動(dòng)力電池?cái)?shù)字化車間藍(lán)圖

陽如坤

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動(dòng)力電池發(fā)展進(jìn)入制造強(qiáng)盛的新時(shí)代

1.動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)概述

新能源汽車是解決全球環(huán)境污染、能源危機(jī)，以及實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約工業(yè)轉(zhuǎn)型的最佳路徑之一。動(dòng)力電池作為新能源汽車的“移動(dòng)心臟”，是實(shí)現(xiàn)新能源汽車有序、良性發(fā)展的核心競爭力。近年來，政府大力培育和發(fā)展新能源汽車產(chǎn)業(yè)，今后相當(dāng)長一段時(shí)期內(nèi)新能源汽車將保持持續(xù)增長的態(tài)勢，動(dòng)力電池將迎來難得的發(fā)展機(jī)遇。

在中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)政策調(diào)整后，2017年國內(nèi)新能源汽車行業(yè)逐步從低谷轉(zhuǎn)入正軌，不僅如此，各項(xiàng)指標(biāo)還創(chuàng)了新高。2017年全年新能源汽車動(dòng)力電池裝機(jī)量為36.3GWh，2018年國內(nèi)新能源汽車銷量突破125.6萬輛，滲透率達(dá)到4.4%，直接拉動(dòng)動(dòng)力電池配套量超過57.1GWh，同時(shí)也產(chǎn)生了名副其實(shí)的全球龍頭企業(yè)——“寧德時(shí)代”。2019年動(dòng)力電池企業(yè)產(chǎn)能擴(kuò)張勢頭持續(xù)增長，尤其是方形電池產(chǎn)能增長比較明顯，一些生產(chǎn)圓柱動(dòng)力電池的企業(yè)也紛紛布局方形電池產(chǎn)業(yè)。而以生產(chǎn)方形電池為主的企業(yè)，通過調(diào)整電池產(chǎn)品尺寸，研發(fā)大容量的電池產(chǎn)品來加大產(chǎn)能布局。

隨著動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，預(yù)計(jì)2019—2025年全球動(dòng)力電池需求累計(jì)增加628GWh，將形成萬億級(jí)的電池市場規(guī)模，國內(nèi)動(dòng)力電池需求將累計(jì)增加250GWh，年復(fù)合增長率29%，形成3000億元級(jí)的電池市場規(guī)模。全球動(dòng)力電池的產(chǎn)能需求預(yù)測，如圖1和圖2所示。其中，我國動(dòng)力電池的產(chǎn)能需求預(yù)測，如圖3所示。

圖1 按照電池企業(yè)的預(yù)計(jì)產(chǎn)能

圖2 按照汽車廠的需求預(yù)計(jì)產(chǎn)能

圖3 中國動(dòng)力電池的產(chǎn)能需求預(yù)測

2.動(dòng)力電池發(fā)展進(jìn)入新時(shí)代的特點(diǎn)

我國動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與新能源汽車的發(fā)展同步。2018年國內(nèi)新能源汽車銷量突破125.6萬輛，動(dòng)力電池裝機(jī)量超過57.1GWh，國內(nèi)動(dòng)力電池出貨量占全球的70%左右，這樣大規(guī)模的應(yīng)用，在全球無出其右。在動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的成長期，生產(chǎn)技術(shù)日漸成熟和穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量逐步提高，市場規(guī)模增大，需求增長迅速。隨著市場需求的進(jìn)一步增長，目前的制造模式已不能滿足市場需求，未來動(dòng)力電池制造必須實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、智能化生產(chǎn)。動(dòng)力電池的發(fā)展不僅隨著新能源汽車的發(fā)展進(jìn)入高速成長期，同時(shí)進(jìn)入了依靠制造強(qiáng)盛的新時(shí)代。

綜合分析新能源汽車需求和動(dòng)力電池技術(shù)發(fā)展趨勢，動(dòng)力電池發(fā)展新時(shí)代主要具備以下特點(diǎn)。

（1）復(fù)合增長率25%～35% 新能源汽車整體市場前期受政策的影響，銷量增長明顯，隨著政策的逐步明朗，消費(fèi)需求推動(dòng)市場增長的動(dòng)力逐步增強(qiáng)，未來復(fù)合增長率將達(dá)到25%～35%。預(yù)計(jì)2025年市場規(guī)模將達(dá)到715萬輛，市場占比21.4%，動(dòng)力電池配套量307GWh。

