為了確定未來(lái)工廠如何降低電池制造成本，三個(gè)主要的步驟需要了解，其中每個(gè)步驟又包括多個(gè)過程（見示圖4）。下面，我們將重點(diǎn)介紹每個(gè)步驟所占的成本份額，主要的挑戰(zhàn)以及高成本過程。同時(shí)我們假設(shè)方形電電池將是電動(dòng)汽車電池組的主要設(shè)計(jì)（參見側(cè)欄“三種類型的電池設(shè)計(jì)”）
電極生產(chǎn)。這一步約占電池生產(chǎn)成本的39%，其中陽(yáng)極和陰極是分開生產(chǎn)但是其過程大體相似，這一步的面臨的主要問題是處理時(shí)間和產(chǎn)出率。在這一步驟中，涂層和干燥是最主要的成本因素。大體流程即為將活性材料漿料凃至薄金屬箔上，接下來(lái)通過干燥過程除去溶劑。其中干燥過程大約需要2至6分鐘，而這一過程具有高投資和高能耗的特征，因此是整個(gè)步驟成本最高的環(huán)節(jié)。此外，非計(jì)劃停工導(dǎo)致的機(jī)器停機(jī)時(shí)間也會(huì)引起成本大幅增加。
電池組裝。這一步大約占電池生產(chǎn)成本的20%。消除顆粒物的產(chǎn)生以及確保過程中的穩(wěn)定性可以有效防止內(nèi)部短路，進(jìn)而避免電池永久失活。主要的費(fèi)用源自于合成活性化合物。正如前文所訴，為了達(dá)到高能量密度，生產(chǎn)商須要在化合物的生產(chǎn)過程中采用堆疊技術(shù)。然而堆疊技術(shù)的復(fù)雜性以及必須緩慢處理化合物來(lái)確保精確性使其成為電池組裝成本的最大因素。
電池完成。這一步驟約占電池成本的41%，其中形成和老化是成本最高的過程，這也表明了加工時(shí)間和產(chǎn)出率是這兩個(gè)過程所面臨的挑戰(zhàn)。
在形成過程中，電池特性是通過多次充放電循環(huán)來(lái)建立的，這一過程是通過高昂的工作站完成，大約耗費(fèi)2～10小時(shí)。而在老化過程中，成品的電池將放置幾個(gè)周來(lái)確定是否存在微短路情況。在任何特定的時(shí)間，生產(chǎn)商可能需要將數(shù)十萬(wàn)個(gè)電池存儲(chǔ)在倉(cāng)庫(kù)中，而這些倉(cāng)庫(kù)需要昂貴的環(huán)境控制和安全防范措施。因此，最大化生產(chǎn)率是這一階段的主要挑戰(zhàn)。
在未來(lái)工廠中，電池成本會(huì)下降20%
采用下一代數(shù)字技術(shù)可以讓電池工廠從工業(yè)4.0成熟的早期階段（運(yùn)行狀態(tài)透明）轉(zhuǎn)化成為最先進(jìn)的未來(lái)工廠設(shè)計(jì)（全自動(dòng)工廠）。電池每千瓦的總成本可以減少高達(dá)20%，高于由生產(chǎn)精度提高和化學(xué)材料改進(jìn)所節(jié)省的成本。生產(chǎn)成本（不包括材料）可在電極生產(chǎn)環(huán)節(jié)減少25%，電池組裝環(huán)節(jié)減少20%，電池出廠環(huán)節(jié)減少35%。此外，電池的能量密度將提高10～15%。（將未來(lái)工廠的概念應(yīng)用于模塊和封裝集成將進(jìn)一步提供降低成本的潛力，但這里并沒有考慮這一點(diǎn)。）
對(duì)降低成本特別有參考價(jià)值的四個(gè)未來(lái)工廠的案例：
預(yù)見性維護(hù)。預(yù)見性維護(hù)可以降低生產(chǎn)成本的7%至10%。由于計(jì)劃停機(jī)和非計(jì)劃停機(jī)都會(huì)極大地影響各種過程成本，而這一方法可以降低電池生產(chǎn)每一過程的成本。這些停運(yùn)通常會(huì)使設(shè)備有效性降低5%到10%。其中影響最大的是涂層和干燥過程，其次是形成過程、材料的合成以及老化過程。智能檢測(cè)機(jī)器的狀態(tài)以及對(duì)預(yù)先修改參數(shù)設(shè)定可以預(yù)防非計(jì)劃停機(jī)同時(shí)延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間。智能化系統(tǒng)維修保養(yǎng)計(jì)劃可以優(yōu)化機(jī)器的運(yùn)行過程，從而可以減少計(jì)劃的停機(jī)時(shí)間以及維修時(shí)間，由此產(chǎn)生機(jī)器正常運(yùn)行時(shí)間的增加使得生產(chǎn)商購(gòu)置小容量的機(jī)器，進(jìn)而減少資本成本。這個(gè)技術(shù)需要用到監(jiān)測(cè)機(jī)器運(yùn)行的傳感器、工廠中的本地?cái)?shù)據(jù)分析平臺(tái)以及本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)。
