陽如坤

摘要：據(jù)統(tǒng)計，2022年，中國新能源乘用車市場動力電池裝機量230.73GW·h，同比增長86.24%。預計2023年，全球電動車對動力電池的需求達406GW·h，而動力電池供應預計為335GW·h，缺口約18%；到2025年，這一缺口將擴大到約40%。因此，各大電池生產企業(yè)不斷增建新廠，以滿足整車市場的裝機需求。

關鍵詞：動力電池；工廠；設備；智能制造；路徑

2022年，我國新能源汽車市場繼續(xù)爆發(fā)，全年產銷分別完成705.8萬輛和688.7萬輛，同比分別增長96.9%和93.4%，市場占有率達到25.6%。

新能源汽車的熱銷也帶動了動力電池裝機量的大幅增長。據(jù)統(tǒng)計，2022年，中國新能源乘用車市場動力電池裝機量230.73GW·h，同比增長86.24%。預計2023年，全球電動車對動力電池的需求達406GW·h，而動力電池供應預計為335GW·h，缺口約18%；到2025年，這一缺口將擴大到約40%。因此，各大電池生產企業(yè)不斷增建新廠，以滿足整車市場的裝機需求。

電池工廠建設的基本原則

電池制造工廠的建設，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，以快速適應市場的需求，帶來最大的經濟效益。

電池大規(guī)模生產的條件

為了滿足電池快速增長的市場需求，如何保證電池的大規(guī)模生產是目前需要重點考慮的問題。高質量、高安全性、低成本——這是行業(yè)一直以來對電池生產的追求，也是保證大規(guī)模生產的關鍵。

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

1）生產型號單一化：單產線生產的尺寸規(guī)格型號1-2個。

2）整線制造能力：4GW·h以上，單臺設備的產能不小于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)保指標及能耗指標控制優(yōu)化措施。

7）來料數(shù)字化、過程數(shù)字化、設備網(wǎng)絡互連及大數(shù)據(jù)優(yōu)化。

電池制造目標分解

在明確電池制造目標的前提下，接下來是對電池制造目標細節(jié)分解，主要包括：制造安全目標分解及管控措施、電池直通率目標分解到各電池制造子系統(tǒng)、成本目標分解、材料利用率目標分解及生產運轉率（Down Time）目標分解。這五個方面還可以根據(jù)工廠自身建設的條件進行進一步細化分解，直到落實到材料、工藝、設備及環(huán)境的選擇確定。制造目標分解如圖1所示。

制造合格率分解

電池電芯工廠主要分為六大模塊，電池設計的首要任務是在選擇合理的電池結構后，針對合格率指標，根據(jù)制程控制的難易程度和可能達到的目標，將總體合格率目標按照核心影響因素原則分解到各大模塊，確定模塊的關鍵產品特性KPC（Key Product Characteristics）的工序能力（Cpk），再進一步Cpk分解到模塊內的核心工序，這是從上到下的分解。再根據(jù)各個工序工藝方法的關鍵控制特性KCC （Key Control Characteristics） 可能達到的工序控制能力Cpk值和設備投入進行綜合分析，總體核算整線設備投入，以及各個工序控制點Cpk的保證能力、可靠性和穩(wěn)定性，達到設備投入與制造質量的最優(yōu)化。電芯制造合格率分解如圖2所示。

在設備規(guī)劃時，一般根據(jù)工序質量控制的難易程度及產線投入成本進行Cpk綜合分解平衡，反復迭代優(yōu)化到最佳設計。即同樣的投入，達到最佳的質量；或者保證質量要求前提下最少的設備投入，同時還要考慮設備和產線的綜合輸出產能。

由于這些設備是由不同的廠商提供，采用的也是多種不同的協(xié)議和標準，面向各種不同的應用要求，因此智能工廠集成不僅需要將不同廠家提供的不同產品結合在一起，還要有科學的方法讓它們能夠互聯(lián)、互操作，不產生沖突。更為重要的是，整個系統(tǒng)要達到系統(tǒng)性能最優(yōu)，成本最低，生產產品的質量最好，同時將來容易擴充和維護。

電池生產設備選擇原則

（1）設備選擇原則 電池生產設備的選擇應遵循以下幾個原則：技術先進性、生產適應性、經濟合理性、相互兼容性及人機友好性。

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

① 設備投入曲線；② 制造不合格導致的質量損失；

③ 綜合成本曲線。

按照目前電池產業(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，同時也有較大的難度和更大的企業(yè)價值，可以說中國電池制造進入產品制造質量攻堅階段。

按照電芯材料成本0.5元/W·h計算，電池制造工廠生產每GW·h提升1%的合格率，將有500萬元的利潤增加，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，合格率提升對電池企業(yè)將有更大的價值。2022年中國累計輸出546GW·h，電池企業(yè)全面提升合格率1%，將有27.3億元利潤的增加，況且，目前中國電池制造合格率的空間遠遠不止1%。

智能工廠設計流程

智能工廠的規(guī)劃建設是一個十分復雜的系統(tǒng)工程，如何設計鋰電池智能工廠也是一個難題，需要進行詳細的分析與規(guī)劃，經過詳細的項目方案評審，再到方案的落地以及設計。智能工廠的設計流程如圖4所示。

電池智能工廠的規(guī)劃設計一般分6個步驟進行：

1）智能工廠的總輸入是企業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略。

2）做詳細的市場調研、分析，確定項目產品的應用領域。

3）根據(jù)識別出的需求，站在智能工廠的高度，對企業(yè)的組織、管理模式、業(yè)務流程、技術手段和數(shù)據(jù)開發(fā)利用等進行診斷和評估。

