新能源汽車動(dòng)力電池的智能制造

我國已成為名副其實(shí)的全球最大的新能源汽車市場。動(dòng)力電池作為最為核心的關(guān)鍵零部件，它的相關(guān)技術(shù)必須與電動(dòng)汽車的發(fā)展相適應(yīng)。新能源汽車能走多遠(yuǎn)，最終取決于動(dòng)力電池能走多遠(yuǎn)。綜合各類電池的技術(shù)優(yōu)勢及發(fā)展趨勢，鋰離子電池在混合動(dòng)力汽車、插電式混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車領(lǐng)域，將會有越來越廣泛的應(yīng)用。該類電池技術(shù)對新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的意義重大。

當(dāng)前國內(nèi)生產(chǎn)動(dòng)力電池的企業(yè)約有上百家，但由于自動(dòng)化程度低，不少企業(yè)呈現(xiàn)出生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品良品率低和運(yùn)營信息互聯(lián)互通效率低的“三低”特點(diǎn)。這使得動(dòng)力電池在技術(shù)以及一致性問題上一直很難有實(shí)質(zhì)性突破，嚴(yán)重影響了動(dòng)力電池的整體性能，也制約了我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

基于此，動(dòng)力電池的智能制造應(yīng)運(yùn)而生。什么是動(dòng)力電池的智能制造?它是指，動(dòng)力電池生產(chǎn)智能工廠綜合運(yùn)用ERP系統(tǒng)、MES系統(tǒng)等軟件，并實(shí)現(xiàn)全周期生產(chǎn)的可視化、自動(dòng)化、智能化。未來，包括動(dòng)力電池在內(nèi)的新能源汽車制造，未來必然走向大規(guī)模和智能化，呈現(xiàn)高精度、高速度和高可靠性的“三高”特點(diǎn)。而以無人化、可視化和信息化為代表的“三化”是實(shí)現(xiàn)“三高”的利器，亦是智能制造的范疇。

動(dòng)力電池工藝裝備智能制造技術(shù)的發(fā)展水平

作為動(dòng)力電池制造環(huán)節(jié)必需的工具，動(dòng)力電池生產(chǎn)工藝裝備對動(dòng)力電池規(guī)模化生產(chǎn)條件下的技術(shù)發(fā)展起著極為關(guān)鍵的作用，近年來動(dòng)力電池裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭迅猛。結(jié)合動(dòng)力電池生產(chǎn)工藝流程，我們將從動(dòng)力電池電芯生產(chǎn)的前、中、后各段工序以及電池組模組及系統(tǒng)裝配工序?qū)?dòng)力電池裝備產(chǎn)業(yè)的智能制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析。

1.動(dòng)力電池電芯生產(chǎn)前段工序的技術(shù)水平

作為動(dòng)力電池整條產(chǎn)線最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，生產(chǎn)前段工序?qū)?dòng)力電池產(chǎn)品品質(zhì)一致性和性能穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響。動(dòng)力電池電芯生產(chǎn)前段工序是指實(shí)現(xiàn)鋰離子動(dòng)力電池從原材料輸送到模切的極片加工成型的過程。自動(dòng)加料系統(tǒng)、攪拌機(jī)、涂布機(jī)、輥壓機(jī)和模切機(jī)等是動(dòng)力電池制造過程的核心工藝裝備。

由于前段工藝裝備對動(dòng)力電池性能影響較大，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求高，且設(shè)備技術(shù)復(fù)雜程度高，前幾年國產(chǎn)裝備技術(shù)相對較為落后，在效率、精度、穩(wěn)定性等方面與國外還存在一定差距，尤其是涂布機(jī)。近年來隨著行業(yè)技術(shù)日趨成熟，國內(nèi)裝備行業(yè)快速發(fā)展，自動(dòng)加料系統(tǒng)、大容積自動(dòng)攪拌機(jī)、高速涂布機(jī)、高速模切機(jī)等高端設(shè)備逐步實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，并在實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生了較好效果。

