阳如坤: 动力电池智能制造关键技术

时间:2017-03-10 15:05来源:电池联盟 作者:王杰
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    2017年3月1日由电池联盟、中国电子节能技术协会电池专业委员会主办,中国电器工业协会、中国高科技产业化研究会、中国电子节能技术协会、北京理工大学支持,佛山市金银河智能装备股份有限公司协办的大型公益“绿色能源·智能制造”暨动力锂电池技术进展与智能装备升级应用论坛上,深圳吉阳智云科技有限公司总经理阳如坤发表了《动力电池智能制造关键技术》精彩演讲,以下是根据速记整理的文字,未经本人审核,仅供参考。
 
大家好!非常高兴接受电池联盟的邀请跟大家交流智能制造这个技术,也借此机会祝贺金银河成功上市,未来对我们整个电池产业应该有一个很好的帮助,我们整个产业也进入更良好的发展。
    今天我想跟大家交流一下动力电池智能制造的一些关键技术。其实“智能制造”这个概念炒得非常火,但是对于我们锂电企业或者锂电制造来说还有很多的距离和问题,今天我在这里也是跟大家做一些技术方面的探讨,应该说这个路还很漫长,尽管我们国家已经支持了有4个企业获得了智能制造新模式的应用,但是说实在的,我们这个过程还是有很多很多的问题需要我们解决。
    主要四个方面,首先跟大家说一说电池,第二是大规模智能制造的目标,第三是大规模智能制造的解决方案,第四是我整个技术的想法。
    首先讲一讲电池。电池成为资源节约、新能源汽车、清洁能源和储能应用的依赖,应该说它成为我们产业发展的依赖。从这个角度来说,我们认为动力电池成为母产品完全可以与CPU、钢铁、机器人等并驾齐驱。今天我们所说的动力电池应该把它作为很重要的一种母产品来状态,跟以前完全不一样,以前我们做3C产品的时候可能考虑的只是满足一些简单的移动产品。
    从整个产业的分析来看,芯片是移动产品的大脑,电池则是做移动产品的心脏。从这两个角度结合,才是我们整个产业站在这样的高度来考虑问题。我们的电池能够达到700GWh每公斤的时候,我们飞机等所有重载设备都有可能动力电池的应用。
电芯制造与芯片制造的对比。从运用来说,它们都是母产品,应用可以有无限的组合和无限应用的可能。芯片提供了计算机的大脑,或者说移动产品的大脑,电池则是提供了移动产品的心脏。从运行原理来说,芯片既是一个物理过程,对电池来说既有物理过程,又有化学过程,芯片是一个信号转移的过程,是一种信息转移的过程,电池是一个能量,更多是考虑能量转移的过程。从制造环境、速度、精度和制造规模来说,如果说考虑8—10GWH来说一年大概需要1亿次,对于芯片来说,电池未来的规模比芯片未来的规模更大。从整个智能化程度和网络连接来说,这里有一个很重要的区别,我们了解半导体的制造有很规范的标准,尤其是升力这个标准,如果对智能制造真正感兴趣,希望大家了解这样一个标准,这个标准动作锂电制造来说我个人认为非常重要。
动力电池制造我个人认为最重要的一点就是设计方法的确立。目前整个动力电池的设计还处于试错的阶段,从简单通过对材料、电池的认识做一些配组,然后做实验来优化我们整个过程。这个过程的缺点是时间非常长,需要反复修正来达到目的。我认为我们应该建立整个电池的设计体系,从这个设计体系来说,现在提倡数字化的设计。从设计层面上来说,包括材料的设计、体系、结构、极片设计和应用,尺度从纳米、微米、毫米到最后M级的。电池设计工具模型有材料基因组、NREL、SIUMENS  PLM等方面都在做研究,希望我们能够研究这样的内容,真正把电池设计做到数字化,因为数字化是我们制造的一个基础,如果没有这样的过程,智造谈不上。
    动力电池的设计与制造。首先考虑性能,包括安全、可靠、一致;还有容量、内阻、倍率和循环。还有热设计、集流设计、结构设计、可制造性设计,这些都是我们需要认真考虑的主要内容。
