车用动力电池

1746年,如果不是荷兰的马森布罗克教授不慎将一个带了电的钉子掉进玻璃瓶中,人类或许不会那么早开启电力的时代,第二次科技革命或许也会被延迟几十年。现在更不会出现能够挑战燃油车的电动汽车。

但是,从发明电池,到铅酸电池催生电动汽车出世,到锂电池大放光彩,再到用消费级电池“勉强”用于电动汽车,再到整车企业反向研究、生产车规级动力电池,真正达到车规级的动力电池,逐渐出现,但还未全行业普及。

中国目前是全球第一大动力电池生产国,但在以往的探索中,并没有起到多大的技术引领作用。回溯这近两百年的车用动力电池历史,也许会帮助理解,怎样的动力电池,才是真正合格的车用动力电池。

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电池出世

电池的起源还要从一只青蛙说起。

1780年的一天,意大利解剖学家伽尔瓦尼在实验室解剖青蛙。

当他的助手两手拿着金属器械同时碰触青蛙大腿时,其腿部肌肉会立刻抽搐一下。他认为,这种现象是因为动物躯体内部产生了一种电,将其称之为“生物电”,并发表了论文。

不过,这位解剖学家弄错了。与他同时代的意大利物理学家伏特(是的,电压单位伏特,就是为了纪念他。有的译为:伏打),经过多次实验确认,青蛙的肌肉之所以能产生电流,是肌肉中某种液体在起作用。1799年,伏特实验发现,两种金属片中,只要有一种与溶液发生了化学反应,金属片之间就能够产生电流。伏特制成了世界上第一个电池——“伏特电堆”。

伏特向拿破仑展示伏特电堆

自此,两个金属片+液体组成了电池最初形态,后来很多物理学家在这一模式下继续探索。但是,由于有液体,而且往往用的是硫酸,所以搬运很不方便,应用非常有限。

“干电池”在物理学家的努力下出现了。不过,如同现在很多“固态电池”,其实是半固态一样,这里的“干电池”,其实用的是糊状电解液。这里,法国的雷克兰士(GeorgeLeclanche)1860年发明的碳锌电池,堪称代表。干电池的子孙后代枝繁叶茂。即便到现在,干电池还有100多种,并且大量产出。最早发明的碳锌电池,依然是现代干电池中产量最大的电池。

干电池解决了方便搬运的问题,但是用完即废,无法重新利用。能不能有可以多次充电放电,反复使用的蓄电池?

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铅酸电池

助力电动汽车首次繁荣

其实,在干电池之前,蓄电池已经先面世了,只是并没有广为人知。

1859,法国物理学家加斯东·普兰特(GastonPlanté)发明了铅酸蓄电池。对于电动汽车从业人士来说,此处应该鼓掌,终于电池有机会用到汽车上了。

普兰特发明的铅酸电池原型

法国人普兰特的铅蓄电池,在使用一段时间,电压下降后,可以给它反向电流,使电池电压回升,从而实现反复使用的目的。

铅蓄电池的储能和反复充电的特性,让正在寻找新交通工具的另一拨科学家们注意到了。

早在18世纪第一次工业革命,蒸汽机的发明推动了机器的普及,交通领域的革新也随之展开,但是由于蒸汽车辆太过笨重,而且速度还很慢,经常在城内到处的乱撞,引起了各种事故的发生,没有大规模普及。

因此,马车仍然是人们出行的主要交通工具。欧洲地区和美国都有大量的马车租赁公司。

富人可以拥有私人马车,其他人只能租赁马车使用。人们亟需一种便宜、简洁、安全的出行工具,铅酸电池的发明,提供了这种可能。

1881年,法国科学家卡米尔·阿方斯·富尔(CamilleAlphonseFaure)改进了电池的设计,第一辆用铅酸电池为动力的三轮车诞生,车重为160kg,但时速仅为12km/h。

第一辆铅酸电池电动汽车

同年,另一个法国人古斯塔夫·特鲁维利用这种电池制造出世界上第一台能够正常运转的电动车。在搭载一位乘员的情况下,这台连人带车106kg的三轮车,能以15km/h的速度行驶16km。

