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      新能源动力电池智能制造技术路线探析!

      《科技与创新》发布时间:2022-12-12 12:06:27  作者:朱成 等

        一、背景与形势

        1.1 世界工业转型背景

        世界工业发展已历经三次工业革命,第一次工业革命促进人类社会进入蒸汽时代,第二次工业革命促进人类社会进入电气时代,第三次工业革命将人类社会带入信息时代,每次工业革命都促进了生产力的大幅提升,对人类社会文明的进步做出了巨大贡献。目前全球工业正在推进第四次工业革命,以德国、美国为首的西方发达国家正在大力推动工业制造转型,向智能化的生产方式发展。如德国实施的工业4.0以及美国实施的工业互联网等国家战略,其核心均是围绕智能制造对国家工业进行升级。

        近年来,中国制造业增加值在逐年增长的同时,整体增速却趋于平缓,产业仍处于全球制造业产业链的中低端。中国经济发展进入新常态后,制造业的问题逐步显现,具体表现为产能过剩、制造成本居高不下,产品品质偏差、制造效率偏低以及创新能力不足等,这些问题桎梏着中国制造业的发展和提升。在新一轮信息技术与制造技术深度融合,新一代移动互联网技术以及大数据、云计算技术发展应用的背景下,中国制造业也亟需通过智能制造来完成新一轮制造业的战略转型。

        1.2 新能源汽车的发展需要

        汽车产业是中国的支柱产业,是发展高端制造业的代表,但是传统汽车对石油的消耗与依赖以及尾气排放对环境的污染迫切需要发展新能源汽车。目前以中国为代表的世界汽车大国正在积极推动汽车产业的电动化转型。作为新能源汽车心脏部件的动力电池,其成本可以占到整车成本的50%,其性能如能量密度、功率密度、高低温耐受性、循环寿命、一致性以及安全性等是决定新能源汽车使用性能以及未来发展的重要因素。与汽车制造相似,动力电池同样是重视制造能力的行业,高水平的动力电池生产制造能力是电池一致性、安全性和低成本的重要保障,也是决定产品市场表现的重要因素。

        1.3 中国动力电池行业现状

        在中国新能源汽车产业的带动下,动力电池产业近年来保持持续快速增长,企业产能建设规模扩张迅速,整体配套出货量居世界第一,但也存在一些发展上的问题,具体体现在以下几方面。

        1.3.1 动力电池产业整体实力不强

        2018年,中国新能源汽车总产量突破120万辆,动力电池总配套量达到57GW·h,已产新能源汽车有近100家动力电池配套企业。在这些企业中,除了配套规模领先的龙头企业,其他企业的实力在产品品质以及成本控制方面与国外先进水平相比还有较大差距,还无法真正参与日渐激烈的国际竞争。在动力电池产业高质量转型突破的背景下,这些企业则面临被市场淘汰的风险。

        1.3.2 对动力电池产品安全重视度不高

        2018年,新能源汽车出现了多起起火燃烧事故。据不完全统计,由动力电池引发的事故占到了65%。在当前,企业为了得到更多的财政补贴,不断追求动力电池能量密度的快速提升,却忽视了动力电池生产制造质量的同步提升,给新能源汽车的安全使用埋下了隐患,也影响了新能源汽车产业的健康发展。

        1.3.3 动力电池行业亟需转型升级

        目前,中国动力电池产业总体产能超过250GW·h,新能源汽车配套量居世界第一,但实际配套量仅为总产能的1/5,企业实力参差不齐,产品品质整体不高,核心技术专利仍然欠缺,动力电池市场竞争越来越激烈。随着新能源汽车补贴退出,车企对高品质动力电池的认知和理解加深,一些低端动力电池产品及企业逐渐失去市场,被淘汰出局。因此,动力电池生产企业提升发展水平,重点应立足品质,降本增效,应充分借助智能制造的发展契机,实现转型升级。

        二、动力电池与智能制造

        2.1 动力电池生产制造现状

        动力电池生产制造包含匀浆、涂布、烘烤、辊压、分切、卷绕/叠片、装配、注液、封装、化成、分容等过程[1]。在中国新能源汽车产业发展的初级阶段,动力电池生产企业多由数码电池企业转型而来,生产过程多处于半自动化半手工状态。随着新能源汽车市场规模的扩大,动力电池行业也得到快速发展,自动化的生产能力日渐提高。