（2）單線產(chǎn)能擴(kuò)大到4～6GWh 隨著動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，過去的1MWh的單條生產(chǎn)線已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足產(chǎn)業(yè)的需求，單線產(chǎn)能將從2GWh逐步擴(kuò)大到4～6GWh，這種千倍產(chǎn)能增加，只靠增加設(shè)備的數(shù)量已經(jīng)不是最佳制造策略。在這個(gè)層面上，需要逐步在卷繞、疊片和組裝的效率上都有大幅度的提升，這是大規(guī)模智能化要解決的問題。目標(biāo)的達(dá)成必須依賴于材料技術(shù)、電池技術(shù)、設(shè)備技術(shù)以及智能控制技術(shù)等方面的有效突破，才有可能實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)目標(biāo)。另外，隨著智能制造技術(shù)的發(fā)展，動(dòng)力電池制造更需要采取智能制造模式來提高其制造合格率，提高一致性和制造的安全性。

（3）動(dòng)力電池制造Cpk從1.33逐步提升到2.0 動(dòng)力電池制造的Cpk（工序能力指數(shù)）提升迫在眉睫，真正的智能制造不是空中樓閣，而是能夠通過切實(shí)可行的方式來提升制造效率、合格率，降低制造成本。其中，制造合格率就是一個(gè)關(guān)鍵的考核指標(biāo)，動(dòng)力電池的制造合格率，是動(dòng)力電池企業(yè)生存的關(guān)鍵，不僅關(guān)系到制造企業(yè)的成本，更關(guān)系到動(dòng)力電池的安全。

傳統(tǒng)汽車要求核心零部件企業(yè)的Cpk值為1.67，而我國大部分動(dòng)力電池企業(yè)的Cpk都低于1.5。Cpk值反映的是電池的品質(zhì)，直接影響的是電池的安全和成本。從成本角度來講，目前動(dòng)力電池成本如果按照“1.5元/Wh”的售價(jià)計(jì)算，年產(chǎn)1GWh的生產(chǎn)線，1%的不合格的價(jià)值相當(dāng)于1500萬元，這對動(dòng)力電池企業(yè)來說不是一個(gè)小數(shù)目。

據(jù)悉，國內(nèi)企業(yè)平均動(dòng)力電池的制造合格率只有90%～93%，動(dòng)力電池制造的核心工序大約有20個(gè)，每個(gè)核心工序的工序能力指數(shù)Cpk在1左右，工序合格率99.73%，電芯的總體制造合格率只有94.7%。動(dòng)力電池制造核心能力指數(shù)必須達(dá)到“Cpk＞1.33”，工序合格率99.99%，電芯的總體制造合格率才能達(dá)到99.8%。電池制造的核心工序能力有待提升，動(dòng)力電池制造Cpk從1.33逐步提升到2.0才是智能制造的未來和方向。

（4）智能制造：數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化 縱觀中國動(dòng)力電池發(fā)展歷程，從半自動(dòng)化起步發(fā)展到目前已步入自動(dòng)化生產(chǎn)階段，不少企業(yè)已實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化生產(chǎn)，不僅單機(jī)單工序完全自動(dòng)化，而且在工序銜接過渡方面也都實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化無人操作，無塵車間以及恒溫恒濕的生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)一步提升了產(chǎn)品的一致性和可靠性。智能制造是動(dòng)力電池生產(chǎn)方式的下一站，要在高度自動(dòng)化的基礎(chǔ)上全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化以及智能化，以期實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池制造“高精度、高速度、高可靠性”和“模型化、數(shù)字化、智能化”的發(fā)展目標(biāo)。

動(dòng)力電池智能制造就是通過應(yīng)用智能部件關(guān)鍵技術(shù)，對電池制造的漿料制備、極片制備、芯包制備、電芯裝配、干燥注液、化成分容和電池包裝的過程實(shí)現(xiàn)“三高三化”應(yīng)用，建立數(shù)字化鋰電池車間、包括來料數(shù)字化、制造過程互聯(lián)互通互操作，制造質(zhì)量的在線檢測，智能部件、機(jī)器人自動(dòng)化組裝，智能化物流與倉儲(chǔ)，以及信息化生產(chǎn)管理及決策系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池制造的智能化生產(chǎn)，以確保動(dòng)力電池的高安全性、高一致性、高制造效率和低制造成本。

3.新時(shí)代的要求

為了使未來動(dòng)力電池全面滿足車規(guī)級(jí)零部件的要求，結(jié)合動(dòng)力電池的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，對新時(shí)代動(dòng)力電池制造提出了新的要求。

