原标题：动力电池数字化车间蓝图

　　动力电池发展进入制造强盛的新时代

　　数字化工厂的技术路线

　　图5所示为建立数字化工厂实现动力电池智能制造的总体技术路线。总体来说，动力电池智能制造的基础是高度自动化、标准化以及模型化，并通过融合信息技术实现数字化和智能化。

　　动力电池数字化工厂标准化的内容

　　目前，《国家智能制造标准体系建设指南（2018版）》（下文简称“《指南》”）已经发布。正如《指南》所讲：“智能制造、标准先行”，动力电池大规模制造需要采用标准化的手段，需要一系列标准体系的支撑。

　　动力电池技术起步较晚，其设计、制造以及检验，缺少完整标准，尤其针对锂电池行业装备的互联互通准则、集成接口、集成功能、集成能力标准、现场装备与系统集成、系统之间集成以及系统互操作等集成标准严重缺少。面对动力电池智能制造发展的新形势、新机遇和新挑战，有必要系统梳理现有相关基础标准，明确动力电池制造集成的需求，从基础共性，关键技术以及动力电池行业应用等方面，建立一整套标准体系来支撑动力电池产业健康有序发展。智能制造标准框架体系结构如图6所示。

　　首先，要实现电池规格的标准化。目前国内50多家动力电池企业有150多种电池规格型号，意味着需要有150多种不同的生产工艺和生产线，这严重限制了动力电池大规模制造能力的提升。借鉴目前国外动力电池制造的先进经验，需要将电池规格型号限制在十种左右。

　　其次，要实现动力电池设计标准化。需要建立动力电池领域元数据标准。元数据，是关于数据的数据，是动力电池设计、制造以及应用的基础。科技部国家科学数据共享工程的《元数据标准化原则与方法》中规定了各领域元数据制定时的选取原则，可以参照此原则制定动力电池领域元数据标准。

　　第三，要实现动力电池制造标准化。动力电池制造过程复杂，工艺流程长，产线生产设备众多，而且同一条产线的生产设备往往来自于不同的设备厂家，采用不同的通信接口和通信协议，设备之间缺乏互联互通互操作的基础。需要建立电池制造过程数据字典标准，统一设备模型，制定设备通信接口规范，实现产线设备和企业信息化系统集成，实现OT与IT深度融合，利用工业互联网平台，实现企业内、外部信息集成、优化电池制造资源配置及过程管控。

　　（1）动力电池智能制造系统集成标准体系 2018年，深圳吉阳智能科技有限公司联合中国电子标准院、沈自所、仪综所、宁德时代、合肥国轩及天津力神等11家动力电池制造单位及标准研究相关单位共同承担了国家智能制造综合标准化项目《动力电池数字化车间集成标准及试验验证》。该项目的成功实施将建立我国动力电池智能制造标准体系，为我国动力电池智能制造的实施，提升电池的制造安全性、一致性起到积极的推动作用。集成标准体系架构如图7所示。

　　该标准体系是个有机整体，是实现模型化、数字化以及网络化到智能化的递进升级过程；实现物理车间、虚拟车间连接，智能迭代递进集成；从初级智能到恒定智能，再到开放智能的历程。

　　工厂模型建立是建立工厂、车间、产线、设备资源、工具、用户、用户权限、生产日历及生产班次等信息模型。电芯制造工厂的模型包括：物料、机器、环境、过程及质量等， 大约有4000个，构成一个完整的智能制造基础平台。

　　如图8所示，模型化是实现数字制造的基础，模型需要能准确完整描述对象的真实属性。同时，模型的建立是一个不断调整优化的过程。

　　数字化工厂集成的架构

　　动力电池数字化车间集成就是将动力电池数字化制造所需要的不同的硬件、软件产品集成起来，最终完成能够满足动力电池制造用户需求的信息化系统。集成涉及到工业互联网络、计算机软件、硬件、操作系统技术、数据库技术以及网络通信技术等。实际上这些产品和技术是由各个不同的厂商提供的，采用的也是多种不同的协议和标准，更面向各种不同的应用要求。因此集成不仅需要将不同厂家提供的不同产品结合在一起，还要有科学的方法让它们能够互连、互操作，不产生冲突。更为重要的是，整个系统要达到系统性能最优、成本最低、生产产品的质量最好、同时将来容易扩充和维护。