4）根據(jù)產品定位以及工廠目標，進行電芯的產品設計，設計電芯的基本參數(shù)。

5）項目方案評審，包括對項目投資預算和方案可行性進行評審。

6）確認項目方案和實施計劃，落實總項目和分項目的負責人和團隊。

總體設計思路如圖5所示。

主流程為根據(jù)電池性能要求，進行材料選擇配置設計、電池設計、工藝設計、設備選型及設備開發(fā)制造，其他為輔助設計流程。

電池智能制造實現(xiàn)的路徑

采用標準化、數(shù)字化、智能化等技術手段，依托物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)、大數(shù)據(jù)等新興技術，對傳統(tǒng)產線數(shù)字化改造及建設，實現(xiàn)增效降本，已成為動力電池裝備制造大規(guī)模、高質量制造的必然途徑。

在此背景下，我國政府也提出要實現(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，促進制造業(yè)企業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡化及智能化轉型，向制造強國邁進。

智能制造是動力電池生產的趨勢，要在高度自動化的基礎上全面實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化，以期實現(xiàn)動力電池制造“高精度、高速度及高可靠性”的發(fā)展目標。

1.標準化

儲能電池大規(guī)模制造需要采用標準化的手段，需要一系列標準體系的支撐。面對儲能電池智能制造發(fā)展的新形勢、新機遇和新挑戰(zhàn)，有必要系統(tǒng)梳理現(xiàn)有相關基礎標準，明確儲能電池制造集成的需求，從基礎共性，關鍵技術以及儲能電池行業(yè)應用等方面，建立一整套標準體系來支撐儲能電池產業(yè)健康有序發(fā)展。

首先，要實現(xiàn)電池尺寸規(guī)格的標準化。目前國內80多家儲能電池企業(yè)有150多種電池規(guī)格型號，意味著需要有150多種不同的生產工藝和生產線，這嚴重限制了儲能電池大規(guī)模制造能力的提升?？偨Y過去的經驗及給我們產業(yè)造成的損失，盡快制定出儲能電池尺寸規(guī)格標準，需要將電池規(guī)格型號限制在10種左右。

其次，要實現(xiàn)儲能電池設計及基礎標準化。需要建立儲能電池領域元數(shù)據(jù)標準，元數(shù)據(jù)是關于數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，是儲能電池設計、制造、應用的基礎。科技部國家科學數(shù)據(jù)共享工程的《元數(shù)據(jù)標準化原則與方法》中規(guī)定了領域元數(shù)據(jù)制定時的選取原則，可以參照此原則制定儲能電池領域元數(shù)據(jù)標準。

最后，要實現(xiàn)儲能電池制造標準化。儲能電池制造過程復雜，工藝流程長，產線生產設備眾多，而且同一條產線的生產設備往往來自于不同的廠家，采用不同的通訊接口和通訊協(xié)議，設備之間缺乏互聯(lián)互通互操作的基礎。因此需要建立電池制造過程數(shù)據(jù)字典標準，統(tǒng)一設備模型，制定設備通訊接口規(guī)范，進行數(shù)據(jù)治理，實現(xiàn)產線設備和企業(yè)信息化系統(tǒng)集成，實現(xiàn)OT與IT深度融合，利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，實現(xiàn)企業(yè)內、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)學模型是智能化的基礎，是把制造工廠、物料、機器、過程轉化為計算機可以識別、優(yōu)化、提升的基本手段。儲能電池制造需要建立包括電池模型、工廠模型、設備模型、工藝模型以及質量模型等。

模型化是實現(xiàn)數(shù)字化制造的基礎，模型需要能準確完整描述對象的真實屬性，同時，模型的建立是一個不斷調整優(yōu)化的過程。模型化和數(shù)字化是一個互相促進的過程，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)和質量優(yōu)化問題，這也是數(shù)字化、智能化給制造業(yè)帶來的紅利。

3.數(shù)字化

儲能電池行業(yè)需要建立數(shù)字化研制體系，包括數(shù)字化設計、數(shù)字化制造及數(shù)字化應用等方面。

（1）數(shù)字化設計 電池設計包括材料設計、結構設計及工藝設計等。電池設計過程需要應用專業(yè)的產品設計工具、結構設計工具，需要建立電化學仿真模型、電池壽命模型等。

（2）數(shù)字化制造 包括工藝規(guī)劃、設備研制、系統(tǒng)集成等。需要運用工廠仿真、過程仿真、虛擬調試等技術手段，建立起實際生產過程與虛擬生產過程的數(shù)字化雙胞胎映射系統(tǒng)。設計人員利用軟件提供的仿真環(huán)境，對產品及生產過程進行設計及優(yōu)化，以加快產品從構思到投產的周期，減少失誤，降低成本。

（3）數(shù)字化應用 包括電池質量閉環(huán)控制、電池追溯系統(tǒng)的建立、產品大數(shù)據(jù)分析等。數(shù)字化應用需要建立電池設計、制造、質量追溯及梯次利用等全生命周期數(shù)據(jù)管理應用平臺。

通過電池數(shù)字化設計、制造、應用全流程系統(tǒng)的建立，可以實現(xiàn)電池高效設計、高質量、低成本制造及可靠的安全管控。

智能制造是一項長期的系統(tǒng)工程，核心是用數(shù)據(jù)解決制造中質量、效率和安全問題，為產業(yè)帶來更大的價值。