        目前中国动力电池生产企业基本已实现单机单工序自动化生产过程,单线产能和生产效率也得到有效提升,目前少数先进制造水平可以达到单线2GW·h以上,产品合格率可以达到90%以上,但是与国外先进水平相比仍有差距。在新能源汽车财政补贴退出以及市场竞争加剧的形势下,动力电池生产企业需要通过智能制造来进一步缩短研发周期,提高生产效率,降低生产成本,提升产品品质,在新一轮国内外市场竞争中占据有利位置。

        2.2 智能制造发展现状及内涵

        智能制造是新一代的生产方式,最初始于20世纪80年代,并在21世纪的智能技术发展推动下逐渐形成清晰路线。智能制造是将信息技术、数字技术、网络技术以及智能技术与生产制造深度融合的生产方式,其形成的新一代生产控制系统能在生产过程中不断感知、分析、推理和决策,有效协同联络生产制造的上下游环节,从而提高生产效率和产品质量,形成和扩展新型的人机模式和商业模式。

        2.2.1 美国智能制造发展内涵

        美国智能制造领导联盟指出智能制造是先进智能系统强化应用、新产品快速制造、产品需求动态响应,以及工业生产和供应链网络实时优化的制造。其核心技术是网络化传感器、数据互操作性、多尺度动态建模与仿真、智能自动化以及可扩展的多层次网络安全。融合从工厂到供应链的所有制造,并使其对固定资产、过程和资源的虚拟追踪横跨整个产品的生命周期。

        美国能源部则认为智能制造是先进传感、仪器、监测、控制和过程优化的技术和实践的组合,它们将信息和通信技术与制造环境融合在一起,实现工厂和企业中能量、生产率以及成本的实时管理。智能制造需要实现的目标有四个:产品的智能化、生产的自动化、信息流和物资流合一、价值链同步。

        2.2.2 德国智能制造发展内涵

        德国主推工业4.0战略,即以智能制造为主导的第四次工业革命,在产品生命周期内对整个价值创造链的组织和控制迈上新台阶,意味着从创意、订单,到研发、生产、终端客户产品交付,再到废物循环利用,包括与之紧密联系的各服务行业,在各个阶段都能更好地满足日益个性化的客户需求。所有参与价值创造的相关实体形成网络,获得随时从数据中创造最大价值流的能力,从而实现所有相关信息的实时共享。以此为基础,通过人、物和系统的连接,实现企业价值网络的动态建立、实时优化和自组织,根据不同的标准对成本、效率和能耗进行优化。

        2.2.3 日本智能制造发展内涵

        日本在《日本制造业白皮书(2018)》中正式发布了“互联工业”的概念,认为日本制造业已经处于一个“非连续创新”的时期,希望不仅通过机器人、信息技术、物联网等技术的灵活应用和变革工作方式提升和优化业务的效率,更重要的是通过灵活运用数字技术从而获得新的附加价值。

        2.2.4 中国智能制造发展内涵

        中国2016年发布的《智能制造发展规划(2016—2020)》,则是基于工业化和信息化的深度融合,通过中国现已领先的互联网技术,实现工业领域的互联互通,打通信息孤岛,实现大数据融合,推动制造业向数字化、网络化、智能化发展,向绿色化、服务化转型,挖掘制造新业态,创造商业新模式。

        2.3 动力电池智能制造技术路线分析

        动力电池生产制造的终极目标是实现动力电池的大规模高度一致化的制造,保障产品的一致性和安全可靠性,并且可持续性降低生产制造成本。

        当前来看,智能制造是实现上述目标的重要手段,综合世界各主要国家智能制造发展内涵,以《智能制造发展规划(2016—2020)》为指导,并结合行业特定的发展特征,动力电池实现智能制造需要实现自动化、信息化、数字化、网联化以及智能化的高度融合及并行推进,实现从工业2.0向工业4.0发展跨越。

