锂电池制造工艺及装备 课件 第7章 电池智能制造

第7章电池智能制造锂电制造工艺及装备锂电制造工艺及装备制造业工程基础—大数据电池智能制造电池故事—产业的未来123现代数据—大数据1.0麦肯锡全球研究所给出的定义是：一种规模大到在获取、存储、管理、分析方面大大超出了传统数据库软件工具能力范围的数据集合，具有海量的数据规模、快速的数据流转、多样的数据类型和价值密度低四大特征。多样性(Variety)速度(Velocity)价值(Value)真实性(Veracity)采样率高,采样时间段长,信息密度大结构多样:存储形式包括图像、文本,以及时间序列数据不规则采样性类别多样:既有高维且快速率动态采样的过程数据,又有不规则采样的指标数据来源多样：生产、运营、价值链、外部维度多样：设计、制造、营销、服务结果及时性建模实时性数据高增长率数据量与价值成正比极限价值突破价值倍增效应。测量结果高噪性精度/精密的程度要求隐匿性连续且时态一致性大容量(Volume)大数据的5V特征数据是生产要素，也是重要生产力1.1数据是新的生产要素，是基础性资源和战略性资源，也是重要的生产力。企业经营的本质就是如何提高资源配置效率，产生最大价值。企业资源优化配置的科学性、实时性、有效性来自于把正确的数据、在正确的时间，以正确的方式，传递给正确的人和机器，这叫“数据流动的自动化”。全流程全产业链全生命周期可获取可分析可执行及时性、准确性和完整性不断提升，数据开发利用的深度和广度不断拓展数据流物流资金流协同水平集成能力数据+算力+算法=服务数据创造价值数字化解决有数据数据获取问题网络化数据的及时、准确流动智能化数据自由流动，解决实际问题数据化解人类认知，解决问题的过程数据化解不确定性的三步曲理解预测控制1.2锂电制造工艺及装备制造业工程基础—数据电池智能制造电池故事—产业的未来1232工业革命的历程

1.02.03.04.0

178418701969Today2020机械化以机器生产代替了手工劳动电气化利用电力能源，通过装配生产流水线实现了大规模生产信息化利用电子与信息技术实现制造过程的自动化。蒸汽机电力工业机器人智能化将互联网、大数据、云计算、物联网等新技术与工业生产相结合，实现工厂智能化生产信息物理系统（CPS)解决能力问题解决效率问题解决质量问题解决脑力问题效率、成本、质量的不断演进2.08以制造为对象，以现代制造科学和技术为基础应用数字技术对制造所涉及的所有对象和活动进行表达，处理和控制，具有信息化、网络化、智能化和集成化、自动化、可视化等特征。数字化是智能制造的基础，企业数字化包括5个方面。数字制造定义管理数字化：实现企业内外部管理数字化和最优化提高企业管理水平。设计数字化：实现产品设计手段与设计过程的数字化和智能化，缩短产品开发周期，提高企业的产品创新能力。制造装备数字化：实现制造装备的数字化、自动化和精密化，提高产品的精度和加工装配效率。工业生产过程数字化：实现生产过程控制的数字化、自动化和智能化，提高生产过程自动化水平。企业数字化：实现全球化环境下企业内外部资源的集成和最佳利用，促进业务过程、组织结构与产品结构的调整，提高企业、区域和行业的竞争力。2.0制造智能化不仅是单元技术的集成，也是一种以知识为核心、面向客户定制化、个性化需求、管理扁平化、生产组织更为柔性的制造模式创新。智能制造可以提高能源和材料的利用效率、降低污染排放、提升产品性能、文化知识含量及技术附加值，增强市场响应能力，提高生产质量、效率和安全性。智能制造的内涵及作用智能制造是基于先进制造技术与新一代信息技术深度融合，贯穿于设计、生产、管理、服务等产品全生命周期，具有自感知、自决策、自执行、自适应、自学习等特征，旨在提高制造业质量、效率效益和柔性的先进生产方式。2.0制造技术的过去和未来马云：阿里巴巴新制造：面向制造业，融合大数据、云计算、工业人工智能的能力，实现设备接入，以数据驱动产业升级，提高质量，降低成本，释放工业数据潜能。2016年蒋新松：工程院院士，战略科学家，863机器人及CIMS首席科学家。敏捷制造：指制造企业采用现代通信手段，通过快速配置各种资源(包括技术、管理和人员)，以有效和协调的方式响应用户需求，实现制造的敏捷性。1991年2.0制造：从标准化到智能化发展路径标准化标准化设计模块化制造模块化模型化机理+数字主数据+数据字典数字化智能互联

