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　　一、背景與形勢

　　1.1 世界工業轉型背景

　　世界工業發展已歷經三次工業革命，第一次工業革命促進人類社會進入蒸汽時代，第二次工業革命促進人類社會進入電氣時代，第三次工業革命將人類社會帶入信息時代，每次工業革命都促進了生產力的大幅提升，對人類社會文明的進步做出了巨大貢獻。目前全球工業正在推進第四次工業革命，以德國、美國為首的西方發達國家正在大力推動工業制造轉型，向智能化的生產方式發展。如德國實施的工業4.0以及美國實施的工業互聯網等國家戰略，其核心均是圍繞智能制造對國家工業進行升級。

　　近年來，中國制造業增加值在逐年增長的同時，整體增速卻趨于平緩，產業仍處于全球制造業產業鏈的中低端。中國經濟發展進入新常態后，制造業的問題逐步顯現，具體表現為產能過剩、制造成本居高不下，產品品質偏差、制造效率偏低以及創新能力不足等，這些問題桎梏著中國制造業的發展和提升。在新一輪信息技術與制造技術深度融合，新一代移動互聯網技術以及大數據、云計算技術發展應用的背景下，中國制造業也亟需通過智能制造來完成新一輪制造業的戰略轉型。

　　1.2 新能源汽車的發展需要

　　汽車產業是中國的支柱產業，是發展高端制造業的代表，但是傳統汽車對石油的消耗與依賴以及尾氣排放對環境的污染迫切需要發展新能源汽車。目前以中國為代表的世界汽車大國正在積極推動汽車產業的電動化轉型。作為新能源汽車心臟部件的動力電池，其成本可以占到整車成本的50%，其性能如能量密度、功率密度、高低溫耐受性、循環壽命、一致性以及安全性等是決定新能源汽車使用性能以及未來發展的重要因素。與汽車制造相似，動力電池同樣是重視制造能力的行業，高水平的動力電池生產制造能力是電池一致性、安全性和低成本的重要保障，也是決定產品市場表現的重要因素。

　　1.3 中國動力電池行業現狀

　　在中國新能源汽車產業的帶動下，動力電池產業近年來保持持續快速增長，企業產能建設規模擴張迅速，整體配套出貨量居世界第一，但也存在一些發展上的問題，具體體現在以下幾方面。

　　1.3.1 動力電池產業整體實力不強

　　2018年，中國新能源汽車總產量突破120萬輛，動力電池總配套量達到57GW·h，已產新能源汽車有近100家動力電池配套企業。在這些企業中，除了配套規模領先的龍頭企業，其他企業的實力在產品品質以及成本控制方面與國外先進水平相比還有較大差距，還無法真正參與日漸激烈的國際競爭。在動力電池產業高質量轉型突破的背景下，這些企業則面臨被市場淘汰的風險。

　　1.3.2 對動力電池產品安全重視度不高

　　2018年，新能源汽車出現了多起起火燃燒事故。據不完全統計，由動力電池引發的事故占到了65%。在當前，企業為了得到更多的財政補貼，不斷追求動力電池能量密度的快速提升，卻忽視了動力電池生產制造質量的同步提升，給新能源汽車的安全使用埋下了隱患，也影響了新能源汽車產業的健康發展。

　　1.3.3 動力電池行業亟需轉型升級

　　目前，中國動力電池產業總體產能超過250GW·h，新能源汽車配套量居世界第一，但實際配套量僅為總產能的1/5，企業實力參差不齊，產品品質整體不高，核心技術專利仍然欠缺，動力電池市場競爭越來越激烈。隨著新能源汽車補貼退出，車企對高品質動力電池的認知和理解加深，一些低端動力電池產品及企業逐漸失去市場，被淘汰出局。因此，動力電池生產企業提升發展水平，重點應立足品質，降本增效，應充分借助智能制造的發展契機，實現轉型升級。

