数字孪生助力大规模电池生产

Puneet Sinha，西门子数字化工业软件电池行业高级总监

电池行业在国家经济发展中发挥着重要作用，根据行业报告预测，到本世纪末，电池行业将实现十倍增长；而这一增长的核心驱动力，是包括电动交通以及储能等行业对于锂电池的大量需求。无论是行业的新入局者还是老牌厂商在这种趋势下都面临着相同的挑战，即如何在满足成本、质量和可持续性目标的同时，缩短生产时间，降低废品率，最大限度地提高产量。

要实现以上目标，企业需要建立一个数字制造框架，通过自动化技术和工业物联网（IIoT）设备将生产数字孪生连接到真实的工厂运营，以便在工厂运营之前对生产线进行仿真设计和优化，并对生产流程进行验证，从而降低投资风险并缩短规模化时间。将数字框架与自动化软硬件以及工业物联网连接起来，有助于实现生产的端到端集成。这为大规模生产提供了执行洞察力，并提供由数据驱动的框架，以持续提高生产吞吐量，同时平衡生产过程的可持续性和企业的长期盈利能力。

通过虚拟开发实现快速扩展

我们过去几年的客户案例提供了这样一个洞察：一个企业从宣布建立工厂，到实现稳定的规模生产往往需要7年或更长时间。面对快速变化的电池市场，扩大生产所耗的时间对任何企业来说都是一个巨大挑战。制造业运用虚拟开发的目标是通过连接多学科工程加快工厂的设计、建设和布局。在那里，企业可以创建流程、生产线和工厂的可靠仿真版本，同时，工程师可以准确评估各种化学物质对电池性能、电池安全性和老化的影响，并以此优化电池设计，最大限度地提高能量密度和快速充电能力。在数字孪生技术的加持下，工程师能够根据封装要求和终端系统要求，对电池设计和行为进行仿真验证，将电池设计和工程的时间加快2到3倍。同时，数字孪生还能够凭借强大的PLM骨干，让产品、生产和工厂紧密连接，从而使企业决策者能够在产品的整个生命周期内考虑各环节的相互依存性和变化所带来的影响。

集成式解决方案助力大规模生产

大规模生产最大的挑战之一是高废品率。我们可以从过去的行业数据中看到，电池生产的平均报废率约为40%甚至更高，在大多数情况下，当生产开始几年后达到全速生产能力时，报废率才能保持在10%以下。这样的报废率是降低生产成本的瓶颈。为了在保障制造质量的同时降低报废率，企业需要在工厂执行端到端的软硬件集成方案。这种解决方案可以实现从仿真验证的流程计划到无纸化生产的数字化连续性。制造执行软件通过SCADA系统与自动化硬件连接，使制造团队能够轻松进行大规模生产并实施所需的生产实践。通过IT和OT的融合来跟踪、识别和缓解问题。

此外，工厂和供应商网络内的数据共享也可以促进高效调度，创建更有效的厂内物流和安全的供应链，以确保材料的来源，以及控制每个阶段产生的环境影响。更加互联的制造过程通过多维度的标准化降低了复杂性，同时增加了灵活度。

智能生产是提高产量和实现可持续制造的关键

锂电池生产的每一个步骤都关乎不同程度的时间成本以及资源成本，例如电池细胞形成和老化可能需要10天左右，严重影响了生产吞吐量，需要优化电极干燥或油墨混合等制造步骤，在不影响质量的情况下降低能耗。此外，电池生产是一个非常耗能的过程，能够消耗多达40个单位的能量来生产一个单位的电池能量。这无疑会给企业带来压力，需要优化工厂的能源消耗来减少碳足迹。为了解决这些问题，电池制造商需要提高机器和工厂数据的使用率，为电池生产和工厂运营带来所需的智能。

工业物联网和自动化技术与制造执行系统和生产数字孪生的连接是数据驱动制造的关键。锂电池制造是一个高度复杂的过程，其中涉及大约600个工艺。考虑到电池细胞生产过程中的数据量和各种制造步骤复杂的相互依赖性，需要使用人工智能来理解不同步骤之间的相互关系，并向产品/工艺合作伙伴持续学习，比较典型的用例是在线质量控制、测量浆料粘度的计算机视觉、涂层缺陷，以及老化过程中电池细胞行为的预测。具有标准化数据模型的数据平台有助于将IT和OT结合在一起，并从机器和工厂无缝获取数据。

此外，以工业物联网和数据驱动的运营使企业能够跟踪能源消耗，以减少碳足迹。通过对机器进行预测性维护，还可以减少工厂运营期间的停机时间，从而提高整体生产吞吐量。

电池行业的制造成本约占电池成本的25%，在提高质量和生产吞吐量的同时，快速降低报废率是电池行业在未来几年快速扩张的核心。想要在快速扩张的电池行业中树立领先地位，意味着在运营开始之前就将仿真和验证过程“左移”，创造有弹性的供应链。通过集成的硬件和软件解决方案，为端到端生产带来执行洞察，从而降低废品率并提高质量。而要做到这一切的可持续性和长期盈利，就需要企业最大限度地减少能源消耗，限制整体碳足迹，保持所有生产的可见性，并在问题发生之前预测问题，以有效应对未来之风险。