MBSE，数字孪生智能化学习优化智能管控、决策标准化：稳固条件、确定边界、良性积累；模型化：清晰原理、

确定方向数字化：透明的机器和工厂智能化：提升质量、增强柔性、缩短周期；2.1A基础共性B关键技术C行业应用AA通用AB安全AC可靠性AD检测AE检测BA智能装备BB智能工厂BC智能服务BD智能使能技术BE工业互联网AAA术语定义AAB参考模型AAC元数据数据字典AAD标识BBA智能工厂设计BBB智能工厂建造BBC智能工厂交付BBD智能设计BBE智能生产BBF智能管理BBG集成优化BBH智能物流BDD工业大数据BDC工业云BDF其他BBAA总体规划BEB网联技术BEC资源管理BED网络设备BBAB工厂智能化系统计BBAC系统建模BBAD规划设计实施指南BBHA集成与互操作BBHB系统与业务优化BDBA软件产品与系统BDBB软件系统集成与接BDBC服务与管理BDBD工业技术软件化BEAA总体框架BEAB工厂内网络BEAC工厂外网络BEAD网络演进增强技术BEA体系架构BDDA工业大数据平台BDDB数据处理BDE人工智能应用BDB工业软件BDEA场景描述与定义BDEB性能评估BDA边缘计算CF节能与新能源汽车智能制造标准体系框架（2020）2.1产品建模工厂建模工艺建模质量建模建立工厂、车间、产线、设备资源、工具、用户、用户权限、生产日历、生产班次等信息模型建立物料（原材料、半成品、成品）、BOM等信息模型建立工艺路线、工序、工序设备、工序物料、跳转规则、数据收集等信息模型建立追溯、不良代码、不良代码组、处置组、检验规则等信息模型电芯制造工厂的模型包括：物料、机器、环境、过程、质量。大约有4000个，构成一个完整的智能制造基础平台。智能基础架构—工厂模型建立2.2制造未来—基于模型的数字化人材料机器方法环境维护测量５Ｍ１Ｒ模型MBD材料机器方法环境维护测量问题模型经验积累模型分析模型调整六个要素解决问题问题人的经验积累人来分析人为调整六个要素解决问题标准化模型化数字化大数据智能化精益生产智能生产、深度学习2.2智能制造实现的路径基于大数据的智能化基于模型的数字化2.2挖掘隐性问题挖掘回馈优化设计解决可见问题质量：过程关联过程互相影响随时间变化关键控制特征KCC关键产品质量特征KPC信号特征：时域、频域、能量普、工况等。性能衰退：磨损、腐蚀、泄露、粉尘、振动、裂纹等。设备故障数据采集、特征提取、性能评估、预测、可视化及诊断。设计、工艺数字孪生智能制造路径演绎—基于数据的智能化2.2锂电行业智能制造路线---工艺特点