　　二、動力電池與智能制造

　　2.1 動力電池生產制造現狀

　　動力電池生產制造包含勻漿、涂布、烘烤、輥壓、分切、卷繞/疊片、裝配、注液、封裝、化成、分容等過程[1]。在中國新能源汽車產業發展的初級階段，動力電池生產企業多由數碼電池企業轉型而來，生產過程多處于半自動化半手工狀態。隨著新能源汽車市場規模的擴大，動力電池行業也得到快速發展，自動化的生產能力日漸提高。

　　目前中國動力電池生產企業基本已實現單機單工序自動化生產過程，單線產能和生產效率也得到有效提升，目前少數先進制造水平可以達到單線2GW·h以上，產品合格率可以達到90%以上，但是與國外先進水平相比仍有差距。在新能源汽車財政補貼退出以及市場競爭加劇的形勢下，動力電池生產企業需要通過智能制造來進一步縮短研發周期，提高生產效率，降低生產成本，提升產品品質，在新一輪國內外市場競爭中占據有利位置。

　　2.2 智能制造發展現狀及內涵

　　智能制造是新一代的生產方式，最初始于20世紀80年代，并在21世紀的智能技術發展推動下逐漸形成清晰路線。智能制造是將信息技術、數字技術、網絡技術以及智能技術與生產制造深度融合的生產方式，其形成的新一代生產控制系統能在生產過程中不斷感知、分析、推理和決策，有效協同聯絡生產制造的上下游環節，從而提高生產效率和產品質量，形成和擴展新型的人機模式和商業模式。

　　2.2.1 美國智能制造發展內涵

　　美國智能制造領導聯盟指出智能制造是先進智能系統強化應用、新產品快速制造、產品需求動態響應，以及工業生產和供應鏈網絡實時優化的制造。其核心技術是網絡化傳感器、數據互操作性、多尺度動態建模與仿真、智能自動化以及可擴展的多層次網絡安全。融合從工廠到供應鏈的所有制造，并使其對固定資產、過程和資源的虛擬追蹤橫跨整個產品的生命周期。

　　美國能源部則認為智能制造是先進傳感、儀器、監測、控制和過程優化的技術和實踐的組合，它們將信息和通信技術與制造環境融合在一起，實現工廠和企業中能量、生產率以及成本的實時管理。智能制造需要實現的目標有四個：產品的智能化、生產的自動化、信息流和物資流合一、價值鏈同步。

　　2.2.2 德國智能制造發展內涵

　　德國主推工業4.0戰略，即以智能制造為主導的第四次工業革命，在產品生命周期內對整個價值創造鏈的組織和控制邁上新臺階，意味著從創意、訂單，到研發、生產、終端客戶產品交付，再到廢物循環利用，包括與之緊密聯系的各服務行業，在各個階段都能更好地滿足日益個性化的客戶需求。所有參與價值創造的相關實體形成網絡，獲得隨時從數據中創造最大價值流的能力，從而實現所有相關信息的實時共享。以此為基礎，通過人、物和系統的連接，實現企業價值網絡的動態建立、實時優化和自組織，根據不同的標準對成本、效率和能耗進行優化。

　　2.2.3 日本智能制造發展內涵

　　日本在《日本制造業白皮書(2018)》中正式發布了“互聯工業”的概念，認為日本制造業已經處于一個“非連續創新”的時期，希望不僅通過機器人、信息技術、物聯網等技術的靈活應用和變革工作方式提升和優化業務的效率，更重要的是通過靈活運用數字技術從而獲得新的附加價值。

　　2.2.4 中國智能制造發展內涵

　　中國2016年發布的《智能制造發展規劃(2016—2020)》，則是基于工業化和信息化的深度融合，通過中國現已領先的互聯網技術，實現工業領域的互聯互通，打通信息孤島，實現大數據融合，推動制造業向數字化、網絡化、智能化發展，向綠色化、服務化轉型，挖掘制造新業態，創造商業新模式。

　　2.3 動力電池智能制造技術路線分析

　　動力電池生產制造的終極目標是實現動力電池的大規模高度一致化的制造，保障產品的一致性和安全可靠性，并且可持續性降低生產制造成本。

　　當前來看，智能制造是實現上述目標的重要手段，綜合世界各主要國家智能制造發展內涵，以《智能制造發展規劃(2016—2020)》為指導，并結合行業特定的發展特征，動力電池實現智能制造需要實現自動化、信息化、數字化、網聯化以及智能化的高度融合及并行推進，實現從工業2.0向工業4.0發展跨越。

