“電池制造有8大難點——極精密要求、極快速度、極高一致性、極低缺陷率、極高柔性、極高安全、極低成本、極高潔凈度。”
12月8日，在于海南舉辦的2023世界新能源汽車大會中，寧德時代首席科學(xué)家吳凱發(fā)表了《電池極限制造與人工智能技術(shù)融合的實踐與思考》演講，介紹了當(dāng)前動力電池產(chǎn)業(yè)極限制造與人工智能相結(jié)合的趨勢，以及對相關(guān)問題的思考。
動力電池產(chǎn)業(yè)為何需要極限制造？
隨著新一輪科技革命孕育興起，電池極限制造迎來新的發(fā)展機遇。
今年以來，在全球電動化全面加速的背景下，中國電池產(chǎn)業(yè)繼續(xù)突飛猛進。“今年雖然也面臨了一些困難，但是電池產(chǎn)業(yè)雪厚坡長，應(yīng)用前景廣闊。”吳凱說。
數(shù)據(jù)顯示，我國11月的新能源汽車滲透率已經(jīng)接近40%，今年歐洲的新能源汽車滲透率大概在15%左右，美國的新能源汽車滲透率基本穩(wěn)定在9%以上。受益于此，吳凱認(rèn)為，電池產(chǎn)業(yè)大概率也將從GWh時代正式進入TWh時代。
在吳凱看來，正是由于電池的大規(guī)模應(yīng)用，對電池的生產(chǎn)制造提出了更高要求。
“傳統(tǒng)制造業(yè)的6Sigma質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，是指每百萬個產(chǎn)品當(dāng)中，允許出現(xiàn)1-3個不良品，這在傳統(tǒng)制造業(yè)中已經(jīng)是比較高的水平了，像手機、芯片也都是這個水平。”吳凱說，“但一輛汽車底盤上，會安裝上百個上千個電芯，每一個單元都是一個獨立的單元，任何一個單元出現(xiàn)問題都可能會發(fā)生危險。從安全角度來看，按照傳統(tǒng)制造業(yè)原有的6Sigma質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)無法滿足新能源汽車、大巴等駕乘場景對于安全性的要求。”
為此，寧德時代在業(yè)內(nèi)率先提出了極限制造。
據(jù)吳凱介紹，這首先體現(xiàn)在極高的生產(chǎn)效率。值得一提的是，就在今年10月底，寧德時代的貴州基地投產(chǎn)，產(chǎn)線從投料到電池成品的流程，可實現(xiàn)平均每秒一顆電芯，2.5分鐘內(nèi)完成一個完整的電池組，單線產(chǎn)能達(dá)到10GWH。而據(jù)介紹，目前日韓電池企業(yè)最高可達(dá)到3到4GWH。
寧德時代的貴州基地
其次是極快的柔性制造，換型時間最短不到3天，以快速滿足越來越多的新能源車企的個性化需求。
最后是極優(yōu)的質(zhì)量控制，對不良品的要求上升到十億級，也就是每十億個產(chǎn)品當(dāng)中，才允許出現(xiàn)1-3個不良品，也就是PPB級產(chǎn)品缺陷率。
“在極限制造體系下，寧德時代收獲了行業(yè)里僅有的兩座燈塔工廠，但是仍然希望能夠向0缺陷率更進一步。而計算機視覺、機器學(xué)習(xí)、云計算、大數(shù)據(jù)等人工智能技術(shù)是我們繼續(xù)提升極限制造體系的關(guān)鍵手段。”吳凱說。
人工智能技術(shù)如何在電池極限制造中應(yīng)用？
在吳凱看來，將電池制造技術(shù)與人工智能技術(shù)相融合有諸多難題。
一方面，鋰電池制造屬極精密超高速的控形控性制造，制造裝備的性能直接決定電池質(zhì)量。十幾年前，全球基于消費類電池的制造工藝和設(shè)備，都無法滿足動力電池大規(guī)模高一致性制造要求。
對此，寧德時代先后研制了勻漿系統(tǒng)、激光焊接設(shè)備等系列動力電池高端制造裝備，實現(xiàn)了國產(chǎn)化替代。研制出寬幅涂布裝備和高速卷繞裝備，設(shè)計開發(fā)了極耳成型機、連續(xù)輥焊機等裝備，關(guān)鍵裝備全球領(lǐng)先，填補了國際空白。
