圖1.在面對不確定的市場壓力時，數字化是電池行業持續增長的關鍵。來源：西門子
在過去幾年里，全球的電池行業呈現出迅猛的發展態勢。這一增長不僅得益于電動汽車市場的強勁需求，同時也關乎政府激勵電池產業技術創新而實施的種種利好政策和舉措。在快速更迭的市場環境下，整個電池價值鏈面臨著全新挑戰。目前，電池產能已經超過了全球電動汽車的市場需求，電池儲能系統（Battery Energy Storage System, BESS）的產能也在急劇上漲，預計到2030年其規模將增長5倍之多。
面對快速演進的市場格局，企業必須積極創新，推動新電池技術的商業化落地。與此同時，在電芯價格走低以及全球電動汽車需求波動不定的形勢下，還要確保盈利水平。專注于數字化轉型對于實現可持續增長至關重要，其不僅能夠助力企業提前識別風險，還可以通過從設計到制造的仿真技術以及強大的數字連接，加快產品的入市速度。
數據驅動制造
暫時的產能過剩使得制造成本在短期內成為成功的關鍵驅動因素——可占電芯總成本的四分之一，而高廢品率是這其中的主要問題。對于初次進行大規模生產的企業而言，廢品率可能高達40%甚至更高；而穩定的大規模制造商的廢品率也達到了10%-15%。將廢品率降低幾個百分點，就意味著大規模電池制造商可以節省數十億甚至百億人民幣成本。
在不斷變化的電池市場中，企業需要采用以數據驅動的制造模式，以便收集和關聯機器與工廠的數據，并提取電池行業專屬的智能洞察，識別并解決影響廢品率和制造質量的問題。仿真技術為制造環節之間的相互協作提供指引。IT/OT融合為生產過程提供執行層面的深刻洞察，同時支持跨車間的數據收集和關聯。當與針對電池的特定數據分析以及AI/ML相結合時，可以在電池生產和老化之前快速識別有缺陷的電芯。這種快速解決問題的方式不僅有助于降低機會成本，還能優化更廣泛的制造流程。通過關聯不同問題并加以解決，制造過程中的問題得以有效處理。
大規模電池制造企業可以從試點階段開始采用這一方法，以驗證并優化生產流程。這將顯著縮短生產規?；臅r間，并降低資本投資的風險。
圖2.理解車間情況并不需要總是實地去到車間。數字化技術能夠幫助工程師遠程發現問題。來源：Getty Images
電池技術的新進展
鈉離子化學技術和固態電池架構這樣的新技術亦能重塑電池行業。鈉離子電池化學技術的快速發展已經使該技術在中國進入早期商業化階段，適合續航里程短的小型城市車輛。汽車制造商如豐田、本田，以及如Quantumscape這樣的固態電池生產商也宣布了令人矚目的技術進展與規模化生產計劃。此外，新的電芯直接集成到電池包設計(Cell-to-Pack)和電芯直接集成到底盤(Cell-to-Chassis)技術將成為提升電池能量密度的關鍵。通過全面的仿真和AI模型構建的數字孿生技術，可以幫助企業評估眾多此類概念并加速創新進程。
技術創新同樣需要新的制造工藝，例如干電極制造技術。為了確保這些制造工藝的高質量和成本效益，新的機器和生產流程必不可少。這需要材料開發商、設備制造商和制造專家之間展開緊密協作。機器的數字孿生技術以及隨后的虛擬調試，可以加速自動化控制的開發和驗證并與這些新機器的數字孿生進行對比。此外，生產工廠的數字孿生技術能夠讓企業測試、優化和驗證各種機器的功能并最大化提高生產效率。
電池儲能系統的崛起
全球對電池儲能的需求正在快速增長，這種增長源于全球范圍內推動電網脫碳的可持續發展倡議。在未來幾年，耗電量巨大的AI訓練和數據中心也可能成為電池儲能需求快速增長的驅動力。
圖3-現場電池儲能將在全球企業的脫碳戰略中發揮重要作用。來源：西門子
然而，BESS與電動汽車電池有顯著不同，帶來了一系列獨特的挑戰。例如，一個1吉瓦時的BESS可能包含700萬到900萬個零部件，其中電芯數量達100萬到150萬個。這對供應商協作、物料清單(BOM)管理、庫存管理和維護服務帶來巨大的挑戰。此外，BESS預期的使用壽命通常為20至25年。
這就要求電池設計與制造、熱管理策略以及電池管理系統的穩定性方面遵循嚴格的質量要求。企業需要關注這些系統的模塊化設計，以實現可擴展性。采用數字化解決方案進行工程設計、制造和售后服務的企業將在滿足日益增長的需求的同時，確保BESS的安全性和可靠性。
契合電池護照考核標準
歐盟監管機構規定，到2027年2月，任何用于工業或電動汽車應用且容量超過2kWh的電池必須配備數字電池護照。中國也在穩步推進電池護照的體系建設。2024年4月，中國電池工業協會聯合寧德時代等單位共同發布了《中國電池數字護照體系白皮書》。
電池護照的要求為電池價值鏈的各個環節，從原材料到成品，引入全新的報告標準。標準化對于滿足電池護照的數據要求以及追蹤電池在檢查、維護或轉移給其他方時的歷史記錄至關重要。要高效地實現這一切，并確保知識產權不受威脅，需要一個強大且安全的數字化平臺以及可靠的合作伙伴。
過去十年間，電池行業的發展為市場帶來了機遇與創新，但要實現持續增長，企業需要變革其工程設計和制造方式。隨著電池儲能系統的新需求激增、電動汽車需求的不斷攀升、電池價格的快速下降以及新電池技術的不斷突破，取得成功的關鍵在于通過全面的數字孿生技術、IT/OT融合、數據分析以及生成式AI實現可持續的運營，投資研發創新的電芯化學技術和更新的電池架構，尋求多元化的應用。
（作者Puneet Sinha系西門子數字化工業軟件高級總監兼電池行業全球負責人）
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