辊压

制片

涂布

合浆

模组

连接PACK封装BMBMBMBM测试

组装

注液

化成

分选极片制造电芯制造电池PACK

烘烤LMSLMSLMS缓存库缓存库成品库工艺复杂、因素众多、由流程渐变到离散、制造过程影响因素众多2.3通讯规范混合云互联网架构元数据信息模型数据字典适配模型智能装备、物料、信息系统数据交换数字化基础架构—数据互联互通互操作2.3锂电领域元数据标准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》中规定领域元数据制订时的选取原则。领域专用元数据标准共享公共元数据工作基础必须包含共享核心元数据锂电领域元数据标准锂电领域元数据2.3电芯尺寸规格标准化；制造工艺过程标准化；设备模块化；软件接口标准化；数据字典标准规范化；数据获取规范化；高速及时数据中台标准；标准算法模型；制造标准化

电芯智能制造实现路径---三个方面高质量制造的本质：用数据化解制造过程的不确定性。2.4电池制造数据治理

数据应用产线设备辅助设备环境数据物料数据过程数据制造过程数据建模与分析数据集成与数据平台建设电池制造数据获取硬件口技术电池边缘侧多源异构数据获取与融合技术规则分析提纯加工数据清洗数据分析工艺改变可视化监控工艺优化数字孪生工艺优化质量提升产线故障预测预测性维修效率提升诊断决策用数据驱动化解动力电池制造过程的不确定性，实现最大制造效益！多物理场耦合、多模态、多尺度、强关联、高通量；控形、控性工艺过程内在科学规律不清晰；上下游产线和关键设备在连续和离散混合制造系统中的线性、非线性以及随机动态关联关系的物理机制不明确；动力电池制造数字特征标签数据层统一数据仓库贴源数据层数据资产可视化变现数据交换平台数据报告数据呈现元数据数据字典聚集模型主数据数据标准2.4锂电行业工业互联网APP应用平台L5：战略决策层ERPL4：运营管理层PLMMES（本地业务数据库+分发上共有云）L3：生产执行层订单LMS极片制造单元（本地数据库+分发上云）L2：产线控制层（产线雾计算）L1：现场设备层（边缘计算控制）LMS电芯制造单元（本地数据库+分发上云）LMSPACK制造单元（本地数据库+分发上云）设备1数据字典设备2数据字典…设备1数据字典设备2数据字典…设备1数据字典设备2数据字典…生产任务工艺要求生产实际生产任务工艺要求生产实际生产任务工艺要求生产实际报工物料定义质量标准物料转移MBDPBD工艺流程工艺实际车间制造执行集成架构应用服务（云计算）云计算+总体全闭环本地数据+私有云+雾计算+产线闭环边缘计算+工序闭环动力电池数字化工厂—控制层级架构2.4电池行业数据集成设备接入数据存储平台数据服务API与数据建模工业设备数据接入与设备管理数据分析平台应用IOT网关智能服务应用工业服务系统工业产品SCADAMES智能产品智能互联传感器机器人设备PLC虚拟网关SDKSDK以数据流动化解制造过程的不确定性数据采集API认证授权设备管理规则引擎数据分发数据服务API历史储存实时储存持久储存分析结果储存离线分析实时分析数据建模锂电制造数据中台2.5=APPAPPAPPAPPAPPAPP全生命周期管理协同研发设计生产设备优化产品质量检测企业运营决策设备预测性维护服务模型+数据数据化模型机理模型+数据分析模型IaaS承载（服务器、存储、虚拟化）软件系统机器设备生产物料运行环境边缘计算ERP、MES、PLM合浆机、涂布机、卷绕机三元材料、石墨、粘结剂温度、湿度、颗粒度微服务平台