（1）車規(guī)級(jí)質(zhì)量要求 對車規(guī)級(jí)動(dòng)力電池電芯的制造質(zhì)量要求滿足Cpk1.67以上，明確規(guī)定裝備的CMK（機(jī)器能力指數(shù)）大于2.00，系統(tǒng)的平均無故障時(shí)間（MTBF)起步大于2000h，未來達(dá)到4000h以上，以期全面提升車規(guī)級(jí)動(dòng)力電池的安全性，使電動(dòng)汽車自燃事故率降低30%～50%，制造成本至少下降30%。

（2）對標(biāo)國際企業(yè) 車規(guī)級(jí)動(dòng)力電池制造的質(zhì)量和規(guī)模要全面對標(biāo)世界動(dòng)力電池領(lǐng)先企業(yè)，如韓國三星、LG以及日本松下等，同時(shí)借鑒德國VDMA動(dòng)力電池制造裝備發(fā)展路線圖。我們在產(chǎn)業(yè)鏈的完善、全球化合作以及技術(shù)創(chuàng)新等方面，必須不斷對標(biāo)國際領(lǐng)先企業(yè)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，才能走上產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定、高速發(fā)展的正確道路。

（3）實(shí)現(xiàn)從跟隨發(fā)展到創(chuàng)新引領(lǐng)發(fā)展 中國動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)化的起步始于2009年1月，在科技部、財(cái)政部、發(fā)改委、工業(yè)和信息化部發(fā)布“十城千輛節(jié)能與新能源汽車示范推廣應(yīng)用工程”的政策驅(qū)動(dòng)下，在動(dòng)力電池技術(shù)方面，我國從早期的磷酸鐵鋰電池起步，到現(xiàn)在的三元電池成為主流，再到未來的鋰硫、固態(tài)電池、鋰空電池，中國一直與國外同步發(fā)展，并保持產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的良好勢頭。2017年，世界鋰電池市場開創(chuàng)了新的格局，從結(jié)構(gòu)上看中國動(dòng)力電池占據(jù)了半壁江山，徹底超越日本韓國，奪得世界第一。2018年，我國電動(dòng)汽車保有量突破300萬輛，電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)已經(jīng)發(fā)展為政策和市場的雙輪驅(qū)動(dòng)。隨著電池技術(shù)、制造工藝、制造裝備領(lǐng)先發(fā)展和創(chuàng)新，動(dòng)力電池的制造安全性、制造效率、制造質(zhì)量的不斷創(chuàng)新超越，中國車規(guī)級(jí)動(dòng)力電池將實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新引領(lǐng)發(fā)展。相信不久的將來，電動(dòng)汽車會(huì)步入全市場化驅(qū)動(dòng)階段，真正走入普通消費(fèi)者的生活中。

目前，中國車用動(dòng)力電池在世界產(chǎn)能最大，占有全球動(dòng)力電池產(chǎn)能的半壁江山，作為未來移動(dòng)產(chǎn)業(yè)的“心臟”，其制造裝備的強(qiáng)盛才是動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)強(qiáng)盛的根本，只有動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)強(qiáng)盛了，才能實(shí)現(xiàn)三個(gè)重要的轉(zhuǎn)變，即：由政策驅(qū)動(dòng)到市場驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)變；由生產(chǎn)產(chǎn)能最大到產(chǎn)能和質(zhì)量全面提升的轉(zhuǎn)變；由產(chǎn)業(yè)跟隨發(fā)展到創(chuàng)新引領(lǐng)發(fā)展的轉(zhuǎn)變。只有這樣，中國汽車產(chǎn)業(yè)才能由汽車制造大國邁向汽車制造強(qiáng)國，實(shí)現(xiàn)換道超車。

4.動(dòng)力電池制造面臨的挑戰(zhàn)

我國動(dòng)力電池發(fā)展以支撐新能源汽車普及應(yīng)用為總體要求，根據(jù)新能源汽車經(jīng)濟(jì)性和使用便利性的要求，以安全性、成本、關(guān)鍵性能（能量密度）作為主要指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有鋰離子電池的性能升級(jí)。近年來，我國在動(dòng)力電池生產(chǎn)制造技術(shù)及裝備方面有了長足的進(jìn)步，基本掌握了動(dòng)力電池制造裝備的部分核心技術(shù)，單機(jī)自動(dòng)化方面取得了良好的進(jìn)展，但電池制造技術(shù)距離達(dá)到國際先進(jìn)水平，還面臨著質(zhì)量、產(chǎn)能、制造安全性以及制造成本等方面的挑戰(zhàn)。