不过这时的电动车还不能与马车竞争。一般来说,马车的时速在20km左右,最快时速可达60km,明显低于马车。

1884年,英国发明家和实业家英国发明家和实业家托马斯·帕克(ThomasParker)用他自己专门设计的高容量可充电电池,在伦敦制造了第一辆实用的电动汽车。

1884年生产的第一辆量产电动车

电池性能的提升,电动车的优势得以凸显。当时的电动车不仅比燃油车安静,而且其可靠性要远高于燃油汽车,并且更易于驾驶,并且价格低廉,是名流绅仕的首选。

随着道路的逐步扩建和完善,人们对于车辆的用途不仅仅是城市代步和显示身份了,对于长途旅游出行也有了需求,电动汽车续驶里程短的弊端显现,当时电动车续航里程普遍在40-65公里范围,最高时速约在30公里/小时,已经不能够满足消费者需求。

1899年,镍镉、镍铁电池被发明出来,由于当时这些碱性蓄电池的极板材料比其它蓄电池的村料贵得多,因此实际应用受到了极大的限制,不过,这也使得镍正极材料体系的电池开始进入人们视野。

这一阶段主要是电池在车辆上应用的探索阶段。能够应用在汽车上的只有铅酸电池,但是其体积大、质量大、能量密度小、功率密度低,如果使用铅酸电池驱动家用汽车行驶200km以上,需要将近1吨的电池,无法达到实用,加上早期电力传动系统的制造成本过高等问题,没有最终流行。

比电池汽车晚诞生的燃油汽车,则在欧美实业家的努力下,从车厂走向街头。1885年,戴姆勒和本茨几乎同时制成了汽油发动机,装在汽车上,以每小时12公里的速度行驶,获得成功。此外,意大利、俄国、美国的发明家也制造出内燃机汽车。1908年,福特开发出T型车,燃油汽车开始进入平民家庭。

汽车进入了内燃机时代。而电动汽车受制于电池,并没有明显的进步,在长达半个多世纪陷入停滞。

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石油危机,

各国加注电池研发

燃油车大发展了七八十年,几乎是顺风顺水,但是问题来了。

由于汽车普及,人们已经离不开石油。但是到了20世纪下半叶,全球连续发生了三次石油危机。

特别是1973年,第四次中东战争打响,石油输出国组织(OPEC)宣布石油禁运、暂停出口,油价上涨,导致第一次石油危机。美国、英国和日本等发达国家意识到,将能源命脉掌握在其他国家手里是件危险的事情,必须摆脱对石油的严重依赖。自此,很多国家开始投入大量资源研究电池技术。这使得电池技术的发展迎来发展的新契机。

另外,由于汽车广泛使用,汽车拥有量高,污染物扩散条件差的城市开始出现空气污染问题。现在苦恼中国的雾霾问题,在上世纪四十年就开始困扰美国加州人民。经过研究,确认汽车尾气是雾霾“元凶”之后,加州人民开始了持之不懈的抗霾斗争,主要途径,就是推动汽车减排,这也极大促进了车企探索汽车电动化,也就是把越来越多的电池,装到车上,用电力驱动。

此时,电池技术的进步,为汽车电动化也提供了基础。

(1)锂电池研发取得成果

2019年的诺贝尔化学奖,授予了三位对锂电池发明有巨大贡献的三位科学家。他们的研究,正是在人类努力摆脱化石燃料,开启清洁电力时代的最有力探索成果。

1976年,英国的科学家M.StanleyWhittingham提出了锂电池概念,并造出了可以充放电的锂电池,电压超过2V,但是安全性上还有很大问题,可以称得上是锂电池的奠基人。

四年后,美国的JohnB.Goodenough研究出了钴酸锂电池。这个电池的电压比斯坦利研究出来的锂电池高一倍(4V)。

1985年,日本吉野彰(AkiraYoshino)在Goodenough成果基础上,用更安全的锂离子替代了纯锂,发明了采用碳材料做负极的锂离子电池,从而让锂电池获得了更高的稳定性,确立了现代锂离子电池的基本框架。

