng)聯(lián)化是設(shè)備與設(shè)備之間、生產(chǎn)鏈條與鏈條之間達到互聯(lián)互通，實現(xiàn)不同來源的異構(gòu)數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一以及數(shù)據(jù)語義的統(tǒng)一，把研發(fā)設(shè)計信息、物料信息、生產(chǎn)信息、管理信息和業(yè)務(wù)流程與組織再造等環(huán)節(jié)進行打通，使數(shù)據(jù)在各環(huán)節(jié)能夠被讀取和準確識別，促進物理系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)的融合，實現(xiàn)通信、控制和計算的融合，營造信息物理系統(tǒng)的執(zhí)行環(huán)境。網(wǎng)聯(lián)化是智能制造的重要基礎(chǔ)，是實現(xiàn)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(xiàn)了智能控制才能稱為智能制造。而自動化、信息化、數(shù)字化和網(wǎng)聯(lián)化均是智能制造實現(xiàn)的基礎(chǔ)，具備基礎(chǔ)條件后，企業(yè)可以形成自主的動力電池制造專家系統(tǒng)，通過大數(shù)據(jù)以及云計算等技術(shù)在動力電池在制造過程中實現(xiàn)自診斷、自分析、自糾錯和自決策等高級控制，對生產(chǎn)過程中的質(zhì)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(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)。

　　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(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，通過一定的算法進行數(shù)據(jù)訓練，形成數(shù)字模型，模型可以對再制造過程中的錯誤進行糾錯和調(diào)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(shù)路線

　　基于以上分析，動力電池智能制造應是基于生產(chǎn)設(shè)備的高度自動化，應用現(xiàn)代化的企業(yè)信息管理體系執(zhí)行精益生產(chǎn)模式，通過生產(chǎn)鏈條的互聯(lián)互通以及企業(yè)信息物理系統(tǒng)的構(gòu)建，使動力電池的生產(chǎn)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(xiàn)智能水平，到動力電池生產(chǎn)制造實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低成本的目標。動力電池智能制造技術(shù)路線如圖1所示。

圖 1 動力電池智能制造技術(shù)路線

　　三、結(jié)論

　　動力電池智能制造是實現(xiàn)動力電池行業(yè)發(fā)展轉(zhuǎn)型、提高市場競爭力的重要途徑，是提高產(chǎn)品品質(zhì)、降低生產(chǎn)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(chǎn)工藝以及精益化和信息化的管理體系作為基礎(chǔ)。動力電池工業(yè)實施智能制造，需要落實工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及工業(yè)數(shù)字模型技術(shù)兩大關(guān)鍵技術(shù)的構(gòu)建與實施。

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