材料加工過程。通過提高電機(jī)的生產(chǎn)效率，材料相關(guān)的加工過程（例如測(cè)量陰極材料漿料的實(shí)際組成以控制涂層和干燥過程）可使電池生產(chǎn)成本減少8%。傳感器測(cè)量材料質(zhì)量并提供實(shí)時(shí)反饋，以便機(jī)器可以調(diào)整過程，例如可以減少干燥時(shí)間，或改變壓延成型的壓力。除傳感器外，這項(xiàng)技術(shù)還需要本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析工具系列以及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)和機(jī)器控制系統(tǒng)之間的接口。
智能參數(shù)設(shè)置。在電池組成和完成階段采用智能化參數(shù)設(shè)置可降低電池的生產(chǎn)成本約10%。生產(chǎn)商可以利用電極涂層精度的數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整電極成型和材料合成過程中的參數(shù)設(shè)置，從而可以使復(fù)合公差的范圍由±1.0毫米減少至±0.1毫米。更高的精度會(huì)產(chǎn)生更高的能量密度，從而降低了每千瓦時(shí)的生產(chǎn)成本。生產(chǎn)商還可以根據(jù)實(shí)際的電極特性和電流電池參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)形成參數(shù)進(jìn)而縮短形成時(shí)間。資本支出的減少、電池容量的增加以及電池波動(dòng)減少這些都使得生產(chǎn)成本降低。而為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，生產(chǎn)商需要一個(gè)中央數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)工藝參數(shù)以及在相關(guān)工作站上進(jìn)行的產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)。此外還需要一個(gè)大的數(shù)據(jù)分析工具系列，實(shí)時(shí)連接到測(cè)量裝配參數(shù)設(shè)置的傳感器。
智能在線質(zhì)量控制。在電池完成過程中采用大數(shù)據(jù)分析來(lái)提高電池的質(zhì)量控制可以降低電池的生產(chǎn)成本約15%。這項(xiàng)技術(shù)需要測(cè)量整個(gè)生產(chǎn)鏈質(zhì)量的能力、大的數(shù)據(jù)庫(kù)（原生的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)庫(kù)）以及一種支持實(shí)時(shí)分析的分析數(shù)據(jù)庫(kù)。制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）向分析工具提供關(guān)鍵的數(shù)據(jù)輸入。所有的工廠都必須有MES，從而使得生產(chǎn)者可以分析制造參數(shù)和相關(guān)的質(zhì)量測(cè)量，而這些分析又有利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量和運(yùn)輸安全的全球工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。BCG研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)電池生產(chǎn)商認(rèn)為MES僅僅是一個(gè)成本因素而不具有收益潛力。然而，通過將MES與先進(jìn)的分析工具相結(jié)合，生產(chǎn)者可以極大地降低生產(chǎn)成本。
電池生產(chǎn)的每一步都可以從這些例子中獲益（參見示圖5）。
電極生產(chǎn)。在電極生產(chǎn)過程中，原材料成分的變化會(huì)產(chǎn)生大量的廢料。例如，材料漿料和涂層模具的變化都會(huì)導(dǎo)致電極形狀的中心線偏差，從而導(dǎo)致電極報(bào)廢?，F(xiàn)階段，工廠主要通過增加電極的容差范圍來(lái)克服這一問題，但這又降低了電池的能量密度。
在未來(lái)工廠中，材料加工過程使用內(nèi)聯(lián)過程控制以使得機(jī)器主動(dòng)響應(yīng)中心線偏差。攪拌和涂層機(jī)器裝配有材料傳感器來(lái)確定活性材料漿料的成分，并通過干燥、切割、壓延成型機(jī)器站點(diǎn)的實(shí)時(shí)反饋對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。此外，壓延成型以及真空干燥過程中的智能參數(shù)設(shè)置將允許基于壓延前后測(cè)量的孔隙度和濕度進(jìn)行自我調(diào)整。這種自我調(diào)整可以使得生產(chǎn)商縮小電極的公差范圍進(jìn)而增加能量密度?？傮w而言，涂層和干燥過程的智能化控制可以使干燥時(shí)間縮短約40%。此外，未來(lái)先進(jìn)的機(jī)器人將替代人工操作的加載、設(shè)置和卸載任務(wù)來(lái)完成電極生產(chǎn)。