　　（1）动力电池制造工厂技术体系构成 动力电池制造工厂技术组成如图9所示。

　　（2）设备集成 如图10所示，动力电池的数字化车间分为如下三个单元，即极片制造单元、电芯制造单元以及电池PACK单元。

　　1）极片制造单元：该单元完成从原料到极片制作的全过程，包括：配料和搅拌、涂布、辊压、分条、烘烤、冲切及称重等工序，主要设备包括：合浆设备、分散设备、涂布设备、滚压设备及分条设备等。

　　2）电芯制造单元：该单元完成极片成形到化成分容的全部过程，包括芯包制备、电芯装配、干燥注液及化成分容等核心工序，主要设备包括：模切机、卷绕机/叠片机、极柱焊接机、自动入壳机、封口机、注液机及化成分容机等。

　　3）电池PACK单元：该单元完成从电芯分组配对到电池包组装检测完成的全过程，主要设备包括：电芯测试分选机、电池模组组装机、电池封装机以及电池测试机等。

　　动力电池制造工业互联网平台

　　作为新能源汽车的“移动心脏”，动力电池是新能源汽车有序、良性发展的关键。结合网络化和信息化手段，建设动力电池装备数字化工厂工业互联网，是实现动力电池制造高效管控和智能化发展的有效途径，也是实现动力电池标准化、高品质、低成本智能制造的必由之路。

　　当前建设动力电池制造数字化工厂，需要高性能无线网络连接实现工厂内海量传感器、机器人以及信息系统的互通互联，并将分析、决策的海量的优质数据反馈至工厂。伴随5G通信技术的飞速发展，5G将逐步全面覆盖物联网络，连接广泛分布或跨区域的商品、客户和供应商等，完成对整个产品生命周期的全连接、全监控，从而实现工厂内外部的横向、纵向以及端到端的三大集成。

　　动力电池行业工业互联网平台如图11所示，其整体架构自下而上分为4个层级，即现场设备层、生产控制层、生产管理层和应用层。锂电工业互联网平台可以将产品设计、生产、运行和服务数据进行全面集成，以全生命周期可追溯为基础，在设计环节实现可制造性预测，在使用环节实现健康管理，并通过生产与使用数据的反馈改进产品设计。具体场景主要有产品溯源、产品/装备远程预测性维护、产品设计反馈优化等。

　　锂电工业互联网平台能够有效地采集汇聚设备运行数据、工艺参数、质量检测数据、物料配送数据以及进度管理数据等生产现场数据，通过数据分析和反馈，在制造工艺、生产流程、质量管理、设备维护和能耗管理等具体场景中实现优化应用。借助锂电工业互联网平台可打通生产现场数据、企业管理数据和供应链数据，提升决策效率，实现更加精准与透明的企业管理，其具体场景包括供应链管理优化、生产管控一体化、企业决策管理等。

　　动力电池数字化工厂蓝图

　　随着市场需求的进一步增长，目前的制造模式已不能满足市场需求，未来动力电池制造必须实现大规模、智能化生产。建立动力电池数字化工厂，实现智能制造是动力电池生产方式的下一站，要在高度自动化的基础上全面实现数字化、网络化和智能化，以期实现动力电池制造“高精度、高速度、高可靠性”和“模型化、数字化、智能化”的发展目标。

　　（1）质量优化 动力电池产品质量的优化，合格率的提升，不仅仅是提高电芯的直通率，而且更重要的在于提升电池的安全性，大大减少电芯未发现的隐性缺陷。动力电池制造企业可以通过控制制造过程核心控制点的质量，来减少后续制造过程的不合格率，优化产品质量。动力电池制造从来料到极片制造到电芯制造到化成分容到模组，如图12所示，通过互联互通来实现大约2000个点的数据监控来实现电芯的零缺陷制造的失效模式分析和电池包的失效模式分析。