这三位诺贝尔化学奖获得者的努力,推动了锂离子电池的诞生和应用,电池进展就此加快。

1997年,JohnB.Goodenough又开发出低成本的磷酸铁锂LiXFePO4正极材料,加快了锂离子电池的商业化。磷酸铁锂的优势在于安全,且充放电性能好、廉价、对环境无污染,具有优异的电池循环寿命、低自放电(库存存放寿命非常长),这使传统铅酸电池、镍氢、镍镉电池黯然失色。

诺贝尔化学奖获得者

(2)“前锂电时代”车企尝试不同电池装车

在锂电池商业化之前,车企试图将其他新发明应用的电池装载在汽车,作为驱动能源。

1990年,欧洲“城市电动车”协会成立,在欧共体组织内有60座城市参与,该协会帮助各城市进行电动汽车可行性的研究和安装必要的设备,并指导电动汽车的运营。欧洲的电动汽车中,标致106车型最为成功,其采用的是镍镉电池。当时欧洲各国的政府部门都在大量使用这款车。

从1995年底开始,欧洲第一批电动汽车批量生产,此后欧洲各国都在继续发展电动汽车,取得了不小的成果。

1996年,世界第一辆现代电动汽车通用EV1开始量产。早期的EV1使用铅酸电池组,续航仅为96公里。后期车型升级后,续航可以达到160公里。最后,EV1使用镍合金电池组,续航能够到达260公里。

通用EV1

虽然,通用在不断升级电池,但是续驶里程过短的EV1仍然找不到销路,最终只生产了2000多辆。通用汽车只好在2002年宣布放弃该项目。绝大部分EV汽车都被销毁,仅存的一些进了博物馆。比如史密森学会下属的国立美国历史博物馆,你才能看到EV1。

整体来看,EV1电池续航能力还是不足,有安全性的缺陷,当时的电池性能根本不能满足于乘用车的需求。

这一阶段,车企为了提高车辆的安全性和续驶里程,开始尝试各种各样的电池。镍氢电池具有稳定性高、生产成本低、低温性能好、回收价值高等优点。但是它的缺点也比较明显,能量密度较低,并且循环次数也并不太高,因此,纯电驱动的车辆采用镍氢电池并不合适。

电动汽车发展还需要能量密度更高、循环性能更好的电池。为什么不用锂电池?因为此时锂电池还没进入商业化阶段。

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锂离子电池

推动电动汽车二次繁荣

将锂离子电池商业化的,是日本人。吉野彰提出焦炭/LCO体系的锂离子电池之后。索尼将这一体系锂离子电池商业化,一开始重量能量密度仅为80Wh/kg左右,体积能量密度仅为200Wh/L(4.1V)。

但是,此后,锂离子电池的发展进入了快车道,各种材料体系:钴酸锂、磷酸铁锂、三元作为正极,软碳、硬碳乃至硅碳作为负极,以及各种锂离子的变种层出不穷,性能不断攀升。业界一度以为,电池性能会像摩尔定理——每18个月翻一番——的速度提升。虽然“摩尔定理”在电池上并未发生,不过其进度和前景,让人们难以不敢轻视其想象空间。

锂离子电池以容量大,电压高,循环性能好等优越性能在众电池中脱颖而出,成为最理想最有前途的电池。锂离子电池显然比铅酸、镍氢更适合作为车辆动力。

总体而言,商业化以后的锂离子电池能量密度、循环寿命、充电倍率和安全性都空前地高,虽然比汽油能量密度还相差甚远,但在使用零排放、技术进步前景、规模化应用成本下降的背景下,逐渐被汽车厂接受。

(1)锂离子电池上车

1992年,日产开始研发电动汽车。日产与其他汽车企业不同的是,在研究电动汽车的同时,也在研究电池。根据日产的解释,当时市面上根本没有符合他们需求的电池,为了满足自己的需求及降低成本,研发电池势在必行。

这或许是历史上第一次专门为车辆研发动力电池。

1997年日产制造出汽车世界上第一辆使用圆柱锂离子电池的电动车PrairieJoyEV。这款车最高时速120公里/小时,每次充电行驶里程超过200公里——可以说,已经是像模像样的汽车了。