        2.3.1 自动化

        动力电池制造精髓在于高度自动化的生产过程,其生产过程对于环境有比较严苛的要求,需要保证恒温、恒湿和优质的空气洁净度。动力电池企业应在规划生产线建设的时候严格限制人工数量,以保证外界对生产环节不产生影响,尤其是在制造前端的匀浆和涂布环节。综合来看,动力电池各生产环节已基本实现自动化,人工参与环节在大幅减少,下一步的发展重点是要实现机器对人的全面替代,提高单机工作效率和制造精度,通过工业机器人的布局和应用,衔接动力电池生产上下游各环节,打造无人工厂,为智能制造打下基础。

        2.3.2 信息化

        信息化是企业实现现代化发展转型的管理基础,是实现精益生产的必备手段。企业实施应用ERP、MES、PLM等企业管理、生产管理以及产品管理等信息系统来实现企业业务的横向集成、纵向集成、端到端集成以及研发数据、生产数据、和销售数据的融合贯通,并进一步实现动力电池产品的全生命周期追溯功能。这种信息化的管理执行通过对人、机、料的协同规划,实现生产过程的逻辑化、透明化和规范化,促进精益生产的开展和实施,提升生产效率、减少浪费,增强企业软实力,为智能制造的数据开发及应用奠定基础。

        2.3.3 数字化

        企业的数字化建设包含以下两层含义:①用数字来定义制造过程的对象,动力电池制造过程中的原料、装备、工艺、辅具以及人工等均实现数字定义,并在制造过程中产生生产大数据,企业管理系统通过对生产大数据的调用和分析来及时掌握生产状态以及预判生产质量的发展走势;②企业信息物理系统的构建,使现实生产与虚拟生产互相映射,现实中的生产活动在虚拟世界均能一一对应,现实生产活动的发展变化能够在虚拟环境中被捕获和反映,并可以通过对虚拟生产活动的调节和控制,从而影响现实当中的生产活动,做到快速反馈、快速调节和快速生效。

        2.3.4 网联化

        网联化是设备与设备之间、生产链条与链条之间达到互联互通,实现不同来源的异构数据格式的统一以及数据语义的统一,把研发设计信息、物料信息、生产信息、管理信息和业务流程与组织再造等环节进行打通,使数据在各环节能够被读取和准确识别,促进物理系统和数字系统的融合,实现通信、控制和计算的融合,营造信息物理系统的执行环境。网联化是智能制造的重要基础,是实现智能识别和智能控制的必备手段。

        2.3.5 智能化

        智能化是智能制造的追求目标,只有真正意义上实现了智能控制才能称为智能制造。而自动化、信息化、数字化和网联化均是智能制造实现的基础,具备基础条件后,企业可以形成自主的动力电池制造专家系统,通过大数据以及云计算等技术在动力电池在制造过程中实现自诊断、自分析、自纠错和自决策等高级控制,对生产过程中的质量错误进行及时诊断和纠错并高效实施,减少工序中断环节,提高生产效率和产品品质。

        智能制造对工业知识的生成和传承主要依赖机器,突破了人在认知方面的限制,机器会学习制造过程中产生的海量数据,通过一定的算法进行数据训练,形成数字模型,模型可以对再制造过程中的错误进行纠错和调整,使制造一直处于正常高效的工作模式。

        2.4 动力电池智能制造技术路线

        基于以上分析,动力电池智能制造应是基于生产设备的高度自动化,应用现代化的企业信息管理体系执行精益生产模式,通过生产链条的互联互通以及企业信息物理系统的构建,使动力电池的生产方式具有深度自学习、自纠错、自决策、自优化功能从而实现智能水平,到动力电池生产制造实现优质、高效、低成本的目标。动力电池智能制造技术路线如图1所示。


      图 1 动力电池智能制造技术路线

        三、结论

        动力电池智能制造是实现动力电池行业发展转型、提高市场竞争力的重要途径,是提高产品品质、降低生产成本的重要保障。动力电池行业实施智能制造需要具有高度自动化的生产工艺以及精益化和信息化的管理体系作为基础。动力电池工业实施智能制造,需要落实工业物联网技术及工业数字模型技术两大关键技术的构建与实施。

       来源:《科技与创新》  作者:中国汽车技术研究中心有限公司朱成等

        

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