　　（2）层级实现 实现动力电池工厂数字化设计、数字化建模与仿真技术，构建动力电池数字化制造和装备的数字化，构建动力电池制造领域元数据、主数据体系和制造系统数据体系，如图13所示。全面启用数字化设计、数字化制造的主要特征表现如下：第一，数字技术在产品中得到普遍应用，形成“数字一代”创新产品；第二，广泛应用数字化设计、建模仿真、数字化装备、信息化管理，形成“数字化”制造手段；第三，实现生产过程的集成优化。

　　动力电池制造数字化体现在工厂的布局、安全、物料及制程仿真，制造过程虚拟调试、数字孪生优化，以及一体化能源、效率、人力、物料及辅助系统等资源统筹优化，对动力电池制造绩效指标数字化分解，双向云计算反馈达到制造性价比最优，个性化动力电池大规模在定制仿真与虚拟制造。称为全面数字化。

　　推动工业互联和动力电池制造的深度融合，构建动力电池智能制造平台和微服务体系建设，将人、流程、数据和事物（设备和物料）等相互孤立的节点通过网络连接起来，实现企业内外协同、资源集成和优化，通过“互联网+制造”重塑动力电池制造价值链，推动动力电池制造从数字化制造发展到数字化网络化制造阶段。在装备产品方面，在数字技术应用的基础上，网络技术得到普遍应用，成为网络连接的产品，设计、研发等环节实现协同与共享；在动力电池制造方面，在实现厂内集成基础上，进一步实现制造的供应链、价值链集成和端到端集成，制造系统的数据流、信息流实现连通；在动力电池制造服务方面，设计、制造、物流、销售与维护等产品全生命周期，以及用户、企业等主体通过网络平台实现联接和交互，制造模式从以产品为中心走向以用户为中心。称为全面网络化。

　　动力电池的智能工厂是：让动力电池制造相关数据的有序自动流动化解动力电池制造系统的不确定性，优化制造资源的有效配置，达到动力电池的安全、续驶里程、寿命及价格的综合最优。基于工厂建设和生产运营环节的全要素数据集成，涵盖异构协议兼容、边缘计算分析、工业大数据存储分析、工业机理模型及微服务开发调用、工业APP开发部署等工业互联网平台关键技术，形成有效支撑工业互联网平台发展的动力电池行业解决方案，针对工业互联平台的应用框架，为动力电池系统行业开发一套机理模型和微服务组件，形成一批工业APP和解决方案。在建成动力电池工业互联网平台的基础上，利用云计算、大数据智能、跨单元智能、人机混合增强智能及群体智能等新一代人工智能技术，优化制造模型，实现制造智能闭环，制造质量达到世界先进水平，实现“零缺陷”电池生产。称为全面智能化。

　　未来工厂：产品智能化、生产去中心化、大规模定制生产及智能化制造运维及服务。

　　动力电池制造系统分为制造维度和智能维度。制造维度体现了面向产品的全生命周期或全过程的智能化提升，包括了设计、生产、物流、销售和服务五类，涵盖了从接收客户需求到提供产品及服务的整个过程。与传统的制造过程相比，智能制造的过程更加侧重于各业务环节的智能化应用和智能水平的提升。智能维度是智能技术、智能化基础建设、智能化结果的综合体现，是对信息物理融合的诠释，完成了感知、通信、执行及决策的全过程，包括了全资源要素、互联互通、系统集成、信息融合以及新兴业态五大类，引导企业利用数字化、网络化、智能化技术向模式创新发展。这些系统根据动力电池企业客户的需求，针对技术发展的状态，技术能力、技术手段和企业自身的目标定位，将每个方面需要实现的能力分为五个级别。详细要求按照中国电子技术标准化院发布的《智能制造能力成熟度模型》。

　　单位： 深圳吉阳智能科技有限公司

　　本文已在《汽车工艺师》杂志

　　2021年第 8期 “数字化工厂” 栏目 P55-P64 发表。

　　欢迎联系小编索取。

　　编 辑： 畅 达

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