动力电池智能制造“芯”引擎

需要重视的是,作为新能源汽车的核心零部件,动力电池的规模化、自动化制造已在路上。因此,实现智能化、柔性化、数字化生产,成就产品高一致性、高安全性、高品质、高效率生产,成为现阶段动力电池企业制造升级的迫切需求。

编辑:能源小编

智能制造从来不是装备企业的孤军奋战,与其并肩而行的,还有智能控制部件的升级,以及以芯片为核心的从底层到系统的阶跃。

回溯过去近30年,互联网技术的进步给工业制造的跃迁带来了巨大的红利,芯片成本的降低带动高性能运算设备成本的大幅下降,为制造业从半自动、自动化向智能化、数字化转型升级打下了坚实基础。

随着智能制造在传统制造领域的进一步渗透,作为国家战略性新兴产业,新能源汽车及动力电池产业的智能制造发展规划也被明确提出。

根据国务院印发的新能源汽车产业发展规划(2021-2035年),要求提升智能制造水平,加快新能源汽车智能制造仿真、管理、控制等核心工业软件开发和集成,开展智能工厂、数字化车间应用示范。攻关新能源汽车智能制造海量异构数据组织分析、可重构柔性制造系统集成控制等关键技术。

需要重视的是,作为新能源汽车的核心零部件,动力电池的规模化、自动化制造已在路上。然而,基于全球新能源产业临近大规模爆发前夜,动力电池从GWh到TWh的制造需求被提出,产品安全更被视为重中之重。

因此,实现智能化、柔性化、数字化生产,成就产品高一致性、高安全性、高品质、高效率生产,成为现阶段动力电池企业制造升级的迫切需求。

高工锂电获悉,依托物联网(IoT)、大数据等新兴技术,对传统产线数字化改造及建设,提升制造业的智能化、效率和互联互通,实现增效降本,已成为动力电池装备制造升级或改造的共同思路。

瞄准此机遇,以英特尔为代表的芯片企业也正积极参与到动力电池智能制造过程当中,帮助企业提升生产自动化水平,优化企业流程管理与运营能力,从边缘到云端支持企业用户实现智能制造的应用与部署,加快推动动力电池制造智能化转型。

锂电制造亟需融合智能控制技术

伴随着新能源汽车和储能领域等下游应用行业的高速发展,锂电池制造需求升级,更多的生产企业正将锂电池生产与工业智能化技术相结合,先进的智能化制造设备和生产技术正成为高品质、高效率锂电池生产的重要保障。

高工锂电注意到,针对动力电池智能制造要求,由芯片企业、工控企业、智能装备企业等三方协作的解决方案应运而生。通过提供锂电智能制造成套解决方案,帮助锂电生产企业实现产品质量、生产效率和效益的全面提升。

众所周知,动力电池制造工艺流程包括了匀浆、涂布、模切、叠片、绕卷、化成、分容等工序。

作为锂电池制造工艺中的重要工序,化成环节直接影响着锂电池的性能。

在这一环节中,在电池负极表面形成钝化薄层,即固体电解质相界 (Solid Electrolyte Interface,SEI) 膜的表面厚度会直接影响锂电池的自放电性、循环寿命、安全性、稳定性等电化学性能,因此需要其尽量保持均匀。

在实际生产中,企业通常采用阶梯式充放电的方法来生成SEI膜,但每个阶梯由于所用材料和具体工艺的差异,对充放电电流、电压,以及搁置时间也有着不同的要求。

同时,化成后的锂电池还需要通过热压和冷压的方式进行电池界面的整型,在生产过程中,须对温度和压力情况进行准确监测和控制,以减小压合力波动带来的影响,保证产品的质量与一致性。

传统的人工控制方式显然无法应对这一复杂多变的场景,一方面,化成环节中的参数调整窗口在极端情况下可能非常短暂,有时会短至操作人员的手眼来不及反应;另一方面,多种参数联动下的复杂场景,也使操作人员难以以人工方式快速计算出最优方案。

此外,传统的化成设备使用多 PLC (Programmable Logic Controller,可编程逻辑控制器)交互控制,每组分容单元配置一台 PLC,至少需要 15 台 PLC 才能完成整线控制,控制器之间存在相互干扰,且用户的开发难度较大,编程复杂。

