【技术前沿】详解动力电池智能化制造的途径与效益

【技术前沿】详解动力电池智能化制造的途径与效益摘要：作为一个希望定位在高端的动力电池企业，如果没有类似于MES这种制造执行系统来管控整个计划、生产、质量、库存、出货、售后等过程，想做高端市场几乎不可能。一、对中国制造战略的理解2015年5月8日，中国版的“工业4.0”战略规划《中国制造2025》公布。该战略规划经李克强总理签批，已由国务院公布，同时国家以及各地政府也出台了系列配套政策，从此拉开了实施国家制造强国战略的序幕。笔者认为，工业4.0的核心是智能化制造，而工业3.0的核心是自动化制造。对于欧美企业来说，它们基本上已经完成了工业3.0，而对于大部分中国企业来讲，目前还处在工业2.5阶段，也就是半手工半自动化的阶段。工业3.0到工业4.0，重点在于软件以及管理；工业2.5到工业3.0阶段，重点是硬件。这就是为什么近期国内自动化设备投资成为热点的原因。如此看来，业界就不难理解为什么中国制造企业在现阶段对自动化设备的需求比制造执行系统(ManufactoryExecutiveSystem，简称MES)的需求来得更加迫切。与欧美企业相比，虽然我们大部分的企业还是相差甚远，但是有一个行业我们并不落后，那就是新能源汽车行业。近年来在国家新能源政策鼓励下，新能源汽车行业迅猛发展，而作为电动汽车的核心组件之一动力电池更是得到资本的青睐。在资本与技术的配合下，我们欣喜地看到许多动力电池工厂都采用了自动化设备，自动化的应用也带来了对MES管理软件平台的大量需求，从而为动力电池工厂实现智能化生产模式建立了基础。笔者一直认为，作为一个希望定位在高端的动力电池企业，如果没有类似于MES这种制造执行系统来管控整个计划、生产、质量、库存、出货、售后等过程，想做高端市场几乎不可能。因此，实施MES也就成了优秀企业必不可少的一部分，同时也是制造企业实现智能化制造的必经之路。二、动力电池企业实现智能化制造的途径如何通过实施MES系统来实现智能化制造？首先了解一下电池的整个生产流程：要做到产品质量和产量的双提高，就要做到以下几点：1、对原材料数量、重量、温度等信息的管控由人工计算控制，替换为MES系统综合控制，缩减备料周期，进而缩短生产周期；2、将容易出错、缓慢的手工操作工位更换为自动化控制设备并与MES系统集成，实现电芯性能数据的自动采集，提高数据的精准度、提高产品质量；3、由原先的人工纸张记录数据方式更改为在MES系统中录入，减少纸质化数据、减少产线人员劳动力的使用，快速地展现产线生产数据和各工位不良率数据，方便品质管理人员简单、快捷地分析产品质量并对产线和工艺进行完善和改造，并最终趋向智能化制造。对于一条实际的动力电池生产线来说，实施一套实用的MES系统和实现产线的智能化，可以从以下方面来进行：1、原材料段的“产品”是正负小卷极片，是CELL段的物料，每次投料的数量是依据订单需求折算为CELL段需要的极片数量；从混料到烘烤完毕，因人工通知不及时、人工计算误差和运输时间延迟等导致CELL段备料时间延长，使得下订单或更换型号时，由于CELL段缺料而多等待几天时间。通过实施MES，当CELL段的物料扣减至低于安全库存时，MES及时提醒原材料段备料，或者当要切换型号时，及时通知前段根据订单需求提前混料、制片等。从局部来看，员工可以及时地将混料工位所需要的物料库存批次、物料重量和数量信息等录入到MES中、以便后面追溯查询使用；2、在铜箔/铝箔上，浆料的均匀程度对电芯的性能有着重要影响，MES系统和拉浆设备、压片设备进行集成，实时获取载体上的浆料厚度、均匀度等数据，以便工艺品质人员分析或MES按照工艺给定的公式自行分析并判定该大卷极片是否可用；3、在分切工序需要对切刀的使用寿命进行管控，切刀经常磨损，超过使用寿命会使得小卷极片边缘不整齐，从而影响电池性能；使用MES系统对刀具进行管控，记录刀具的当前剩余可使用寿命，一旦刀具寿命用尽，便提示员工此刀具不能再使用，并且MES对刀具的管控可以避免正、负极片切刀的混用；4、极片的烘烤需要一个特定的时间段，烘烤时间过长浪费资源，过短则不足以保证去除极片上的水分，因此MES系统与烤箱做集成，通过MES系统来管控烘烤时间，烘烤完成时则通知生产人员，烘烤时间过长或过短都给与报警提示。