電池組裝。電池組裝過程中的精度直接影響了電池的能量密度。由于目前的裝配機(jī)器通常采用統(tǒng)計(jì)過程控制方法，不適合對(duì)幾何圖形的局部變化進(jìn)行調(diào)整，因此這限制了機(jī)器的精度，進(jìn)而降低了能量密度。在未來(lái)工廠中，在線檢查零件幾何尺寸的智能化參數(shù)設(shè)置可以提高裝配機(jī)器的精度，從而增加電池的容量。與采用固定參數(shù)設(shè)置的傳統(tǒng)裝配工藝相比，智能化參數(shù)設(shè)置可以提高電池容量約15%。
目前，裝配機(jī)器具有較高的可靠性，能夠生產(chǎn)出特定類型的電池、化學(xué)以及設(shè)計(jì)，這也意味著每當(dāng)生產(chǎn)一個(gè)新產(chǎn)品，生產(chǎn)商不得不對(duì)重新投資新的裝配機(jī)器，甚至還需要新建工廠。在未來(lái)工廠中，由智能化參數(shù)設(shè)置系統(tǒng)指導(dǎo)和先進(jìn)機(jī)器人支持的模塊裝配機(jī)器可以生產(chǎn)出不同類型的電池，允許生產(chǎn)商可以在原有的生產(chǎn)線上制造出更多類型的電池—一種轉(zhuǎn)換不同類型電池生產(chǎn)的能力。新增的產(chǎn)品可以是如存儲(chǔ)等非汽車應(yīng)用的電池
電池完成。在未來(lái)工廠中對(duì)電池進(jìn)行裝配時(shí)，生產(chǎn)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)數(shù)字孿生—包括組件規(guī)范和進(jìn)程內(nèi)質(zhì)量測(cè)量等數(shù)據(jù)在內(nèi)的電池的多維數(shù)字表示。基于數(shù)字孿生的電池裝配在線質(zhì)量控制可以極大地減少物理檢測(cè)站的數(shù)量。電解液的浸潤(rùn)以及預(yù)充電的參數(shù)都是根據(jù)數(shù)字孿生所得到的特征自動(dòng)調(diào)整的。例如，電解液浸潤(rùn)裝置可以根據(jù)電極生產(chǎn)過程所記錄的材料性能數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整浸潤(rùn)過程中的壓力和電解液的流動(dòng)，從而縮短浸潤(rùn)的時(shí)間。
目前工程師主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)而不是物理關(guān)聯(lián)來(lái)設(shè)置形成工藝中的參數(shù)，造成所有電池的生產(chǎn)都采用相同的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。然而事實(shí)上由于每個(gè)電池會(huì)存在一定的允許誤差，因此固定的參數(shù)不利于電池性能的最優(yōu)化。而在未來(lái)工廠中，生產(chǎn)者通過分析數(shù)字孿生中的數(shù)據(jù)在電池形成工藝中設(shè)置相對(duì)應(yīng)的參數(shù)，因此可以實(shí)時(shí)調(diào)整過程參數(shù)進(jìn)而優(yōu)化電池性能。此外，在電極生產(chǎn)和電池組裝過程中采用質(zhì)量控制技術(shù)最大可減少20%的電池形成時(shí)間。
通過智能在線質(zhì)量控制技術(shù)，記錄整個(gè)生產(chǎn)鏈的產(chǎn)品測(cè)量數(shù)據(jù)，最大可將老化時(shí)間縮短80%。這種先進(jìn)的分析技術(shù)可以幫助生產(chǎn)者確定每個(gè)電池是否發(fā)生微短路的問題而無(wú)需通過物理測(cè)量手段。通過數(shù)據(jù)分析后質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的電池才會(huì)經(jīng)歷老化過程，即按需老化方法。由于這一方法可以有效的減少老化過程中的電池?cái)?shù)量，進(jìn)而減小倉(cāng)庫(kù)空間及相關(guān)的設(shè)備。
即使在電池組投入使用后，數(shù)字化技術(shù)還可以發(fā)揮作用。例如，通過分析行駛電動(dòng)車的電池使用情況和電廠性能數(shù)據(jù)，進(jìn)而優(yōu)化電池的設(shè)計(jì)和制造工藝。
Battery Producers Must Retrofit Plants or Build New Ones電池廠家必須改造或新建智能工廠
這一步主要由工廠處于運(yùn)營(yíng)還是規(guī)劃狀態(tài)來(lái)決定。
現(xiàn)有的工廠。考慮到將工廠4.0應(yīng)用到現(xiàn)有工廠所要面臨的挑戰(zhàn)，電池生產(chǎn)商應(yīng)該將設(shè)備的改造投資控制在初始資本的10%以內(nèi)。高的改造投資會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間的停產(chǎn)，進(jìn)而提高改造的成本。相比之下，新建生產(chǎn)線可能更加經(jīng)濟(jì)。為了選擇并實(shí)施合適的技術(shù)，生產(chǎn)商應(yīng)該采取下列的措施：