另一方面，將人工智能技術(shù)融入電池極限制造的難度還在于，“電池到現(xiàn)在依然是一個非標(biāo)產(chǎn)品，例如寧德時代服務(wù)了全球幾乎所有的主流車企，不同車企、不同品牌車型所需要的的動力電池在尺寸、性能要求上都不盡相同。”吳凱說。
為了滿足敏捷且多樣化的電池供應(yīng)需求，寧德時代創(chuàng)新了全流程虛擬仿真加速柔性制造。利用計算機技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，將實際生產(chǎn)工藝過程模擬成虛擬環(huán)境，以此來驗證工藝流程的可行性，提前發(fā)現(xiàn)并解決潛在的問題，從而大幅提升成產(chǎn)效率。
此外，產(chǎn)品缺陷檢測也是個難題。在超高速的生產(chǎn)環(huán)境下，去發(fā)現(xiàn)材料表面上微米級的缺陷是很難的，為此，寧德時代發(fā)明了多幀照片微米級精度融合處理技術(shù)，定義了超過 200 類工藝缺陷，構(gòu)建了全球最豐富的動力電池缺陷數(shù)據(jù)庫，還將AI 圖像缺陷檢測引入到鋰電行業(yè)，AI 圖像缺陷檢測通過不斷學(xué)習(xí)和優(yōu)化算法，提高檢測的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。
不僅如此，寧德時代創(chuàng)建了全流程智能測控系統(tǒng)。以仿生可視化巡檢替代人工巡檢，全生產(chǎn)流程設(shè)置超6800個質(zhì)量控制點，鋪設(shè)4萬余個圖像傳感器，全面監(jiān)控生產(chǎn)設(shè)備，實時捕捉產(chǎn)品狀態(tài)。
在此基礎(chǔ)上，運用AI圖像算法對產(chǎn)品外觀和尺寸的高精缺陷作出判斷，提前預(yù)警質(zhì)量偏差，并迅速反饋至控制設(shè)備進行優(yōu)化，確保每組電池出倉前均經(jīng)過100多道檢測工序、平均追溯數(shù)據(jù)超1萬項，最大程度避免產(chǎn)品缺陷。
而在運維方面，寧德時代構(gòu)建了裝備智能健康管理與預(yù)測性維護系統(tǒng)，通過多種傳感信息融合，包括時空信息的關(guān)聯(lián)，識別出來主要關(guān)鍵設(shè)備的性能衰退，預(yù)測精度>98%。對關(guān)鍵裝備，可實現(xiàn)48小時提前預(yù)警。
工程人員可以根據(jù)設(shè)備狀態(tài)，安排合理的維保。使得我們的產(chǎn)線近乎零停機時間。同時，實時監(jiān)測各個設(shè)備，可以降低人工巡檢的工作量。因為有大量的數(shù)據(jù)可以快速地排查，哪些地方需要關(guān)注，精準(zhǔn)規(guī)劃備品備件。
電池未來極限制造走向何方？
據(jù)吳凱介紹，在智能化方面，未來一系列智能技術(shù)的研發(fā)和導(dǎo)入，將實現(xiàn)電池生產(chǎn)從決策到執(zhí)行整個過程的智能化，減少人員操作導(dǎo)致的不一致，提高控制精度、效率，降低成本。安全質(zhì)量方面，將通過精益化物料、數(shù)字化工藝設(shè)計、全流程質(zhì)量追溯等手段，確保缺陷產(chǎn)品不漏殺。
針對低碳要求，企業(yè)要積極采用綠電，從廠房到工藝到設(shè)備均大力推廣節(jié)能降耗技術(shù)，循環(huán)使用各種能源，并通過綜合能源管理系統(tǒng)對各方面能耗進行監(jiān)控分析，加快節(jié)能降耗新技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用。另外，設(shè)備的一體化設(shè)計和標(biāo)準(zhǔn)化，以及工廠完全自動化也是未來的方向。
“當(dāng)前，人工智能技術(shù)正在以驚人的速度發(fā)展，其強大的計算能力和智能分析能力正在為電池制造帶來巨大變革。”吳凱最后表示。