（1）面臨質(zhì)量的挑戰(zhàn) 按照規(guī)模制造業(yè)發(fā)展的規(guī)律，動(dòng)力電池制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的初級(jí)階段首先要突破產(chǎn)品質(zhì)量，滿足性能要求，然后降低成本獲得更大的市場空間，最后才是多品種、差異化，滿足不同客戶的定制化需求。目前，電芯的制造還不能完全滿足汽車對動(dòng)力電池的要求，其制造合格率只有90%～94%，裝在汽車上的電芯只有通過篩選才能勉強(qiáng)在汽車上使用；制造合格率偏低直接導(dǎo)致動(dòng)力電池成本高，存在安全隱患。按照車規(guī)級(jí)動(dòng)力電池的要求，需要?jiǎng)恿﹄姵氐闹圃旃こ棠芰pk＞ 2.0。另外，我們看到德國制定了VDA 電池規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了5種方形電池、1種圓柱電池、4種軟包電池，總共10種電池規(guī)格。日本豐田目前只有2種電池規(guī)格，日產(chǎn)AESC只有1種規(guī)格，韓國LG只有3種電池規(guī)格，韓國三星只做了5種尺寸規(guī)格，并且全部按照德國VDA標(biāo)準(zhǔn)。然而中國的電池尺寸規(guī)格，按照GB/T 34013—2017《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池產(chǎn)品規(guī)格尺寸》的規(guī)定，有150多種，這么多的規(guī)格，每種規(guī)格的工藝、原材料、裝備都不同，難以實(shí)現(xiàn)規(guī)模效益，不利于提升質(zhì)量，這是制約中國動(dòng)力電池制造業(yè)難以強(qiáng)大的原因之一。我們應(yīng)該聯(lián)合新能源汽車企業(yè)、電池生產(chǎn)企業(yè)以及電池裝備企業(yè)，集中優(yōu)勢資源，做好幾個(gè)拳頭電芯規(guī)格產(chǎn)品，形成競爭力，形成真正的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，提升動(dòng)力電池產(chǎn)品的質(zhì)量。

（2）面臨制造安全性的挑戰(zhàn) 動(dòng)力電池的安全性主要包括三個(gè)方面：設(shè)計(jì)安全性、使用安全性以及制造安全性。設(shè)計(jì)安全性是在電池材料及結(jié)構(gòu)選擇時(shí)考慮的，設(shè)計(jì)時(shí)考慮是安全的，我們所擔(dān)心的是設(shè)計(jì)安全裕度；使用安全性是考慮濫用和環(huán)境條件對電池安全的影響；制造安全性是動(dòng)力電池安全最重要也是最復(fù)雜的問題，主要原因是動(dòng)力電池制造過程非常復(fù)雜，影響因素眾多，給設(shè)計(jì)安全的極限和使用安全的極限條件帶來困難。據(jù)安全事故分析統(tǒng)計(jì)，有60%以上的電池安全事故是由制造過程相關(guān)的因素引起的。動(dòng)力電池制造安全性影響因素如圖4所示。

圖4 動(dòng)力電池制造安全性影響因素

（3）面臨制造成本的挑戰(zhàn) 動(dòng)力電池系統(tǒng)作為新能源汽車中成本占比最高的部件，直接決定了整車的市場定價(jià)。目前認(rèn)為，只有動(dòng)力電池系統(tǒng)成本水平降至與傳統(tǒng)燃油車發(fā)動(dòng)機(jī)成本相當(dāng)，純電動(dòng)汽車才能在財(cái)政補(bǔ)貼退出后在終端售價(jià)方面具有真正的市場競爭力。

整體上，我國新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)的銷售價(jià)格呈現(xiàn)逐年下降的趨勢，目前為1.2～1.5元/Wh，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020年）》要求的到2020年新能源汽車動(dòng)力電池模塊成本降至1.0元/Wh以下的目標(biāo)。在補(bǔ)貼即將退出的后補(bǔ)貼時(shí)代，新能源汽車需在市場終端售價(jià)方面與傳統(tǒng)燃油汽車形成等量競爭，因此動(dòng)力電池系統(tǒng)要達(dá)到內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的成本水平，價(jià)格應(yīng)在0.6～0.7元/Wh。目前，國外的動(dòng)力電池系統(tǒng)成本同樣下降很快，在2020年理想狀態(tài)下可能達(dá)到100歐元/kWh，因此中國動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展道路并不輕松，競爭態(tài)勢依然嚴(yán)峻，要形成國際市場競爭力，還面臨著制造成本的巨大挑戰(zhàn)。

動(dòng)力電池?cái)?shù)字化工廠藍(lán)圖

1.數(shù)字化工廠的技術(shù)路線

圖5所示為建立數(shù)字化工廠實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池智能制造的總體技術(shù)路線。總體來說，動(dòng)力電池智能制造的基礎(chǔ)是高度自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化以及模型化，并通過融合信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和智能化。