　　2.3.1 自動化

　　動力電池制造精髓在于高度自動化的生產過程，其生產過程對于環境有比較嚴苛的要求，需要保證恒溫、恒濕和優質的空氣潔凈度。動力電池企業應在規劃生產線建設的時候嚴格限制人工數量，以保證外界對生產環節不產生影響，尤其是在制造前端的勻漿和涂布環節。綜合來看，動力電池各生產環節已基本實現自動化，人工參與環節在大幅減少，下一步的發展重點是要實現機器對人的全面替代，提高單機工作效率和制造精度，通過工業機器人的布局和應用，銜接動力電池生產上下游各環節，打造無人工廠，為智能制造打下基礎。

　　2.3.2 信息化

　　信息化是企業實現現代化發展轉型的管理基礎，是實現精益生產的必備手段。企業實施應用ERP、MES、PLM等企業管理、生產管理以及產品管理等信息系統來實現企業業務的橫向集成、縱向集成、端到端集成以及研發數據、生產數據、和銷售數據的融合貫通，并進一步實現動力電池產品的全生命周期追溯功能。這種信息化的管理執行通過對人、機、料的協同規劃，實現生產過程的邏輯化、透明化和規范化，促進精益生產的開展和實施，提升生產效率、減少浪費，增強企業軟實力，為智能制造的數據開發及應用奠定基礎。

　　2.3.3 數字化

　　企業的數字化建設包含以下兩層含義：①用數字來定義制造過程的對象，動力電池制造過程中的原料、裝備、工藝、輔具以及人工等均實現數字定義，并在制造過程中產生生產大數據，企業管理系統通過對生產大數據的調用和分析來及時掌握生產狀態以及預判生產質量的發展走勢;②企業信息物理系統的構建，使現實生產與虛擬生產互相映射，現實中的生產活動在虛擬世界均能一一對應，現實生產活動的發展變化能夠在虛擬環境中被捕獲和反映，并可以通過對虛擬生產活動的調節和控制，從而影響現實當中的生產活動，做到快速反饋、快速調節和快速生效。

　　2.3.4 網聯化

　　網聯化是設備與設備之間、生產鏈條與鏈條之間達到互聯互通，實現不同來源的異構數據格式的統一以及數據語義的統一，把研發設計信息、物料信息、生產信息、管理信息和業務流程與組織再造等環節進行打通，使數據在各環節能夠被讀取和準確識別，促進物理系統和數字系統的融合，實現通信、控制和計算的融合，營造信息物理系統的執行環境。網聯化是智能制造的重要基礎，是實現智能識別和智能控制的必備手段。

　　2.3.5 智能化

　　智能化是智能制造的追求目標，只有真正意義上實現了智能控制才能稱為智能制造。而自動化、信息化、數字化和網聯化均是智能制造實現的基礎，具備基礎條件后，企業可以形成自主的動力電池制造專家系統，通過大數據以及云計算等技術在動力電池在制造過程中實現自診斷、自分析、自糾錯和自決策等高級控制，對生產過程中的質量錯誤進行及時診斷和糾錯并高效實施，減少工序中斷環節，提高生產效率和產品品質。

　　智能制造對工業知識的生成和傳承主要依賴機器，突破了人在認知方面的限制，機器會學習制造過程中產生的海量數據，通過一定的算法進行數據訓練，形成數字模型，模型可以對再制造過程中的錯誤進行糾錯和調整，使制造一直處于正常高效的工作模式。

　　2.4 動力電池智能制造技術路線

　　基于以上分析，動力電池智能制造應是基于生產設備的高度自動化，應用現代化的企業信息管理體系執行精益生產模式，通過生產鏈條的互聯互通以及企業信息物理系統的構建，使動力電池的生產方式具有深度自學習、自糾錯、自決策、自優化功能從而實現智能水平，到動力電池生產制造實現優質、高效、低成本的目標。動力電池智能制造技術路線如圖1所示。

圖 1 動力電池智能制造技術路線