表1.國內(nèi)電池電芯前段工序設(shè)備情況

2.動(dòng)力電池電芯生產(chǎn)中段工序的技術(shù)水平

傳統(tǒng)工藝主要以手工作業(yè)和單機(jī)自動(dòng)化為主，近年來隨著大規(guī)模生產(chǎn)對生產(chǎn)效率和過程控制的要求，動(dòng)力電池生產(chǎn)中段裝配工序已逐步實(shí)現(xiàn)整線自動(dòng)化控制。通過對自動(dòng)化工作站、上下料機(jī)構(gòu)、自動(dòng)傳輸機(jī)構(gòu)、多軸機(jī)器人等部件的連接整合，采用高精度傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)對過程數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、監(jiān)控和反饋，并結(jié)合設(shè)備MES系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池中段工序智能化生產(chǎn)。

表2.國內(nèi)電池電芯中段工序設(shè)備情況

3.動(dòng)力電池電芯生產(chǎn)后段工序的技術(shù)水平

由于后段設(shè)備國內(nèi)外差距較小，動(dòng)力電池企業(yè)制造設(shè)備裝配中國產(chǎn)化程度極高。在大規(guī)模化生產(chǎn)中，堆垛式化成分容系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛。堆垛式化成分容系統(tǒng)通過對充放電設(shè)備自動(dòng)化設(shè)計(jì)、堆垛機(jī)和自動(dòng)物流系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備國產(chǎn)率已超過90%。

國內(nèi)如珠海泰坦、深圳藍(lán)奇和杭州杭可等充放電檢測設(shè)備廠家把自動(dòng)化物流系統(tǒng)疊加進(jìn)動(dòng)力電池生產(chǎn)過程中(包括自動(dòng)化的立體倉庫、分揀機(jī)器人以及控制系統(tǒng))，并結(jié)合自身在電源控制技術(shù)方面的優(yōu)勢，打造動(dòng)力電池智能化化成、分容檢測系統(tǒng)。自動(dòng)物流方面，國內(nèi)的無錫中鼎、上海永乾等企業(yè)通過對物流運(yùn)輸過程高度集成和智能控制，已實(shí)現(xiàn)物流系統(tǒng)的全自動(dòng)化和智能化控制。

表3.國內(nèi)電池電芯后段工序設(shè)備情況

4.動(dòng)力電池模組及系統(tǒng)裝配工序的技術(shù)水平

動(dòng)力電池模組通過對電芯自動(dòng)篩選、自動(dòng)成組、自動(dòng)裝配、自動(dòng)焊接和自動(dòng)檢測等先進(jìn)自動(dòng)化裝配技術(shù)，結(jié)合在線檢測和設(shè)備層MES系統(tǒng)的應(yīng)用，完成動(dòng)力模組裝配和系統(tǒng)裝配的智能化制造。國內(nèi)部分先進(jìn)智能裝備企業(yè)，經(jīng)過近幾年在動(dòng)力電池領(lǐng)域自動(dòng)化、數(shù)字化生產(chǎn)裝備方面的應(yīng)用實(shí)踐，在模組裝配、系統(tǒng)裝配和在線檢測等方面的智能制造水平逐步提升，已逐步滿足國內(nèi)動(dòng)力電池智能制造需求。

5.動(dòng)力電池行業(yè)MES系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展

MES(ManufacturingExecutionSystem)即制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行系統(tǒng)，是一套面向制造企業(yè)車間執(zhí)行層的生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)。MES可以為企業(yè)提供包括制造數(shù)據(jù)管理、計(jì)劃排程管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、數(shù)據(jù)集成分解等管理模塊，為企業(yè)打造一個(gè)扎實(shí)、可靠、全面、可行的制造協(xié)同管理平臺。