世界上第一辆使用锂离子电池的电动车PrairieJoyEV

自此,锂离子电池汽车正式登上舞台。

或许是看到了动力电池的发展前景。2000年,材料界著名企业LG化学,也在密西根研发基地开始研发动力电池。2009年,LG化学也开始与现代起亚研发第一款动力电池。

此外,全球还有很多知名、不知名公司在研究电池,并试图作为车用动力电池,包括中国的比亚迪。

比亚迪有多年电子产品和电池的研发生产经验。创始人王传福2003年收购秦川汽车,虽然一开始造的是燃油车,但心念所系,就是要做电动汽车。在电池性能有限的条件下,比亚迪的商业化路线是先做双模汽车。也在2003年,比亚迪开始立项研发双模电动汽车,并在2008年推出了F3DM双模电动汽车。双模电动汽车是燃油和电驱并行的两套系统驱动,还不是纯电动汽车。

(2)特斯拉大胆抢得头筹

各路英雄戮力研发,但都不太敢将电池用于纯电动汽车上,进行商业化。第一个吃螃蟹的,是如今天下皆知的特斯拉。

这家2003年创立的公司,以伟大的电气工程师尼古拉·特斯拉为名,就是以开发电动汽车为目标。

特斯拉的创始人之一马丁·艾伯哈德,是一个跑车爱好车,同时对于美国石油对中东的进口依赖以及对于全球气候变暖有着深刻的担忧。这最终促使他与马克·塔彭宁(MarcTarpenning)共同创立特斯拉。

两位创始人对电池并没有自研和生产的能力,唯一的选择就是去市场上选取合适的电池。经过神农尝百草般的试用,他们选中了已经长期标准化生产,一致性最好、能量密度较高、成本较低的18650圆柱型电池。

2008年,特斯拉Roadster跑车面世。这应该是锂电池首次进入商用纯电动汽车。

特斯拉Roadster跑车

不过,18650电池是电子产品常用电池,其散热和安全,并不是为汽车产品设计的。为此,特斯拉运用了号称世界上最顶级的电池管理系统,来保证电池的稳定性。但是,6831节18650电池组成的电池系统,在传统汽车行业看来,是一个业余,至少是妥协的选择。

(3)车用锂电池厂出现

其他企业没抢到头筹,但也是紧锣密鼓,而且从出身和研究方向,都更像正规军。

2009年1月7日,成立7年的A123宣布,计划在美国密歇根州东南部建电池厂,并称这将是“第一个车用锂电池工厂”。

A123,成立于2001年,一开始并不是一家车用电池的生产企业。但它戴着MIT研究人员的光环。该企业的产业化始于电动工具用电池。刚创立时,只有美国能源部的科技专案经费10万美元。经过几年的发展,公司不断发展壮大,发展路线也日渐清晰,他们开始主攻动力电池市场,车用动力电池市场是其重中之重。

就在A123宣布成立车用锂电池厂的同时,日产与NEC也在组建合资公司AESC。AESC主要从事锂电池单元、模块及锂电池组的生产,产品供应日产的电动车和混合动力车,当时的目的也是取代镍氢电池在电动汽车中的应用。2010年底,日产第一款纯电动汽车聆风(Leaf)上市。相比小批量的特斯拉Roadster,聆风真正意义上实现了电动汽车量产销售。

A123和AESC应该是最早为电动汽车专门研发电池的企业。

A123的独到之处是,其有办法将锂离子电池的磷酸锂铁正极材料,制造成均匀的纳米级超小颗粒,因颗粒和总表面面积剧增而大幅提电池的高放电功率,而且,整体稳定度和循环寿命皆未受影响。

A123凭借其独到的技术迅速发展壮大,还获得美国能源部高达1500万美元的新一代HybridElectricVehicle(HEV)电池发展合约,这更代表其已经得到国家和国际汽车大厂的重视与信任,成为清洁能源汽车产业的标杆性企业。当然,A123也与美国通用、菲斯克、德国宝马等主流车企建立了供应关系。

即使专业如A123,还是发生了大规模的召回事件。2012年,由于安装于菲斯克卡玛电动车上的动力电池在制作上存在缺陷,导致这些电池组提前失效,性能下降、寿命缩短。A123不得不对电池进行召回。2012年7月,这家掌握着磷酸铁锂电池的核心技术的企业,在累计亏损约7亿美元的背景下申请破产,最后被万向集团收购。