圖5 動(dòng)力電池智能制造實(shí)現(xiàn)路徑

2.動(dòng)力電池?cái)?shù)字化工廠標(biāo)準(zhǔn)化的內(nèi)容

目前，《國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南（2018版）》（下文簡稱“《指南》”）已經(jīng)發(fā)布。正如《指南》所講：“智能制造、標(biāo)準(zhǔn)先行”，動(dòng)力電池大規(guī)模制造需要采用標(biāo)準(zhǔn)化的手段，需要一系列標(biāo)準(zhǔn)體系的支撐。

動(dòng)力電池技術(shù)起步較晚，其設(shè)計(jì)、制造以及檢驗(yàn)，缺少完整標(biāo)準(zhǔn)，尤其針對鋰電池行業(yè)裝備的互聯(lián)互通準(zhǔn)則、集成接口、集成功能、集成能力標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)場裝備與系統(tǒng)集成、系統(tǒng)之間集成以及系統(tǒng)互操作等集成標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)重缺少。面對動(dòng)力電池智能制造發(fā)展的新形勢、新機(jī)遇和新挑戰(zhàn)，有必要系統(tǒng)梳理現(xiàn)有相關(guān)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，明確動(dòng)力電池制造集成的需求，從基礎(chǔ)共性，關(guān)鍵技術(shù)以及動(dòng)力電池行業(yè)應(yīng)用等方面，建立一整套標(biāo)準(zhǔn)體系來支撐動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展。

智能制造標(biāo)準(zhǔn)框架體系結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 智能制造標(biāo)準(zhǔn)框架體系結(jié)構(gòu)圖（2018版）

首先，要實(shí)現(xiàn)電池規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)化。目前國內(nèi)50多家動(dòng)力電池企業(yè)有150多種電池規(guī)格型號(hào)，意味著需要有150多種不同的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)線，這嚴(yán)重限制了動(dòng)力電池大規(guī)模制造能力的提升。借鑒目前國外動(dòng)力電池制造的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，需要將電池規(guī)格型號(hào)限制在十種左右。

其次，要實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化。需要建立動(dòng)力電池領(lǐng)域元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。元數(shù)據(jù)，是關(guān)于數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，是動(dòng)力電池設(shè)計(jì)、制造以及應(yīng)用的基礎(chǔ)。科技部國家科學(xué)數(shù)據(jù)共享工程的《元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化原則與方法》中規(guī)定了各領(lǐng)域元數(shù)據(jù)制定時(shí)的選取原則，可以參照此原則制定動(dòng)力電池領(lǐng)域元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

第三，要實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池制造標(biāo)準(zhǔn)化。動(dòng)力電池制造過程復(fù)雜，工藝流程長，產(chǎn)線生產(chǎn)設(shè)備眾多，而且同一條產(chǎn)線的生產(chǎn)設(shè)備往往來自于不同的設(shè)備廠家，采用不同的通信接口和通信協(xié)議，設(shè)備之間缺乏互聯(lián)互通互操作的基礎(chǔ)。需要建立電池制造過程數(shù)據(jù)字典標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一設(shè)備模型，制定設(shè)備通信接口規(guī)范，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線設(shè)備和企業(yè)信息化系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)OT與IT深度融合，利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)、外部信息集成、優(yōu)化電池制造資源配置及過程管控。

（1）動(dòng)力電池智能制造系統(tǒng)集成標(biāo)準(zhǔn)體系 2018年，深圳吉陽智能科技有限公司聯(lián)合中國電子標(biāo)準(zhǔn)院、沈自所、儀綜所、寧德時(shí)代、合肥國軒及天津力神等11家動(dòng)力電池制造單位及標(biāo)準(zhǔn)研究相關(guān)單位共同承擔(dān)了國家智能制造綜合標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目《動(dòng)力電池?cái)?shù)字化車間集成標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)驗(yàn)證》。該項(xiàng)目的成功實(shí)施將建立我國動(dòng)力電池智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系，為我國動(dòng)力電池智能制造的實(shí)施，提升電池的制造安全性、一致性起到積極的推動(dòng)作用。集成標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)如圖7所示。

圖7 集成標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)

該標(biāo)準(zhǔn)體系是個(gè)有機(jī)整體，是實(shí)現(xiàn)模型化、數(shù)字化以及網(wǎng)絡(luò)化到智能化的遞進(jìn)升級(jí)過程；實(shí)現(xiàn)物理車間、虛擬車間連接，智能迭代遞進(jìn)集成；從初級(jí)智能到恒定智能，再到開放智能的歷程。