智能化工厂构建—工业互联网平台2.5LMS产线管理系统上位机、PLC、SCADA锂电行业工业互联网平台极片制造(CPS)电池PACK(CPS)电芯制造(CPS)合浆涂布除湿设备辊压制片烘烤组装注液化成老化分选模组PACK最终测试成品除尘设备净化设备真空设备氮气设备电力设备辅助设备MES制造执行系统数据采集数据持久存储应用服务客户端表示动力电池行业工业互联网平台动力电池材料供应商关系数据库实时数据库生产控制层应用层现场设备层生产管理层产线车间仿真详细排产/工单执行物料批次追踪产品质量管理设备管理产品BOM管理生产统计分析102.5IAAS标准PAASSAAS数据字典元数据数据定义设备数据闭环边缘计算数据清洗通用PAAS数据架构存储架构锂电PAAS设备管理质量管理物料管理产品开发生产计划企业营运合作开发垂直链合作、开发元部件客户应用锂电行业垂直工业互联平台架构2.5控制误差模型锂电制造过程三级闭环系统误差补偿机器内部多参数实时闭环工艺、工序质量学习闭环实际卷绕机基于电芯产品性能的大数据闭环组装过程来料检测通过计算模拟、仿真机器生产国过程中材料、极片变形、张力、摩擦、阻尼的规律，在设备开发过程提供机器光学优化、机械精度优化、综合修正方案，达到提高制造合格率和生产效率的目的。2.6IQC极片制造电芯制造电池PACK尺寸成份组成杂质颗粒材料可靠性粘度固含量厚度尺寸湿度张力对齐J/R尺寸湿度连接强度电流电压容量内阻温度尺寸电流电压内阻自放电电压内阻放电可靠安全极片FMEA电池包FMEA基于二维码ID（Barcode)双向追溯系统设备、物料、系统互联互通，大于3500个质量数据监控点电池制造大数据分析与闭环OQC电芯FMEA厚度尺寸湿度锂电制造闭环思想—数据、学习、建模、优化2.6

电池制造未来愿景—电池制造路线图2.02020年—2025年2026年—2030年2031年—2035年单机产能材料利用率产品品种制造成本元/Wh0.5~1GWh80种降到50种1~2GWh2~4GWh92%提升至94%0.12降到0.1050种降到25种最终12种0.10降到0.080.08降到0.0694%提升96%96%提升98%制造安全因素全监控安全预警自优化安全闭环CPK1.33~1.67大于2.01.67~2.02.7动力电池智能工厂实现的阶梯智能级别基础要素及状态感知计算智能功能布局制造合格率1级规划级初步规划单机生产无反馈手工抄写数据小于80%2级规范级基于模型设计制（MBD），数字化设计、标准化状态感知、边缘计算、工序闭环产能、质量统计、设备诊断、产品追溯小于95.0%3级集成级数字化验证、优化，网络互连、互通透明工厂综合数据、模型分析、分段闭环工序闭环、质量、产能反馈闭环，预测性维护，PHM小于97.43%4级优化级互联互通互操作，设计制造数字孪生，微服务模型自学习，整体质量闭环质量自完善闭环、物料、产能自平衡，人工智能应用99.54%5级引领级虚拟现实制造、服务、全透明工厂深度自学习提升、优化无人化，自动闭环生产，VR/AR生产同步，模式创新99.99%2.7锂电制造工艺及装备制造业工程基础—数据电池智能制造电池故事—产业的未来123高速发展的新能源产业产量方面，2021年1-11月，我国动力电池产量累计188.1GWh，同比累计增长175.5%。其中，三元电池产量累计82.4GWh，占总产量43.8%，同比累计增长106.1%;磷酸铁锂电池产量累计105.3GWh，占总产量56.0%，同比累计增长275.7%。排名前3家、前5家、前10家动力电池企业动力电池装机量分别为92.39GWh、104.36GWh和115.52GWh，占总装机量比分别为72.01%、81.34%和90.04%。3.0电池储能的效率优势未来是效率为王的时代，资源节约、效率是第一选择；同等电能条件下，锂电池能源效率最优----资源配置的效率最高。3.1中国产业的心脏---电芯电池是产业的心脏芯片是产业的大脑电动产品的两个支柱对一个或多个产业发展（如CPU、机器人、钢铁）起到基础、带动、引领、决定作用的产品资源节约、新能源汽车、清洁能源、储能应用等

成为产业发展的依赖动力电池成为一种特殊产品——