为保证产品品质,要求化成分容设备精确控制电池充放电时的电流和电压,以及生产过程中的压力和温度。此外,还需要设备适用不同的电池生产工艺,支持灵活配置产能。

为应对上述挑战,苏州瀚川智能科技股份有限公司 (下简:瀚川智能 )采用汇川技术基于英特尔® 酷睿™ i5 处理器、英特尔® 工业边缘控制平台研发的 AC800 系列高性能智能机械控制器,使得锂电池化成分容设备能够对压力和温度指标进行高效采集和精确控制。

在保证产品品质的同时,通过单元模块化设计和立体式堆叠架构,简化控制,实现柔性高效生产作业,帮助锂电生产企业提升产品质量并降低总拥有成本 (Total Cost of Ownership,TCO)。
通过三方的协作努力,基于 AC800 系列控制系统,全新构建的锂电池化成分容智能设备解决方案,已在实际部署应用中取得了显著成效。

❶ 设备通过采用单元模块化设计,各工艺单元数量可根据电池工艺不同灵活配置,在化控制的同时,提高了柔性生产能力。

❷ 实现了阶梯充放电环节中电流和电压的高精度控制,保证电池的化成品质。

❸ 准确监测和控制压力及温度指标,保证电池的一致性,其中热电阻的阻值精度能够控制在 +/-0.2 欧姆,对应的温度误差控制在 +/-0.5 摄氏度,压合力波动控制在 ±1牛顿,且无超调量。

❹ 通过 AC802 总线控制方案,优化拓扑结构,只需要两台 PLC 即可完成整线控制,避免控制器间的干扰的同时,简化开发和运维,帮助企业降低了 TCO。

❺ 设备采用立体式堆叠架构,内部集成电源模块,减小占地空间,提高了单位面积能。

瀚川智能表示,通过引进基于英特尔® 酷睿™ i5 处理器和英特尔® 工业边缘控制平台的汇川 AC800系列控制系统,公司的化成分容设备获得了强大的处理能力和边缘计算优势,可帮助生产企业在保证产品质量的同时,简化控制,实现高效柔性生产。

基于IoT的锂电智能制造有望提速

如果将眼界放宽,基于IoT的锂电池智能制造有望进一步提速。

在智能制造转型道路上,核心基础的支撑平台是工业互联网平台,其底层为物联网(IoT),物联网负责采集数据、管理数据、存储数据和分析数据。

因此,动力电池企业想走智能制造升级道路,物联网是绕不开的环节。

此前,英特尔亚太区物联网事业部中国区行业销售经理谢青山在公开访谈中指出,与普通用户经常接触到的互联网技术相比,工业互联网有着两个独特的需求:

一是工业设备本身的功能安全性,设备在生产制造和运行过程中,保障安全运行,避免故障事故等;

二是信息安全,物联网将人、物、数据、应用全部互联,打穿原来的封闭性工业总线网络,这意味着企业在运营过程中,将有更大量的信息数据需要互通分析,领先的技术及工艺需求保密。

谢青山表示,站在英特尔角度,公司需要做的,是保障信息安全的同时,搭建公开透明的信息共享平台,提供一站式智能物联网解决方案,使智能制造实现更加简单。

目前,英特尔依托于成熟的物联网技术(IoT)应用基础,与供应链及合作伙伴一起,做了大量以工业物联网为基础的对设备管理和控制的各种各样的硬件模块、软件。在能够保障产线安全生产的同时,使之更加稳定高效的运转并实现更加低延时、高精确的控制,并在生产过程中做到实时反馈、闭环控制和预测性维护。

值得一提的是,虽说算力水平的提升已在不同程度上推动了制造业的智能化进程,但是智能物联网解决方案从前期调研、开发人员程序编写、最后将功能集成到芯片,前后需要三到五年才能实现。

在此大环境下,对于普通企业而言,寻找一套完全契合行业应用场景的解决方案仍需要付出高昂的研发成本与时间成本。

而英特尔成熟、通用、一体化的解决方案,正在成为智能制造快速落地的有力推动,这套技术的优势将有望在动力电池工厂中体现,通过提高机器视觉等技术,达到降本增效,成为集约化、智能化、数字化发展的“芯”引擎。

结语

总体来看,芯片巨头的入局、技术方案的提升,在制造业的提质、增效、降本、减耗等方面已经开始发挥作用,智能制造在动力电池领域的渗透率有望进一步加快。随着数据持续的积累和技术的升级迭代,智能制造的前景也将明朗开阔。

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