（2）數(shù)字化基礎(chǔ)架構(gòu)——工廠模型建立 數(shù)學(xué)模型是智能化的基礎(chǔ)，是把制造工廠、物料、機(jī)器及過程轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別、優(yōu)化、提升的基本手段。動(dòng)力電池制造需要建立包括電池模型、工廠模型、設(shè)備模型、工藝模型以及質(zhì)量模型等。

工廠模型建立是建立工廠、車間、產(chǎn)線、設(shè)備資源、工具、用戶、用戶權(quán)限、生產(chǎn)日歷及生產(chǎn)班次等信息模型。電芯制造工廠的模型包括：物料、機(jī)器、環(huán)境、過程及質(zhì)量等，大約有4000個(gè)，構(gòu)成一個(gè)完整的智能制造基礎(chǔ)平臺(tái)。

如圖8所示，模型化是實(shí)現(xiàn)數(shù)字制造的基礎(chǔ)，模型需要能準(zhǔn)確完整描述對象的真實(shí)屬性。同時(shí)，模型的建立是一個(gè)不斷調(diào)整優(yōu)化的過程。

圖8 動(dòng)力電池制造模型體系

3.數(shù)字化工廠集成的架構(gòu)

動(dòng)力電池?cái)?shù)字化車間集成就是將動(dòng)力電池?cái)?shù)字化制造所需要的不同的硬件、軟件產(chǎn)品集成起來，最終完成能夠滿足動(dòng)力電池制造用戶需求的信息化系統(tǒng)。集成涉及到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)軟件、硬件、操作系統(tǒng)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等。實(shí)際上這些產(chǎn)品和技術(shù)是由各個(gè)不同的廠商提供的，采用的也是多種不同的協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)，更面向各種不同的應(yīng)用要求。因此集成不僅需要將不同廠家提供的不同產(chǎn)品結(jié)合在一起，還要有科學(xué)的方法讓它們能夠互連、互操作，不產(chǎn)生沖突。更為重要的是，整個(gè)系統(tǒng)要達(dá)到系統(tǒng)性能最優(yōu)、成本最低、生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量最好、同時(shí)將來容易擴(kuò)充和維護(hù)。

（1）動(dòng)力電池制造工廠技術(shù)體系構(gòu)成 動(dòng)力電池制造工廠技術(shù)組成如圖9所示。

圖9 動(dòng)力電池制造技術(shù)架構(gòu)

（2）設(shè)備集成 如圖10所示，動(dòng)力電池的數(shù)字化車間分為如下三個(gè)單元，即極片制造單元、電芯制造單元以及電池PACK單元。

圖10 動(dòng)力電池?cái)?shù)字化車間主要設(shè)備構(gòu)成

1）極片制造單元：該單元完成從原料到極片制作的全過程，包括：配料和攪拌、涂布、輥壓、分條、烘烤、沖切及稱重等工序，主要設(shè)備包括：合漿設(shè)備、分散設(shè)備、涂布設(shè)備、滾壓設(shè)備及分條設(shè)備等。

2）電芯制造單元：該單元完成極片成形到化成分容的全部過程，包括芯包制備、電芯裝配、干燥注液及化成分容等核心工序，主要設(shè)備包括：模切機(jī)、卷繞機(jī)/疊片機(jī)、極柱焊接機(jī)、自動(dòng)入殼機(jī)、封口機(jī)、注液機(jī)及化成分容機(jī)等。

3）電池PACK單元：該單元完成從電芯分組配對到電池包組裝檢測完成的全過程，主要設(shè)備包括：電芯測試分選機(jī)、電池模組組裝機(jī)、電池封裝機(jī)以及電池測試機(jī)等。

4.動(dòng)力電池制造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

作為新能源汽車的“移動(dòng)心臟”，動(dòng)力電池是新能源汽車有序、良性發(fā)展的關(guān)鍵。結(jié)合網(wǎng)絡(luò)化和信息化手段，建設(shè)動(dòng)力電池裝備數(shù)字化工廠工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池制造高效管控和智能化發(fā)展的有效途徑，也是實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池標(biāo)準(zhǔn)化、高品質(zhì)、低成本智能制造的必由之路。