    动力电池大规模制造的目标。以前我们三水大概是1个兆Wh就足够了,用在动力电池上,主要的表现是合格率产能比较低,一致性差,安全性也比较差,如果用这样的生产线去满足电动汽车只能是一条实验线、中试线。未来考虑2—4GWh的时候,必须实现大规模化智能化的要求。1GWh大概能够满足乘用车大概2—3万辆,对于汽车厂来说,我知道的汽车厂基本上都是10万辆起步或者20万辆起步,这样一个体量,他们对电池的需求确实是达到10个GWH,这样我们只能满足三分之一汽车厂电池产能需求,所以整个工信部规定的这样一个未来准入门槛4GWH不叫高,而且我认为是一个门槛。从2006年来看大概是一个GWh,单体成本大概是1.2元/吨Wh,目前能量密度大概是160Wh每公斤。我们认为到2018年能量密度可以达到200Wh每公斤,每公斤也有所降低,2025年如果说一条线产能能够达到8GWH,这是我们智能制造要努力的目标,这里大概增长8到10倍的可能。这个层面上,我认为我们逐步在卷绕、叠片和组装的效率上都有大幅度的提升,这是大规模智能化要解决的问题。从目标的达成我个人认为依赖于材料技术、电池技术、设备技术和智能控制技术的有效突破,才有可能实现这样一个目标。
简单规划一下动力电池制造的技术架构。首先我们在设计这个层面上怎么样来解决,从正负极材料电解液,还有电池本身的设计,基于模型的设计和整个尺寸工艺,还有电池制造这一块,包括工艺规划、厂房规划、工艺装备研制和制造过程的仿真和虚拟生产,应用这也一块也要有一些突破,还有电池标准规范。这个标准规范其实不仅仅是电池本身,在我看来,我们制造标准更缺乏。现在据我所知,电池的制造标准还不知道归口到哪里。吉阳也是锂电设备标准的国家归口单位,我们也在张罗这个电池设备标准这一块,希望业界共同来探讨我们制造标准应该归口到哪里。未来我们希望能够设备的互联、在线数据的采集到系统集成的这样一个过程,打造从产品的数字孪生、生产数字孪生到服务数字孪生。如果大家看过西门子的工厂和成都的西门子工厂,可以感受到数字化给我们整个产业带来的重要作用。
简单来说,以前是一个1GWH到—8GWH到20GWH的过程,我们认为现在电池制造合格率还90%,材料利用到89%—90%这样一个范围,主要问题我认为缺少信息化和网络化,还有无法实施大数据的优化,所以电池制造过程我们做出来发现很多问题,我们不能够实现快速优化,我认为如果我们不采用这种网络化和智能化的一些动作,我们的生产线最多也就在93%到94%这样的一个制造合格率。如果要真正实现更高的合格率,必须采取这样的一些技术。
    大规模智造的目标。首先型号要单一化。母产品作为大规模运用的产品,必须强调单一化。有一些厂家提出多型号能多种可能,我个人认为至少到现在为止还不是多品种的时代,对电池厂的建设来说就是考虑单一化的性靠。单一化生产线产能达到1—2GWh。目前我们定出的目标大概制造合格率96%,材料利用率达到95%。这个指标是产业里面比较重要的指标,目前为止我调研下来,电池厂的制造成本每个Wh在0.25元左右,我们希望能耗降到0.12—0.13元的水平,三项第一个是折旧,第二个是能源,第三个是人工,以分钱单位来算的。目前过镍电池企业的能耗成本在多少呢?每Wh0.05元左右,我们希望能耗能够降到0.03元左右。从能耗指标、环境指标、、环保指标和数字化来解决整个制造过程的目标。目标的分解有以下几个方面,第一个从整体设计、规划分类,还有从高端的质量入手,绝不是采取手工来解决的问题,我认为动力电池行业,任何企业如果考虑要用手工来解决制造过程的问题,我个人认为门都没有。还有从制造目标来算,还有从数字化手段,我们引进大数据的分析和零缺陷制造的分析,来解决这样一些问题。
    整个动力电池制造的评估指标,这8大指标作为评估任何一条动力电池的生产线都是合适的,只是说我们把它定格到一个什么样的水平,我们想以这八大指标用来衡量一个动力电池企业的生产优秀水平,未来围绕这8大目标不断优化,是非常有意义的。其实目前我们的状态,到2020年希望总体合格率能够做到96%,这是材料利用率优化的状态。
    动力电池的关键技术。首先,实现动力电池大规模智能化,首先要考虑全生命周期的自动检测监控和数据夺取,整个设备标准、制造过程和制造过程的连续一体化,我们看到佛山金银河在这方面做了一些工作,对我们产业还是非常有意义的。锂电制造过程怕水、怕人,这些东西我认为都是非常有价值的,也是对行业非常有作用的。还有实现设备的互联互通互操作,所有这些优化都要基于数字、基于网络、基于全套算法。实现算法要自动实现,没有这样的网络根本不可能。另外还有电池零缺陷制造的方法,在这方面其实国外很成熟,我们把它用在这个行业就可以了。动力电池智能工厂总体归九,包括材料配置设计、电池设计、工艺设计、设备选型和设备开发制造。同时在设计过程中一定要考虑智能化方面,从来料、过程、质量实现数字化、网络化、信息化,追求实现智能化的设计。最后还有两个目标,环境设备,我们对环境要求很严,还有能耗设计,我们设备行业对能耗设计关注还不够,我们作为装备制造企业一定要关注设备的能耗怎么样,最佳能耗或者最佳的产能输出怎么样,我们每个Wh现在电耗5分钟左右,未来希望降到2分钱、3分钱,能耗设计是很大的一个方面。