12月8日，在于海南舉辦的2023世界新能源汽車大會中，寧德時代首席科學(xué)家吳凱發(fā)表了《電池極限制造與人工智能技術(shù)融合的實踐與思考》演講，介紹了當(dāng)前動力電池產(chǎn)業(yè)極限制造與人工智能相結(jié)合的趨勢，以及對相關(guān)問題的思考。
動力電池產(chǎn)業(yè)為何需要極限制造？
隨著新一輪科技革命孕育興起，電池極限制造迎來新的發(fā)展機遇。
今年以來，在全球電動化全面加速的背景下，中國電池產(chǎn)業(yè)繼續(xù)突飛猛進。“今年雖然也面臨了一些困難，但是電池產(chǎn)業(yè)雪厚坡長，應(yīng)用前景廣闊。”吳凱說。
數(shù)據(jù)顯示，我國11月的新能源汽車滲透率已經(jīng)接近40%，今年歐洲的新能源汽車滲透率大概在15%左右，美國的新能源汽車滲透率基本穩(wěn)定在9%以上。受益于此，吳凱認(rèn)為，電池產(chǎn)業(yè)大概率也將從GWh時代正式進入TWh時代。
在吳凱看來，正是由于電池的大規(guī)模應(yīng)用，對電池的生產(chǎn)制造提出了更高要求。
“傳統(tǒng)制造業(yè)的6Sigma質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，是指每百萬個產(chǎn)品當(dāng)中，允許出現(xiàn)1-3個不良品，這在傳統(tǒng)制造業(yè)中已經(jīng)是比較高的水平了，像手機、芯片也都是這個水平。”吳凱說，“但一輛汽車底盤上，會安裝上百個上千個電芯，每一個單元都是一個獨立的單元，任何一個單元出現(xiàn)問題都可能會發(fā)生危險。從安全角度來看，按照傳統(tǒng)制造業(yè)原有的6Sigma質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)無法滿足新能源汽車、大巴等駕乘場景對于安全性的要求。”
為此，寧德時代在業(yè)內(nèi)率先提出了極限制造。
據(jù)吳凱介紹，這首先體現(xiàn)在極高的生產(chǎn)效率。值得一提的是，就在今年10月底，寧德時代的貴州基地投產(chǎn)，產(chǎn)線從投料到電池成品的流程，可實現(xiàn)平均每秒一顆電芯，2.5分鐘內(nèi)完成一個完整的電池組，單線產(chǎn)能達(dá)到10GWH。而據(jù)介紹，目前日韓電池企業(yè)最高可達(dá)到3到4GWH。
寧德時代的貴州基地
其次是極快的柔性制造，換型時間最短不到3天，以快速滿足越來越多的新能源車企的個性化需求。
最后是極優(yōu)的質(zhì)量控制，對不良品的要求上升到十億級，也就是每十億個產(chǎn)品當(dāng)中，才允許出現(xiàn)1-3個不良品，也就是PPB級產(chǎn)品缺陷率。
“在極限制造體系下，寧德時代收獲了行業(yè)里僅有的兩座燈塔工廠，但是仍然希望能夠向0缺陷率更進一步。而計算機視覺、機器學(xué)習(xí)、云計算、大數(shù)據(jù)等人工智能技術(shù)是我們繼續(xù)提升極限制造體系的關(guān)鍵手段。”吳凱說。
人工智能技術(shù)如何在電池極限制造中應(yīng)用？
在吳凱看來，將電池制造技術(shù)與人工智能技術(shù)相融合有諸多難題。
一方面，鋰電池制造屬極精密超高速的控形控性制造，制造裝備的性能直接決定電池質(zhì)量。十幾年前，全球基于消費類電池的制造工藝和設(shè)備，都無法滿足動力電池大規(guī)模高一致性制造要求。
對此，寧德時代先后研制了勻漿系統(tǒng)、激光焊接設(shè)備等系列動力電池高端制造裝備，實現(xiàn)了國產(chǎn)化替代。研制出寬幅涂布裝備和高速卷繞裝備，設(shè)計開發(fā)了極耳成型機、連續(xù)輥焊機等裝備，關(guān)鍵裝備全球領(lǐng)先，填補了國際空白。
