基于智能制造技术在动力电池生产中的创新路径

【摘要】通过智能制造开展电池关键技术突破研究，为电池产业的规模化、数字化和智能化创设一条可行路径。本文分析了动力电池智能制造的背景和需求，梳理以高强度、高安全、轻量化、低成本为创新目标的电池制造工艺，从闭环控制架构、智能数字字典、知识管理与决策等角度提出新能源汽车电池智能制造的思路和策略，旨在优化工艺，实现更高效率的生产控制和更高质量的加工工艺，进一步推动动力电池创新生产。

【关键词】新能源汽车 动力电池 工艺创新 智能制造

前言

目前，我国在高端动力电池产品领域有技术优势，其中磷酸铁锂、半固态及全固态等材料创新水平领先，电池结构和电池系统设计领域获得技术突破，实现了体积能量密度和质量能量密度的提升。但在少数先进材料和梯度利用方面，仍存在差距。工信部《促进汽车动力电池产业发展行动方案》明确提出继续提升现有动力电池产品的性能质量和安全性，进一步降低成本，在2025 年实现技术变革和开发测试。国务院《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》将动力电池与管理系统纳入新能源汽车关键零部件技术供给体系，提出开展先进模块化动力电池与燃料电池系统技术攻关，实施智能网联技术创新工程，研发复杂环境融合感知、智能网联决策与控制、信息物理系统架构设计等关键技术，支持基础元器件、关键生产装备、高性能自动检测设备等基础共性技术研发创新。

智能制造是动力电池生产的趋势，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”的发展目标。基于加速智能化改造的主要实现路径方向有以下几种，一标准化，《国家智能制造标准体系建设指南》（2018版，简称指南）已经发布，正如《指南》所讲：“智能制造、标准先行”，储能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。储能电池技术起步较晚，其设计、制造、检验、使用缺少完整标准，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、系统互操作等集成标准严重缺少。只有从基础共性，关键技术以及储能电池行业应用等方面，建立一整套标准体系来支撑储能电池产业健康有序发展。要实现储能电池设计及基础标准化，需要建立储能电池领域元数据标准，元数据是关于数据的数据，是储能电池设计、制造、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》中规定了领域元数据制定时的选取原则，可以参照此原则制定储能电池领域元数据标准。另外要实现储能电池制造标准化，储能电池制造过程复杂，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，采用不同的通讯接口和通讯协议，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，制定设备通讯接口规范，进行数据治理，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。二是模型化，数学模型是智能化的基础，是把制造工厂、物料、机器、过程转化为计算机可以识别、优化、提升的基本手段。储能电池制造需要建立包括电池模型、工厂模型、设备模型、工艺模型、以及质量模型等。模型需要能准确完整描述对象的真实属性。模型化和数字化是一个互相促进的过程，有理论模型的过程和物理量可以现有模型将模型数字化；没有模型或难以用准确理论模型描述的物理量或过程可以先采集数据，通过数字分析，建立数字化模型，这可以很好的解决制造过程算数和质量优化问题。三是数字化，储能电池行业需要建立数字化研制体系，包括数字化设计、数字化制造及数字化应用等方面。电池设计过程需要应用专业的产品设计工具、结构设计工具，需要建立电化学仿真模型、电池寿命模型等。而数字化制造包括工艺规划、设备研制、系统集成等。需要运用工厂仿真、过程仿真、虚拟调试等技术手段，建立起实际生产过程与虚拟生产过程的数字化双胞胎映射系统。设计人员利用软件提供的仿真环境，对产品及生产过程进行设计及优化，以加快产品从构思到投产的周期，减少失误，降低成本。

动力电池智能制造的目标是模型化升级动力电池重大短板装备工程，将选料、机器、制造过程转化为由成套智能装备控制的基础手段，加强关键环节制造设备的协同攻关，集工厂建模、产品建模、工艺建模和质量建模于一体，将全流程基本信息纳入统一收集、分析和决策机制，建立溯源和处理组，用高精度，稳定及可靠的信息模型满足动力电池生产制造的需求。开展动力电池规格尺寸、性能测试、寿命评估、产品编码等标准制订，支持行业组织和企业积极参与国际标准和技术法规的制定，用技术法规领域的话语权为动力电池智能制造开辟空间。其中数字化数字化涵盖材料合成、结构设计、工艺规划、设备研制、系统集成、安全维护、质量控制、大数据分析等领域，通过运用工厂仿真、过程仿真、虚拟调试等技术手段，建立实际生产过程与虚拟生产过程的数字化双胞胎映射系统，使得电池从设计到成品全过程实现可视化，减少隐性缺陷，降低综合成本。电池制造控制采用数字方案，通过寄存器配置的方式实现电池调试的各种功能，以高精度模拟前端提高电池化成分容测试系统的效率，增加电池化成设备稳定性，使动力电池生产企业能够更为高效制造安全优良的动力电池组。

创新计量解决方案从新能源汽车的特性来看，要在最大程度上确保工艺方案和电池生产过程中的实际性能特征实现完美契合，必须打造出智能化的生产运作线路。在动力电池制造流程中植入电池车身一体化解决方案思路，用并行式生产流程。创新电池结构，变革研发分工和生产运营形式，将主机厂、整车制造商纳入动力电池设计、研发、生产和运营环节，融合三电系统，用动力域、热管理、电子电气、智驾等系统的高度模块化集成体实现电池与车身的一体化

电池包轻量化设计。并且通过数字孪生，可以对系统进行优化，实现虚拟调试。基于模型的数字化孪生在没有模型的情况下，制造优化方式是通过人为认识问题、调整影响要素并解决问题，最后实现的是人的经验积累。基于模型的优化方式则不同，制造优化积累的结果是模型的迭代和进化，实现了数字化的积累，使计算机能够自主进行优化和深度学习，这就是基于模型优化的魅力所在。基于模型的数字化智能制造路径的演绎通过模型和数据，可以基于模型寻找影响质量的关键因素和关键质量控制点，并控制这些关键因素，以获得最佳质量，从而解决显性问题。
结论

因此，提高动力电池制造的安全性、合格率、一致性及制造效率等指标是动力电池制造商不断努力的目标，要实现这个目标，必须在涂布、卷绕、叠片、组装和化成等核心制造能力上有大幅度提升，而且必须实现材料技术、电池技术、设备技术和智能控制技术等方面的全面突破。动力电池制造应充分发挥行业组织、产业联盟作用，促进动力电池与材料、零部件、装备、整车等产业紧密联动，搭建质量闭环控制架构，形成生产数据字典，集合数字力量突破制造流程中的局限，提升装备精度和智能化水平，提供可靠知识决策，推进数字化制造装备产业化发展，在动力电池智能制造领域培育核心竞争力。

参考文献

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