    设备互联互通互操作的基本架构,叫做CPS单元。网上都有一些介绍,大家有时间去看,怎么样把每一个单元作为CPS单元来实现设备的互联互通互操作。
    在数字化制造信息化系统方面的框架,西门子是考虑得最详细的。要考虑整个电池设计系统实现数字化的设计,叫做PLM。MES是其中的一个环节,还有物流系统,最后是ERP,我认为这是一个智能制造和智能工厂的基本架构,这样一个架构对于我们锂电池企业来说大家可以追逐这样的目标,逐步完善各个环节,来实现整个制造系统的智能化。
    智能化很重要的一个原则就是追溯,追溯应该实现从材料到极片等,电池企业首先要做的第一步就是建立整个电池的追溯系统。零缺陷制造,我曾经在不同的行业说到过,我们要实现质量制造过程的工序闭环、局部闭环和整体闭环。工序闭环就是整个工序的内部,比如厚度可不可以实现在线闭环。局部闭环比如厚度到卷绕的整齐度可不可以通过网络来实现数据的闭环。整体闭环就是化存的数据比如容量我们希望把西格玛值再压缩20%,怎么样实现,这三大闭环是对整个电池企业非常有价值。思想很简单,就是控制系统的闭环原理,所运用的工具就是互联互通互操作。举一个简单例子,从浆料的年度到厚度来实现优化的过程,我们把厚度的一致性提高5%、10%,通过这样的手段可以实现。简单来说,实施原则很简单,最重要的是从来料、浆料、涂布、张力、焊接、精度等实现参数优化的过程。
    零缺陷制造的失效模式分析。从来料到极板制造到电芯制造到化成分容到模组,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失效模式分析和电池包的失效模式分析,这个框架整个电池的智能制造模型完全展现在这里,我们怎么样实施这样的一个过程。
    智能制造领域有一些准确的领域,对于我们电池企业来说,我们认为整个智能制造大概分成5个级,我把整个电池的发展规划分成了四大步骤,现在我们大概处于初级智能的状态,我们至少要实现设备的互联互通,能够状态感知,能够对产能、质量、设备的诊断和产品追溯来实现,这个过程如果要做得好的话,能够做到90%以上的合格率。以前老的企业或者不具备数字化的电池制造工厂这个级别通过改道都应该可以做到。后面的级别设计的时候就要考虑整个电池企业,尤其在设备这一块做一些考虑才能做到。最终我们希望真正做到能够深度学习、优化,来达到99%以上的合格率。这是电池制造的终极目标,也是我们这个行业或者说电池制造人要去考虑的方方面面的内容,也是我们要不断努力才能达到的一些目标。
    从关键措施来说,第一个就是数字化,来料的数字化。比如说粉料不断往桶里加的时候,它的杂质、成分、固含量方方面面影响电池的所有因素要实现在线检测,这个层面上,我个人认为行业应该有很大的距离,这可能也是我们实现的一个难度。第二实现设备的数字化,第三实现制造质量和产能数字化,这个比较好,我觉得比较紧急的是网络硬件、软件接口API标准。这里有一个公信力的问题或者大家愿不愿意做的问题。我们怎么样建立数据支点以及相关设备的内容怎么样做到公开化,让大家都能够实现互联,还有实现全生命周期的追溯,实现闭环,失效模式,MES系统和总体综合设计。通过这样的努力,我们2020年合计率达到96%,材料利用率达到95%,最后实现管控、优化的目标。
    首先从产品的品种上我们希望得到一定的减少,希望在整个国家只做10种左右的电池,当然这是一种理想。第二是制造成本的目标,还有一致性方面,用便易系数来表示整个电池的一致性。还有制造产能合格率和材料利用率,这些都是我们电池制造要考虑的问题,我们通过前面这些技术手段和技术方法能够实现的一些可能的目标,也是我们要追求的目标。这些目标的实现,整个中国电池从质量、成本上都会得到有效的控制,达到一个很好的结果。
    我的报告就这些,谢谢!
 
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