另一方面，將人工智能技術(shù)融入電池極限制造的難度還在于，“電池到現(xiàn)在依然是一個非標(biāo)產(chǎn)品，例如寧德時代服務(wù)了全球幾乎所有的主流車企，不同車企、不同品牌車型所需要的的動力電池在尺寸、性能要求上都不盡相同。”吳凱說。
為了滿足敏捷且多樣化的電池供應(yīng)需求，寧德時代創(chuàng)新了全流程虛擬仿真加速柔性制造。利用計算機技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，將實際生產(chǎn)工藝過程模擬成虛擬環(huán)境，以此來驗證工藝流程的可行性，提前發(fā)現(xiàn)并解決潛在的問題，從而大幅提升成產(chǎn)效率。
此外，產(chǎn)品缺陷檢測也是個難題。在超高速的生產(chǎn)環(huán)境下，去發(fā)現(xiàn)材料表面上微米級的缺陷是很難的，為此，寧德時代發(fā)明了多幀照片微米級精度融合處理技術(shù)，定義了超過 200 類工藝缺陷，構(gòu)建了全球最豐富的動力電池缺陷數(shù)據(jù)庫，還將AI 圖像缺陷檢測引入到鋰電行業(yè)，AI 圖像缺陷檢測通過不斷學(xué)習(xí)和優(yōu)化算法，提高檢測的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。
不僅如此，寧德時代創(chuàng)建了全流程智能測控系統(tǒng)。以仿生可視化巡檢替代人工巡檢，全生產(chǎn)流程設(shè)置超6800個質(zhì)量控制點，鋪設(shè)4萬余個圖像傳感器，全面監(jiān)控生產(chǎn)設(shè)備，實時捕捉產(chǎn)品狀態(tài)。
在此基礎(chǔ)上，運用AI圖像算法對產(chǎn)品外觀和尺寸的高精缺陷作出判斷，提前預(yù)警質(zhì)量偏差，并迅速反饋至控制設(shè)備進行優(yōu)化，確保每組電池出倉前均經(jīng)過100多道檢測工序、平均追溯數(shù)據(jù)超1萬項，最大程度避免產(chǎn)品缺陷。
而在運維方面，寧德時代構(gòu)建了裝備智能健康管理與預(yù)測性維護系統(tǒng)，通過多種傳感信息融合，包括時空信息的關(guān)聯(lián)，識別出來主要關(guān)鍵設(shè)備的性能衰退，預(yù)測精度>98%。對關(guān)鍵裝備，可實現(xiàn)48小時提前預(yù)警。
工程人員可以根據(jù)設(shè)備狀態(tài)，安排合理的維保。使得我們的產(chǎn)線近乎零停機時間。同時，實時監(jiān)測各個設(shè)備，可以降低人工巡檢的工作量。因為有大量的數(shù)據(jù)可以快速地排查，哪些地方需要關(guān)注，精準(zhǔn)規(guī)劃備品備件。
電池未來極限制造走向何方？
據(jù)吳凱介紹，在智能化方面，未來一系列智能技術(shù)的研發(fā)和導(dǎo)入，將實現(xiàn)電池生產(chǎn)從決策到執(zhí)行整個過程的智能化，減少人員操作導(dǎo)致的不一致，提高控制精度、效率，降低成本。安全質(zhì)量方面，將通過精益化物料、數(shù)字化工藝設(shè)計、全流程質(zhì)量追溯等手段，確保缺陷產(chǎn)品不漏殺。
針對低碳要求，企業(yè)要積極采用綠電，從廠房到工藝到設(shè)備均大力推廣節(jié)能降耗技術(shù)，循環(huán)使用各種能源，并通過綜合能源管理系統(tǒng)對各方面能耗進行監(jiān)控分析，加快節(jié)能降耗新技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用。另外，設(shè)備的一體化設(shè)計和標(biāo)準(zhǔn)化，以及工廠完全自動化也是未來的方向。
“當(dāng)前，人工智能技術(shù)正在以驚人的速度發(fā)展，其強大的計算能力和智能分析能力正在為電池制造帶來巨大變革。”吳凱最后表示。