CELL段是电池由物料到成型的一个重要环节，从卷绕到分选，有着较复杂的工艺流程，早期完全有人工来操作，整个CELL段的耗时非常长，并且电芯性能数据遗漏或丢失很严重，最终导致产品不良率非常高。随着产线先进自动化设备和机器人的不断引进、MES系统的部署和集成，电芯的性能参数逐渐由MES系统直接从设备中获取，由MES系统对电芯的合格性进行判定，不良率报表由MES系统自动生成，电芯以及中间物料的搬运工作不在使用大量的人工，而是使用先进的流水线、AGV小车和机器人来操作，便避免了人工效率比较低导致的生产周期拖长现象，使得CELL段的生产周期大幅缩短。5、在卷绕工位，目前国内使用的一般都是进口的自动卷绕机，只要放入极片、隔膜纸、胶带、极耳等物料，设置好卷绕机的各项运行参数，即可自动的绕成极芯；在MES系统记录每台卷绕机在某个时间段使用的物料批次信息，并且通过与短路测试设备集成获取该极芯数据并判定是否短路，以便通知设备及时挑出短路极芯；6、在喷码工位，一般工厂采用的是人机协同式喷码，就是每天或每次切换型号时，技术人员在喷码机上设置喷码规则、检查墨液是否充足并启动设备，不可避免会出现将编码设置错的情况，这类问题直到品质人员查看报表信息时才有可能发现，导致问题处理滞后。MES系统与喷码机集成后，可以根据系统时间和订单切换信息自动设置正确的条码规则，还可以省去技术人员检查喷码机这一操作，系统实时检查喷码机状态，当喷码原料不足时，提前发出系统通知告知技术人员准备原料，这样整个喷码工位，可以缩短一定的CELL段的生产周期和技术人员的时间；7、注液信息是电芯的一个重要性能数据，目前大部分工厂使用的还是手动注液技术，为了计算注液量信息，就需要有注液前称重、注液封口后称重、计算注液量三个步骤来完成注液信息的获取和记录，造成的结果是耗时较长、不同电芯注液量差别比较大、人员使用比较多等。采用自动注液机，能够实现自动称重、注液、封口、注液量计算等，MES系统再与之集成，便可以实现注液量信息的全自动获取，节约了大量的人力和时间，同时也提高了注液的精准度；8、目前，电芯陈化一般是手动模式，手动放置、手动记录；如果采用全自动装盘、入库、出库流水线和机器人，再加上MES系统的仓储管理系统，可以实现注液后电芯的自动陈化、自动入库、陈化时间到后自动出库并流向化成工位，可以省去较长的人工装盘、搬运和检查时间；9、化成和陈化类似，采用人工模式会耗费比较多的人力和时间。采用自动化成柜和搬运机器人并与MES系统集成，能够大幅度的缩短生产周期并将化成数据及时的展现给品质管理人员和客户；10、目前采用手工电芯称重的工厂较多，人工去查询前段注液数据，而后称重并计算残余量；若采用全自动称重模式，则通过MES与自动化称重设备集成，扫描电芯条码后获取前段注液信息并自动计算残余量数据，给予是否合格判定结果，告知机器人将不合格的挑出；MES系统可以与很多种分容柜集成自动获取设备中的电芯分容数据信息，并展示在报表中，省去了人工去分容柜中导出Excel数据表格的时间和人力，有助于品质人员快速的分析电芯的容量信息；11、自放电测试1到自放电测试2之间一般要间隔一定时间，主要是为了测量电芯电压的稳定性。MES系统在这里主要起到结果判定和时间管控的功能，如果两次测试时间间隔不够，MES系统会给与报警提示；如果不合格，MES系统会告知机械手将电芯抓走，避免了人工操作带来的误判误放情况；现在市场上有一种一体化的全自动分容设备，它具有自动分容、自放电测试1、自放电测试2和电芯分档功能，设备会在自放电测试2之后给予电芯一个档位，并将这些电芯的档位上传到MES系统中，而后MES系统与分选机集成，将不同档位的电芯放置不同的位置，供不同要求的客户使用；12、PACK段一般有上料(线路板、胶带等)、裁极耳、黏胶带、电芯组装、焊接线路板、半成品测试、贴标、装箱几个工位，有时候会先贴标再做测试，此时半成品测试会称作成品测试。