菲斯克卡玛电动汽车

另一边,AESC发展要顺利得多。AESC生产的锂离子动力电池主要搭载在日产聆风以及部分混动车型上。2014年全球动力电池供应商排名中,AESC仅次于特斯拉御用电池企业松下,位于榜单第二位。

AESC一开始选择锰酸锂动力电池路线,产品以安全性著称于世,在能量密度上却并不突出。虽然AESC后来不断提升能量密度,但由于其供应品牌相对单一,导致其规模上不去,成本下不来。AESC最终也被日产转出部分股权,被中国的远景集团收购,但AESC还在向日产供货,也尝试抓住中国市场的机会。

A123和AESC两家“正规军”,在能量密度、充放电倍率上表现不错,但在生产使用环节,一个败于安全,一个胜于安全。

AESC装载的聆风电动汽车,全球起火案例屈指可数,和特斯拉已经数十起起火案例相比,安全性要高过一个量级。AESC的产品,在安全性上,无疑已经接近汽车级产品的要求。业界还在担心的是,AESC产品的能量密度还不够,一开始衰减也比较厉害。

在此基础上,电动汽车和电池行业,吹响了车用动力电池研发生产的号角。因为,全球电动化形势,已经大为不同。

特斯拉在Roadster之后,渡过美国金融危机,迎来ModelS的巨大成功,后续ModelX、Model3更是将其推上全球电动汽车标杆之位。电动汽车风潮刮起。另外,全球各国政府日益重视环境问题,而内燃机汽车又曝出多桩排放造假丑闻,传统车企面临巨大压力。中国在发展电动汽车上投入重注,气势汹汹,令传统汽车大国心惊……

诸多因素叠加,电动汽车潮流席卷全球,而电动汽车的核心竞争力,系于电池。越来越多的车企、电池企业,开始研发动力电池,希望抓住电动汽车的牛鼻子。

5

向“车规级”动力电池进发

新一轮动力电池的争夺,不再是特斯拉“有什么就用什么”逻辑,而是沿着A123和AESC引导的方向,以汽车的需求出发,定义车用动力电池,要求电池企业配合实现。

在决定发力新能源汽车后,大众、宝马、戴姆勒、现代等企业不约而同向上游布局动力电池,重金投入研发不说,还参与电池生产。他们很多都建立了电池研发中心,有的设立独资或合资企业生产电池。他们起手的标准,自然而然地,就是引用车规级零部件的要求,做车规级动力电池。

中国将新能源汽车作为战略新兴产业,投入巨大资源。中国的动力电池企业也较早实现装车并商用化,也开始了车规级动力电池的探索。

其中代表的企业是比亚迪和宁德时代。比亚迪在F3DM之后,也在2011年开始推出纯电动车型,并且从电动大巴、电动出租车切入,逐渐扩展到私人电动汽车产品。比亚迪既产汽车,又产电池,在应用层面走在前列。比亚迪长期是全球第一大电动汽车生产商,如今虽然被特斯拉超越,但仍然是领先企业之一,在动力电池上,也一直按照汽车需求在改进提升。

比亚迪F3DM

比亚迪造车历史不算长,尚不能代表汽车企业的标准,但是,近期,丰田、奥迪这样的传统汽车豪强,都表示要和比亚迪合作,采用比亚迪的动力电池。这表明,比亚迪的动力电池,已经接近汽车世界级标准。

另一家企业,宁德时代成立于2011年,其前身是消费电池巨头ATL。宁德时代第一个动力电池业务就是与华晨宝马合作。宝马集团曾向宁德时代提供了800多页纸的动力电池生产标准。为帮助宁德时代生产出符合华晨宝马要求的动力电池,宝马集团高级工程师在宁德一待就是两年多。最终,宁德时代的动力电池装载到了宝马多款电动、插电式混动上,目前已经是宝马第一大动力电池供应商。

由于宝马的“认证”效应,其他车企认为,宁德时代的产品应当是符合车用动力电池标准的,因此纷纷采购。2018年,宁德时代成为全球第一大动力电池供应商。

到2018年,中国动力电池累计产量70.6GWh,占全球一半左右。我们推算,全球累计装载到汽车上的动力电池,已经近400GWh。

但是,对于汽车用动力电池,是否我们已经充分掌握了?电池用在汽车上,是不是已经没有问题了呢?