評(píng)估包括數(shù)字化應(yīng)用程度在內(nèi)的工廠現(xiàn)狀并且確定生產(chǎn)鏈中成本最高的關(guān)鍵因素。
選擇可以解決成本問題的新數(shù)字化技術(shù)方案。
對(duì)已確定的方案進(jìn)行價(jià)值量化并排序：量化每個(gè)方案的潛在成本節(jié)省以及相關(guān)優(yōu)點(diǎn)。
建立技術(shù)方案示范點(diǎn)并制定詳細(xì)的實(shí)施路線。
規(guī)劃階段的工廠。對(duì)于處于規(guī)劃階段的工廠，生產(chǎn)商有更多的自由去全面打造未來(lái)工廠，下面的步驟有助于識(shí)別和獲得其價(jià)值：
價(jià)繪制值流程圖，對(duì)過程和成本自下而上進(jìn)行總結(jié)。
確保工廠計(jì)劃明確過程中所需的信息流以及采用高級(jí)分析所需的傳感器、機(jī)器控制和相關(guān)工具
工廠設(shè)計(jì)中應(yīng)詳細(xì)介紹工藝流程和物質(zhì)流以便為設(shè)備規(guī)范的指定和供應(yīng)商的選擇提供依據(jù)。
建立涵蓋工廠生產(chǎn)初始階段的詳細(xì)路線實(shí)施圖，并且向過程和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的團(tuán)隊(duì)提供所需的工程測(cè)量和數(shù)據(jù)流信息。
Automakers Should Seize a Landed-Cost Advantage汽車制造商應(yīng)該利用抵岸價(jià)格的優(yōu)勢(shì)
目前由內(nèi)燃機(jī)汽車的制造轉(zhuǎn)型為電動(dòng)車的制造是一個(gè)很難的過程。建立未來(lái)的電池工廠不僅可以促進(jìn)轉(zhuǎn)型，而且還有利于汽車制造商與專注于電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)和制造的初創(chuàng)企業(yè)進(jìn)行有效的競(jìng)爭(zhēng)。
如今，大部分電動(dòng)汽車制造商從已經(jīng)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)規(guī)模的生產(chǎn)廠家那里購(gòu)買標(biāo)準(zhǔn)化電池。然而使用標(biāo)準(zhǔn)化電池會(huì)限制制造商對(duì)電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。為了繼續(xù)保持競(jìng)爭(zhēng)力，汽車制造商需要針對(duì)不同車型規(guī)格定制不同的電池。例如可以通過增加電池壽命以及運(yùn)行范圍進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更好的車輛性能。
電池技術(shù)的進(jìn)步使得電池定制設(shè)計(jì)成為可能，同時(shí)未來(lái)工廠可以有效地降低定制電池的成本。事實(shí)上，我們預(yù)計(jì)2030年以后，電力動(dòng)力系統(tǒng)的專用化程度將超過現(xiàn)在內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)。
汽車制造商應(yīng)該打破傳統(tǒng)的供應(yīng)商關(guān)系，與應(yīng)用尖端技術(shù)領(lǐng)先的電池生廠商建立戰(zhàn)略合作關(guān)系，從而盡早從這些先進(jìn)技術(shù)中獲益。這種戰(zhàn)略伙伴關(guān)系可以幫助汽車制造商深入了解電池生產(chǎn)所面臨的挑戰(zhàn)，促使他們能夠參與開發(fā)新的技術(shù)解決方案。同時(shí)汽車制造商和電池生廠商之間的密切合作也將使得雙方能夠迅速調(diào)整生產(chǎn)工藝以適應(yīng)新的電池尺寸和化學(xué)成分，并將新的電池設(shè)計(jì)集成到車輛中。
從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，汽車制造商建立自己的電池工廠來(lái)為未來(lái)的電動(dòng)車生產(chǎn)定制電池可能會(huì)經(jīng)濟(jì)一些。作為行業(yè)的基準(zhǔn)，每年10千兆瓦的產(chǎn)量可能是實(shí)現(xiàn)成本競(jìng)爭(zhēng)力所需規(guī)模效應(yīng)的下限。這對(duì)應(yīng)于每年約150000輛電動(dòng)汽車。根據(jù)最新的公告，很多大型汽車制造商正在努力實(shí)現(xiàn)在2030年前汽車年銷售量不低于100萬(wàn)輛。在這樣的銷售水平上，電池內(nèi)部生產(chǎn)將會(huì)成為經(jīng)濟(jì)可行的。而且考慮到他們?cè)谂績(jī)?yōu)化生產(chǎn)上具有幾十年的經(jīng)驗(yàn)，從而使許多制造商也可以優(yōu)化電池的規(guī)模生產(chǎn)。
電池網(wǎng)微信
