Puneet Sinha，西門子數字化工業軟件電池行業高級總監

電池行業在國家經濟發展中發揮著重要作用，根據行業報告預測，到本世紀末，電池行業將實現十倍增長；而這一增長的核心驅動力，是包括電動交通以及儲能等行業對于鋰電池的大量需求。無論是行業的新入局者還是老牌廠商在這種趨勢下都面臨著相同的挑戰，即如何在滿足成本、質量和可持續性目標的同時，縮短生產時間，降低廢品率，最大限度地提高產量。

要實現以上目標，企業需要建立一個數字制造框架，通過自動化技術和工業物聯網（IIoT）設備將生產數字孿生連接到真實的工廠運營，以便在工廠運營之前對生產線進行仿真設計和優化，并對生產流程進行驗證，從而降低投資風險并縮短規模化時間。將數字框架與自動化軟硬件以及工業物聯網連接起來，有助于實現生產的端到端集成。這為大規模生產提供了執行洞察力，并提供由數據驅動的框架，以持續提高生產吞吐量，同時平衡生產過程的可持續性和企業的長期盈利能力。

通過虛擬開發實現快速擴展

我們過去幾年的客戶案例提供了這樣一個洞察：一個企業從宣布建立工廠，到實現穩定的規模生產往往需要7年或更長時間。面對快速變化的電池市場，擴大生產所耗的時間對任何企業來說都是一個巨大挑戰。制造業運用虛擬開發的目標是通過連接多學科工程加快工廠的設計、建設和布局。在那里，企業可以創建流程、生產線和工廠的可靠仿真版本，同時，工程師可以準確評估各種化學物質對電池性能、電池安全性和老化的影響，并以此優化電池設計，最大限度地提高能量密度和快速充電能力。在數字孿生技術的加持下，工程師能夠根據封裝要求和終端系統要求，對電池設計和行為進行仿真驗證，將電池設計和工程的時間加快2到3倍。同時，數字孿生還能夠憑借強大的PLM骨干，讓產品、生產和工廠緊密連接，從而使企業決策者能夠在產品的整個生命周期內考慮各環節的相互依存性和變化所帶來的影響。

集成式解決方案助力大規模生產

大規模生產最大的挑戰之一是高廢品率。我們可以從過去的行業數據中看到，電池生產的平均報廢率約為40%甚至更高，在大多數情況下，當生產開始幾年后達到全速生產能力時，報廢率才能保持在10%以下。這樣的報廢率是降低生產成本的瓶頸。為了在保障制造質量的同時降低報廢率，企業需要在工廠執行端到端的軟硬件集成方案。這種解決方案可以實現從仿真驗證的流程計劃到無紙化生產的數字化連續性。制造執行軟件通過SCADA系統與自動化硬件連接，使制造團隊能夠輕松進行大規模生產并實施所需的生產實踐。通過IT和OT的融合來跟蹤、識別和緩解問題。

此外，工廠和供應商網絡內的數據共享也可以促進高效調度，創建更有效的廠內物流和安全的供應鏈，以確保材料的來源，以及控制每個階段產生的環境影響。更加互聯的制造過程通過多維度的標準化降低了復雜性，同時增加了靈活度。

智能生產是提高產量和實現可持續制造的關鍵

鋰電池生產的每一個步驟都關乎不同程度的時間成本以及資源成本，例如電池細胞形成和老化可能需要10天左右，嚴重影響了生產吞吐量，需要優化電極干燥或油墨混合等制造步驟，在不影響質量的情況下降低能耗。此外，電池生產是一個非常耗能的過程，能夠消耗多達40個單位的能量來生產一個單位的電池能量。這無疑會給企業帶來壓力，需要優化工廠的能源消耗來減少碳足跡。為了解決這些問題，電池制造商需要提高機器和工廠數據的使用率，為電池生產和工廠運營帶來所需的智能。

工業物聯網和自動化技術與制造執行系統和生產數字孿生的連接是數據驅動制造的關鍵。鋰電池制造是一個高度復雜的過程，其中涉及大約600個工藝。考慮到電池細胞生產過程中的數據量和各種制造步驟復雜的相互依賴性，需要使用人工智能來理解不同步驟之間的相互關系，并向產品/工藝合作伙伴持續學習，比較典型的用例是在線質量控制、測量漿料粘度的計算機視覺、涂層缺陷，以及老化過程中電池細胞行為的預測。具有標準化數據模型的數據平臺有助于將IT和OT結合在一起，并從機器和工廠無縫獲取數據。

此外，以工業物聯網和數據驅動的運營使企業能夠跟蹤能源消耗，以減少碳足跡。通過對機器進行預測性維護，還可以減少工廠運營期間的停機時間，從而提高整體生產吞吐量。

電池行業的制造成本約占電池成本的25%，在提高質量和生產吞吐量的同時，快速降低報廢率是電池行業在未來幾年快速擴張的核心。想要在快速擴張的電池行業中樹立領先地位，意味著在運營開始之前就將仿真和驗證過程“左移”，創造有彈性的供應鏈。通過集成的硬件和軟件解決方案，為端到端生產帶來執行洞察，從而降低廢品率并提高質量。而要做到這一切的可持續性和長期盈利，就需要企業最大限度地減少能源消耗，限制整體碳足跡，保持所有生產的可見性，并在問題發生之前預測問題，以有效應對未來之風險。