谨慎地说,并不是。

比如安全性隐忧。特斯拉电动汽车风靡全球,但其起火事件不少。尽管马斯克历次举证,起火概率并不比燃油车高,但仍然难解外界质疑。一个有力的质疑是,燃油车的起火,往往源于车主滥用。而电动汽车起火,可能车主、车企都不知道是什么原因。在多起起火事件之后,特斯拉还调低了动力电池可用区间,显示其对动力电池的耐久性并无信心。

比如能量密度和成本还有待进步。虽然现在一辆主流电动汽车续航里程已经超越400公里,比其前辈提升了很多,但和燃油车还有距离。另外,因为电池贵,一辆电动汽车,要比燃油汽车要贵不少。

比如全生命周期的一致性还需要提升,在使用两三年之后,很多电动汽车续航里程大打折扣,但燃油车并无此问题……

问题涉及各个方面,总而言之,是动力电池,能否达到像其他车用核心零部件一样的标准?也就是说,动力电池是不是达到了“车规级”?

(1)“车规级”概念引入动力电池

车企、动力电池都在潜心研发车规级动力电池。不过,一个新玩家,把“车规级”概念,带到了全行业和消费者的面前。

2019年11月27日,蜂巢能源常州动力电池工厂投产。他们提出了“车规级”电池厂概念。

蜂巢能源脱胎于2012年成立的长城汽车动力电池项目组。它天生带着汽车厂的视角,去寻求合格的动力电池。

2016年,该项目组升级为动力事业部;2018年2月,又成为蜂巢能源公司,从长城汽车独立,走向研发生产动力电池之路。其初心,就是要提供符合汽车要求的动力电池,也就是车规级动力电池。

(2)车规级动力电池生产要求初步探索

什么是车规级动力电池?

虽然,现在有不少动力电池检测实验室、商业认证机构,但是在电动汽车应用方兴未艾之际,车规级动力电池的要求和知识,还没有得到行业性的总结和推行,而是散落在较早开始探索的车企、电池企业内部。

蜂巢能源目前提供的,是他们对车规级动力电池生产环节的思考。他们先从更严格的生产要求开始,提高产品质量。

动力电池要达到车规级生产,应当比照其他零部件的车规级生产要求。或许一组数据,可以展现出车规级零部件制程的要求有多高。

现代企业用CPK指标来衡量制程能力,制程能力越强生产出的产品质量、可靠性越高。通常情况下,CPK达到1.33以上的产品才可以进行量产,即良品率可达99.9937%。

传统汽车要求核心零部件企业的CPK值为1.67,即良品率达99.99994%。业界较为认可的动力电池生产商——三星SDI、LG化学、松下,CPK值则以1.67为基础,甚至可达2.0,意味着100万只电池里面几乎没有次品,电池性能几乎完全一致。

因此,要达到车规级动力电池的生产要求,工厂必须从一开始就高标准来建设和管理。蜂巢按汽车企业的6sigma目标建立标准工厂,在核心工序的CPK目标上,提出1.67-2.0,和日韩企业对标的要求,缺陷不良率目标在3.4ppm以下。传统电池企业,一般按4sigma标准建立,核心CPK目标是1.0-1.33,缺陷不良率目标是6210ppm。

以达到车规级产品倒推,蜂巢能源制定了全新的电池制程规范和工艺标准。比如,厂房洁净度是一万级,比传统电池厂房10万级要洁净10倍;湿度控制方面,从投料到电芯封口,全程湿度小于1%。而传统电池厂房,电池注液前湿度控制在1-2%,到电芯注液、组装环节湿度要求只有10-30%。

这主要是因为,锂是一种化学性能活泼的金属。如果在反应中有其他杂质,势必会打破反应平衡,轻微点的会造成电池内阻大,自放电高等问题;严重的会造成在杂质表面积累晶体,最终刺穿电池隔膜造成正负极的内短路。