當(dāng)前建設(shè)動(dòng)力電池制造數(shù)字化工廠，需要高性能無線網(wǎng)絡(luò)連接實(shí)現(xiàn)工廠內(nèi)海量傳感器、機(jī)器人以及信息系統(tǒng)的互通互聯(lián)，并將分析、決策的海量的優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)反饋至工廠。伴隨5G通信技術(shù)的飛速發(fā)展，5G將逐步全面覆蓋物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，連接廣泛分布或跨區(qū)域的商品、客戶和供應(yīng)商等，完成對整個(gè)產(chǎn)品生命周期的全連接、全監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)工廠內(nèi)外部的橫向、縱向以及端到端的三大集成。

動(dòng)力電池行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)如圖11所示，其整體架構(gòu)自下而上分為4個(gè)層級(jí)，即現(xiàn)場設(shè)備層、生產(chǎn)控制層、生產(chǎn)管理層和應(yīng)用層。鋰電工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)可以將產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)行和服務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面集成，以全生命周期可追溯為基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)可制造性預(yù)測，在使用環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)健康管理，并通過生產(chǎn)與使用數(shù)據(jù)的反饋改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。具體場景主要有產(chǎn)品溯源、產(chǎn)品/裝備遠(yuǎn)程預(yù)測性維護(hù)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)反饋優(yōu)化等。

圖11 動(dòng)力電池行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

鋰電工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)能夠有效地采集匯聚設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、工藝參數(shù)、質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)、物料配送數(shù)據(jù)以及進(jìn)度管理數(shù)據(jù)等生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析和反饋，在制造工藝、生產(chǎn)流程、質(zhì)量管理、設(shè)備維護(hù)和能耗管理等具體場景中實(shí)現(xiàn)優(yōu)化應(yīng)用。借助鋰電工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)可打通生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)、企業(yè)管理數(shù)據(jù)和供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)，提升決策效率，實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)與透明的企業(yè)管理，其具體場景包括供應(yīng)鏈管理優(yōu)化、生產(chǎn)管控一體化、企業(yè)決策管理等。

5.動(dòng)力電池?cái)?shù)字化工廠藍(lán)圖

隨著市場需求的進(jìn)一步增長，目前的制造模式已不能滿足市場需求，未來動(dòng)力電池制造必須實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、智能化生產(chǎn)。建立動(dòng)力電池?cái)?shù)字化工廠，實(shí)現(xiàn)智能制造是動(dòng)力電池生產(chǎn)方式的下一站，要在高度自動(dòng)化的基礎(chǔ)上全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化，以期實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池制造“高精度、高速度、高可靠性”和“模型化、數(shù)字化、智能化”的發(fā)展目標(biāo)。

（1）質(zhì)量優(yōu)化 動(dòng)力電池產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)化，合格率的提升，不僅僅是提高電芯的直通率，而且更重要的在于提升電池的安全性，大大減少電芯未發(fā)現(xiàn)的隱性缺陷。動(dòng)力電池制造企業(yè)可以通過控制制造過程核心控制點(diǎn)的質(zhì)量，來減少后續(xù)制造過程的不合格率，優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量。動(dòng)力電池制造從來料到極片制造到電芯制造到化成分容到模組，如圖12所示，通過互聯(lián)互通來實(shí)現(xiàn)大約2000個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)監(jiān)控來實(shí)現(xiàn)電芯的零缺陷制造的失效模式分析和電池包的失效模式分析。

圖12 零缺陷制造的失效模式

（2）層級(jí)實(shí)現(xiàn) 實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池工廠數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化建模與仿真技術(shù)，構(gòu)建動(dòng)力電池?cái)?shù)字化制造和裝備的數(shù)字化，構(gòu)建動(dòng)力電池制造領(lǐng)域元數(shù)據(jù)、主數(shù)據(jù)體系和制造系統(tǒng)數(shù)據(jù)體系，如圖13所示。全面啟用數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化制造的主要特征表現(xiàn)如下：第一，數(shù)字技術(shù)在產(chǎn)品中得到普遍應(yīng)用，形成“數(shù)字一代”創(chuàng)新產(chǎn)品；第二，廣泛應(yīng)用數(shù)字化設(shè)計(jì)、建模仿真、數(shù)字化裝備、信息化管理，形成“數(shù)字化”制造手段；第三，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的集成優(yōu)化。

圖13 層級(jí)逐步實(shí)現(xiàn)圖

動(dòng)力電池制造數(shù)字化體現(xiàn)在工廠的布局、安全、物料及制程仿真，制造過程虛擬調(diào)試、數(shù)字孿生優(yōu)化，以及一體化能源、效率、人力、物料及輔助系統(tǒng)等資源統(tǒng)籌優(yōu)化，對動(dòng)力電池制造績效指標(biāo)數(shù)字化分解，雙向云計(jì)算反饋達(dá)到制造性價(jià)比最優(yōu)，個(gè)性化動(dòng)力電池大規(guī)模在定制仿真與虛擬制造。稱為全面數(shù)字化。