MES系统可以在电芯组装、焊接线路板、半成品测试、贴标和装箱工位使用，如电芯组装、装箱这三个可以在MES系统上录入物料信息和条码信息，而在半成品测试和贴标工位做设备集成控制，实现自动数据采集、无人化自动贴标和数据绑定。在电芯组装和焊接线路板时，MES系统可以记录线路板条码和电芯条码，并进行绑定。半成品测试或成品测试一般是由专门的设备测试，MES系统从设备中获取测试数据并记录。一般市场上看到的电池的条码都是成品标贴条码，而电芯条码只是厂家内部条码，为了能够在出货或产品有问题时，方便查询电芯生产时的情况，MES系统会将电芯条码和成品标贴条码进行绑定；MES系统可以通过控制自动贴标设备，在贴标过程中分别扫描一个或几个电芯条码和标贴条码在后台进行绑定；13、箱作为出货的最小单位，为了让客户知道每个包装箱内有哪些电池，MES系统中的包装功能会进行成品条码和箱唛的绑定，这样客户只需根据订单号就可以在MES报表中查询订单下的箱唛信息、以及每个箱唛下的成品电池数据。综上所述，通过MES系统的实施、先进自动化设备和机器人的使用，动力电池厂商可以实现产品的智能化生产，根据一些动力电池工厂实施MES系统所达到的效果来看：实施MES系统后，电池生产原材料段在为CELL段备料方面实现了前后及时反馈机制，能够节省约50%的备料时间，且对于电芯或电池来说，通过MES系统的综合追溯功能，可以做到有源(材料)可溯。电池生产线自动化设备和机器人的使用，给工厂节省了80%的劳动力；在整个CELL段和PACK段，生产周期也缩减了30%以上；PACK之后成品电池的质量得到了大幅提升，不良率降低了约10个百分点，使整个生产更趋于智能化。对客户来讲，订单一下达，工厂产线便可以快速地进入生产状态。从下单到出货，客户的收获时间大幅缩减且产品质量大幅提高，给客户留下了很好的印象。三、实现智能化制造的效益总体来说，实现智能化制造的效益如下：1、通过追溯功能，实现产品生产过程记录及追溯，提升客户满意度。通过产品跟踪和清单管理功能的使用，信息系统能监视工件在任意时刻的位置和状态，收集和记录产品或物料加工工序、加工结果的数据，形成每个物料或产品可追溯性记录，以便在必要时，企业向客户证实产品的质量、追溯问题的根源或评估问题的严重程度等。2、通过高弹性的精细化计划，提高工厂生产效率及生产能力。信息系统对过程实时事件具有更高的响应能力，并具有对过程的实时状况报告的功能，使用其中的工序详细调度功能，通过相应的作业排序或作业调度程序来优化作业计划，信息系统企业将实际生产作业计划制定得更细致、定义得更精确，同时也更具有更高的可操作性，可以极大地提高生产过程的作业效率和作业性能。3、实时的生产全局监控，实时的系统交互，提升管理水平。信息系统反映了作业人员、机器、设备、物料和工具等资源的使用状态的实时信息，并就刚刚完工的作业活动向有关人员报告。因此，使用其中的资源状态管理功能，信息系统除能及时提供更详实的资源可用量信息，以便于向生产进行更可行的资源计划，同时也使有关人员不仅可及时了解到作业效率，资源效率等实际状况，还可以对作业中隐藏的问题，运作效率改善等进行及时的处理和更正。4、精确的生产流程控制，提高工作中心利用率和生产质量。通过生产单元分配功能的使用，信息系统能将生产产品的原物料连同作业指令一起送达相应的加工单元，以指令开始一个工序或工步的操作，极大地提高了生产流程的协同性，减少了“工作中心”的待料时间，提高了“工作中心”的利用效率。并且通过信息系统的上料对比防错功能，使得上错料的几率接近于零，在提升产能的同时也使得生产质量有了保障。5、通过文档管理及控制，提高员工工作效率及准确性，节省生产成本。通过文档管理和标准控制功能的使用，信息系统能将产品的加工所需的产品数据、产品标准、工艺规程