新能源汽車動力電池的智能制造

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

當前國內生產動力電池的企業(yè)約有上百家，但由于自動化程度低，不少企業(yè)呈現(xiàn)出生產效率低、產品良品率低和運營信息互聯(lián)互通效率低的“三低”特點。這使得動力電池在技術以及一致性問題上一直很難有實質性突破，嚴重影響了動力電池的整體性能，也制約了我國新能源汽車產業(yè)的發(fā)展。

基于此，動力電池的智能制造應運而生。什么是動力電池的智能制造?它是指，動力電池生產智能工廠綜合運用ERP系統(tǒng)、MES系統(tǒng)等軟件，并實現(xiàn)全周期生產的可視化、自動化、智能化。未來，包括動力電池在內的新能源汽車制造，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。而以無人化、可視化和信息化為代表的“三化”是實現(xiàn)“三高”的利器，亦是智能制造的范疇。

動力電池工藝裝備智能制造技術的發(fā)展水平

作為動力電池制造環(huán)節(jié)必需的工具，動力電池生產工藝裝備對動力電池規(guī)?；a條件下的技術發(fā)展起著極為關鍵的作用，近年來動力電池裝備產業(yè)發(fā)展勢頭迅猛。結合動力電池生產工藝流程，我們將從動力電池電芯生產的前、中、后各段工序以及電池組模組及系統(tǒng)裝配工序對動力電池裝備產業(yè)的智能制造技術發(fā)展現(xiàn)狀進行分析。

1.動力電池電芯生產前段工序的技術水平

作為動力電池整條產線最為關鍵的環(huán)節(jié)，生產前段工序對動力電池產品品質一致性和性能穩(wěn)定性產生直接影響。動力電池電芯生產前段工序是指實現(xiàn)鋰離子動力電池從原材料輸送到模切的極片加工成型的過程。自動加料系統(tǒng)、攪拌機、涂布機、輥壓機和模切機等是動力電池制造過程的核心工藝裝備。

由于前段工藝裝備對動力電池性能影響較大，各項技術指標要求高，且設備技術復雜程度高，前幾年國產裝備技術相對較為落后，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。近年來隨著行業(yè)技術日趨成熟，國內裝備行業(yè)快速發(fā)展，自動加料系統(tǒng)、大容積自動攪拌機、高速涂布機、高速模切機等高端設備逐步實現(xiàn)國產化，并在實際應用中產生了較好效果。

表1.國內電池電芯前段工序設備情況

2.動力電池電芯生產中段工序的技術水平

傳統(tǒng)工藝主要以手工作業(yè)和單機自動化為主，近年來隨著大規(guī)模生產對生產效率和過程控制的要求，動力電池生產中段裝配工序已逐步實現(xiàn)整線自動化控制。通過對自動化工作站、上下料機構、自動傳輸機構、多軸機器人等部件的連接整合，采用高精度傳感器技術實現(xiàn)對過程數據數據的自動采集、監(jiān)控和反饋，并結合設備MES系統(tǒng)的應用，實現(xiàn)動力電池中段工序智能化生產。

表2.國內電池電芯中段工序設備情況

3.動力電池電芯生產后段工序的技術水平

由于后段設備國內外差距較小，動力電池企業(yè)制造設備裝配中國產化程度極高。在大規(guī)模化生產中，堆垛式化成分容系統(tǒng)應用越來越廣泛。堆垛式化成分容系統(tǒng)通過對充放電設備自動化設計、堆垛機和自動物流系統(tǒng)，實現(xiàn)設備國產率已超過90%。

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

表3.國內電池電芯后段工序設備情況

4.動力電池模組及系統(tǒng)裝配工序的技術水平

動力電池模組通過對電芯自動篩選、自動成組、自動裝配、自動焊接和自動檢測等先進自動化裝配技術，結合在線檢測和設備層MES系統(tǒng)的應用，完成動力模組裝配和系統(tǒng)裝配的智能化制造。國內部分先進智能裝備企業(yè)，經過近幾年在動力電池領域自動化、數字化生產裝備方面的應用實踐，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，已逐步滿足國內動力電池智能制造需求。

5.動力電池行業(yè)MES系統(tǒng)的應用與發(fā)展

MES(ManufacturingExecutionSystem)即制造企業(yè)生產過程執(zhí)行系統(tǒng)，是一套面向制造企業(yè)車間執(zhí)行層的生產信息化管理系統(tǒng)。MES可以為企業(yè)提供包括制造數據管理、計劃排程管理、生產調度管理、數據集成分解等管理模塊，為企業(yè)打造一個扎實、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)必須實現(xiàn)工廠管理的數字化，而數字化的核心就是MES系統(tǒng)。因此，MES在動力電池產業(yè)實現(xiàn)智能制造的過程中起著尤為關鍵的作用。近年來，隨著動力電池產業(yè)的規(guī)?；l(fā)展，MES系統(tǒng)應用需求越來越旺盛。國內部分具有較大規(guī)模的動力電池企業(yè)已開始導入應用MES系統(tǒng)，實現(xiàn)生產過程的數字化管理。近兩年，國內具有動力電池行業(yè)MES系統(tǒng)開發(fā)能力并開始應用的廠家不斷涌現(xiàn)，為實現(xiàn)動力電池智能制造過程奠定良好基礎。

動力電池行業(yè)智能制造技術存在的主要問題

2017年，動力電池產業(yè)從以前的零星手工或半自動生產模式過渡到了大規(guī)模工業(yè)化制造階段。動力電池行業(yè)進入大規(guī)模工業(yè)化制造階段是一個歷史性進步，但仍然存在一些問題，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

一是產品目標不明確。盡管動力電池產業(yè)出現(xiàn)了以26148系列和21700系列等為代表的產品，產品逐步實現(xiàn)標準化，設備逐步形成模塊化，但是行業(yè)內產品種類的分散程度仍然比較高。這勢必降低電芯及系統(tǒng)的標準化程度，從而影響產線的標準化和規(guī)模化發(fā)展。

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

三是工藝技術與裝備技術融合不夠。由于動力電池產業(yè)相關技術的保密性，導致了動力電池行業(yè)與電池裝備行業(yè)之間缺乏充分的溝通，無法實現(xiàn)工藝技術與裝備技術的快速融合，從而一定程度阻礙了動力電池設備產業(yè)的發(fā)展。

四是生產過程中的數字化管控能力較弱。盡管在智能制造的推動下，電池企業(yè)對制造過程CPK(過程能力指數)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據采集上，從數據分析、防錯防呆、故障預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力電池的加速發(fā)展，預期工藝裝備行業(yè)和動力電池行業(yè)一樣，將迎來行業(yè)的洗牌，行業(yè)的集中度將進一步提升，能夠與下游產業(yè)形成密切合作的企業(yè)將會有更大的優(yōu)勢。

二是電池產品的標準化和聚集程度會在近期進一步明確，在產品技術上標準化和模塊化的產品，推出的速度會越來越快。電池目標產品的明確，將會使電池裝備的標準化、模塊化水平會進一步得到提升;而隨著設備集中度的提高，設備的標準化、可靠性和性價比有望得到進一步提升。

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