推動(dòng)工業(yè)互聯(lián)和動(dòng)力電池制造的深度融合，構(gòu)建動(dòng)力電池智能制造平臺(tái)和微服務(wù)體系建設(shè)，將人、流程、數(shù)據(jù)和事物（設(shè)備和物料）等相互孤立的節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)連接起來，實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)外協(xié)同、資源集成和優(yōu)化，通過“互聯(lián)網(wǎng)+制造”重塑動(dòng)力電池制造價(jià)值鏈，推動(dòng)動(dòng)力電池制造從數(shù)字化制造發(fā)展到數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造階段。在裝備產(chǎn)品方面，在數(shù)字技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到普遍應(yīng)用，成為網(wǎng)絡(luò)連接的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)、研發(fā)等環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)協(xié)同與共享；在動(dòng)力電池制造方面，在實(shí)現(xiàn)廠內(nèi)集成基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)制造的供應(yīng)鏈、價(jià)值鏈集成和端到端集成，制造系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流、信息流實(shí)現(xiàn)連通；在動(dòng)力電池制造服務(wù)方面，設(shè)計(jì)、制造、物流、銷售與維護(hù)等產(chǎn)品全生命周期，以及用戶、企業(yè)等主體通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)聯(lián)接和交互，制造模式從以產(chǎn)品為中心走向以用戶為中心。稱為全面網(wǎng)絡(luò)化。

動(dòng)力電池的智能工廠是：讓動(dòng)力電池制造相關(guān)數(shù)據(jù)的有序自動(dòng)流動(dòng)化解動(dòng)力電池制造系統(tǒng)的不確定性，優(yōu)化制造資源的有效配置，達(dá)到動(dòng)力電池的安全、續(xù)駛里程、壽命及價(jià)格的綜合最優(yōu)。基于工廠建設(shè)和生產(chǎn)運(yùn)營環(huán)節(jié)的全要素?cái)?shù)據(jù)集成，涵蓋異構(gòu)協(xié)議兼容、邊緣計(jì)算分析、工業(yè)大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析、工業(yè)機(jī)理模型及微服務(wù)開發(fā)調(diào)用、工業(yè)APP開發(fā)部署等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)，形成有效支撐工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)發(fā)展的動(dòng)力電池行業(yè)解決方案，針對工業(yè)互聯(lián)平臺(tái)的應(yīng)用框架，為動(dòng)力電池系統(tǒng)行業(yè)開發(fā)一套機(jī)理模型和微服務(wù)組件，形成一批工業(yè)APP和解決方案。在建成動(dòng)力電池工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)智能、跨單元智能、人機(jī)混合增強(qiáng)智能及群體智能等新一代人工智能技術(shù)，優(yōu)化制造模型，實(shí)現(xiàn)制造智能閉環(huán)，制造質(zhì)量達(dá)到世界先進(jìn)水平，實(shí)現(xiàn)“零缺陷”電池生產(chǎn)。稱為全面智能化。

未來工廠：產(chǎn)品智能化、生產(chǎn)去中心化、大規(guī)模定制生產(chǎn)及智能化制造運(yùn)維及服務(wù)。

動(dòng)力電池制造系統(tǒng)分為制造維度和智能維度。制造維度體現(xiàn)了面向產(chǎn)品的全生命周期或全過程的智能化提升，包括了設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、物流、銷售和服務(wù)五類，涵蓋了從接收客戶需求到提供產(chǎn)品及服務(wù)的整個(gè)過程。與傳統(tǒng)的制造過程相比，智能制造的過程更加側(cè)重于各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的智能化應(yīng)用和智能水平的提升。智能維度是智能技術(shù)、智能化基礎(chǔ)建設(shè)、智能化結(jié)果的綜合體現(xiàn)，是對信息物理融合的詮釋，完成了感知、通信、執(zhí)行及決策的全過程，包括了全資源要素、互聯(lián)互通、系統(tǒng)集成、信息融合以及新興業(yè)態(tài)五大類，引導(dǎo)企業(yè)利用數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)向模式創(chuàng)新發(fā)展。這些系統(tǒng)根據(jù)動(dòng)力電池企業(yè)客戶的需求，針對技術(shù)發(fā)展的狀態(tài)，技術(shù)能力、技術(shù)手段和企業(yè)自身的目標(biāo)定位，將每個(gè)方面需要實(shí)現(xiàn)的能力分為五個(gè)級(jí)別。詳細(xì)要求按照中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化院發(fā)布的《智能制造能力成熟度模型》。