中國制造2025戰(zhàn)略的主線是信息化與工業(yè)化的“兩化”融合，其前提就是企業(yè)必須實(shí)現(xiàn)工廠管理的數(shù)字化，而數(shù)字化的核心就是MES系統(tǒng)。因此，MES在動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)智能制造的過程中起著尤為關(guān)鍵的作用。近年來，隨著動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化發(fā)展，MES系統(tǒng)應(yīng)用需求越來越旺盛。國內(nèi)部分具有較大規(guī)模的動(dòng)力電池企業(yè)已開始導(dǎo)入應(yīng)用MES系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的數(shù)字化管理。近兩年，國內(nèi)具有動(dòng)力電池行業(yè)MES系統(tǒng)開發(fā)能力并開始應(yīng)用的廠家不斷涌現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池智能制造過程奠定良好基礎(chǔ)。

動(dòng)力電池行業(yè)智能制造技術(shù)存在的主要問題

2017年，動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)從以前的零星手工或半自動(dòng)生產(chǎn)模式過渡到了大規(guī)模工業(yè)化制造階段。動(dòng)力電池行業(yè)進(jìn)入大規(guī)模工業(yè)化制造階段是一個(gè)歷史性進(jìn)步，但仍然存在一些問題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

一是產(chǎn)品目標(biāo)不明確。盡管動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)了以26148系列和21700系列等為代表的產(chǎn)品，產(chǎn)品逐步實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)備逐步形成模塊化，但是行業(yè)內(nèi)產(chǎn)品種類的分散程度仍然比較高。這勢必降低電芯及系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化程度，從而影響產(chǎn)線的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)?；l(fā)展。

二是與動(dòng)力電池配套的工藝裝備企業(yè)技術(shù)積淀偏弱，整體裝備能力配置不足。由于動(dòng)力電池行業(yè)發(fā)展起步較晚，其裝備行業(yè)發(fā)展的時(shí)間還不夠長，積累不夠多，導(dǎo)致技術(shù)水平與國外企業(yè)還是存在較大差異，行業(yè)內(nèi)工藝裝備企業(yè)小而散的局面仍然存在。

三是工藝技術(shù)與裝備技術(shù)融合不夠。由于動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)相關(guān)技術(shù)的保密性，導(dǎo)致了動(dòng)力電池行業(yè)與電池裝備行業(yè)之間缺乏充分的溝通，無法實(shí)現(xiàn)工藝技術(shù)與裝備技術(shù)的快速融合，從而一定程度阻礙了動(dòng)力電池設(shè)備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

四是生產(chǎn)過程中的數(shù)字化管控能力較弱。盡管在智能制造的推動(dòng)下，電池企業(yè)對制造過程CPK(過程能力指數(shù))的理念越來越重視，部分企業(yè)雖然也采用MES系統(tǒng)，但其功能僅僅停留在數(shù)據(jù)采集上，從數(shù)據(jù)分析、防錯(cuò)防呆、故障預(yù)警和自我診斷等方面的功能拓展仍顯不足。

未來發(fā)展趨勢

一是隨著新能源汽車和動(dòng)力電池的加速發(fā)展，預(yù)期工藝裝備行業(yè)和動(dòng)力電池行業(yè)一樣，將迎來行業(yè)的洗牌，行業(yè)的集中度將進(jìn)一步提升，能夠與下游產(chǎn)業(yè)形成密切合作的企業(yè)將會有更大的優(yōu)勢。

二是電池產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化和聚集程度會在近期進(jìn)一步明確，在產(chǎn)品技術(shù)上標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的產(chǎn)品，推出的速度會越來越快。電池目標(biāo)產(chǎn)品的明確，將會使電池裝備的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化水平會進(jìn)一步得到提升;而隨著設(shè)備集中度的提高，設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化、可靠性和性價(jià)比有望得到進(jìn)一步提升。

三是整個(gè)裝備的智能制造管控和全線自動(dòng)化聯(lián)線將會成為一種趨勢，得到快速發(fā)展。企業(yè)將會越來越關(guān)注動(dòng)力電池生產(chǎn)制造過程的管控能力，要求動(dòng)力電池制造核心工序能力指數(shù)必須達(dá)到CPK>1.33。MES系統(tǒng)作為生產(chǎn)過程數(shù)字化管控核心工具將得到快速發(fā)展。