如果锂电池生产环境的湿度大了,电池的湿度就会大,充电后水份会分解,电池内压就大。同时在注电解液的过程中,电解液中的LiPF6,遇到水分时会产生氟化氢(HF)形成气体,造成鼓壳、影响厚度、SEI膜形成不完整等问题。因此锂电池生产要在几近绝对干燥的湿度环境,就是为了保证锂电池的生产质量。传统电池生产企业对湿度的要求就要低很多。

可见,对厂房洁净度和湿度要求是保障质量的最基本、最关键的要素之一。

蜂巢能源还通过导入AI智能技术,在环境控制、毛刺控制、异物检出、制程管理、设备自动化等多个维度标准的提升,达到车辆使用的安全要求。

以制程追溯系统为例,传统消费类电池的生产仅在部分工序使用AI技术,采用MES系统管控,管控因子一般在1500个左右;而蜂巢能源全面应用AI智能技术,形成了更加完备的制程追溯系统,通过人、机、料、法、环、测、时间等7维制程管控,实现过程超过2500个因子的监控,来保证产品的精准管控。

在智能化方面,蜂巢能源采用世界先进的电池自动化生产设备,自动化率达95%。其中,组装车间配置的3条生产线体全部采用“工业4.0”的设计理念,自动化率高达100%,可以满足多种型号的电芯产品均衡化生产;化成车间整线自动化率也高达99%,模组工厂自动化率也达到了91.6%,领先于绝大部分电池工厂。

蜂巢的智能化将分为三阶段实现,第一阶段为单机智能,以不良率检测为例,通过AI的学习和积累,可以使误判率降低50%;第二阶段,将建立专家系统,将工厂的整个数据库进行串联,做到系统的自动调整和自动决策;第三阶段,将专家系统的判断回馈到系统,然后对设备上集中优化和调整,将这些数据积累成一个模型,放到云端,对全厂进行控制优化控制。

机器视觉做产品检测

车规级工厂出来的产品,良品率高、一致性强,在成组装车之后,电芯差异不会太大,电池系统乃至电动汽车的性能,特别是安全性,都能有更高的保证。

蜂巢能源副总经理饶忠儒还介绍,对全厂进行智能化不仅可以降低产品的失效风险,还可以低成本复制工厂。“在没有AI智能的时候,我们要到一个地方建厂,先要看那边没有电池领域的专业人才。现在,通过AI系统,基本上就可以完全的复制一个新工厂。”

此外,工厂良品率高了以后,无需或者很少需要对电池进行分选再成组,极大提升效率,降低成本。而不是像很多动力电池厂商,产品要分成A品B品,乃至更低级别的成品,只能分别作为动力电池、储能电池和消费电池来销售。

可以看到,蜂巢的动力电池工厂,如果能按目标建成投产,产品良品率、一致性乃至规模效应,都将比非车规级大为提升,更贴近车用动力电池的需求。

(3)全面定义车规级还需行业努力

当然,车规级动力电池的生产标准,应该从需求端对照过来,而这一方面,行业还在共同探索。

目前,中国汽车动力电池产业创新联盟也在倡导车规级动力电池的研究和推广。该联盟的王子冬,阐释了车规级动力电池要求的总体方向:

所谓车规级动力电池,是与车辆属性及使用场景密切相关的,围绕整车对安全性,可靠性,一致性等方面的要求设计制造的,并通过专项测试的,涵盖但不限于满足车规级原材料,车规级制造控制,车规级系统化设计,车规级测试规范等一些列标准的锂离子动力电池。

由此,除了蜂巢能源已经倡导的车规级制造控制方面,还需要在整车应用需求充分挖掘的基础上,在原材料、系统化设计、测试规范方面,由蜂巢能源和全行业,继续探索、总结和推广。

如果以1799年伏特电堆算起,电池已经有220年历史,用于汽车上,也已130多年。作为人类历史上目前最好的储能工具,它如果能在汽车上证明可用、经济、安全,人类交通从传统能源转向清洁电力,就将相当乐观。车规级动力电池关口在前,全行业需努力向前。(完)

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