韓有軍，胡躍明，王亞青，賈 剛，葛承杰，張春杰，黃學杰,3

（1.華南理工大學 自動化科學與工程學院，廣州 510640；2.廣州中國科學院 工業(yè)技術研究院，廣州 511458；3.中國科學院 物理研究所，北京 100190）

當今，以純電動或混合動力為驅動的新能源汽車已成為傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)轉型升級的主要方向，得益于電池系統(tǒng)的低能耗和低排放等特點，新能源汽車有望在未來超越或替代燃油汽車[1]。鋰離子電池作為鎳氫和鉛酸電池的升級產(chǎn)品，具備高能量密度、高倍率、高安全性等特點，已成為當下技術研究和產(chǎn)業(yè)化的重點[2]。鋰離子電池的高性能是決定新能源汽車產(chǎn)業(yè)未來健康發(fā)展的重要因素[3]。在過去的20年里，包括中國在內(nèi)的世界各國，在電池各項技術方面取得了突飛猛進的發(fā)展[4]。吳怡芳等[5]提到正極材料由鈷酸鋰體系發(fā)展到磷酸鐵鋰和三元體系，再到當前研究的熱點高鎳和富錳體系。周軍華等[6]提到負極材料由石墨體系到硅碳體系，再到當前研究的熱點合金負極材料體系。王玲玲等[7]提出的電池制造工藝，包括合漿、涂敷、輥壓、切片、焊接和注液化成等工藝的改進對電池性能的影響。

隨著多項技術的快速發(fā)展，鋰離子電池產(chǎn)品的定性存在不確定性，多種技術的匹配和鋰離子電池性能之間的關系仍未得到充分理解，參數(shù)的選擇和匹配仍以人為認知經(jīng)驗進行調(diào)整[8]，導致未能形成鋰離子電池的定型生產(chǎn)模式。因此，有必要發(fā)展鋰離子電池智能制造系統(tǒng)，揭示鋰離子電池生產(chǎn)過程中多因素交互關系對鋰離子電池性能的影響[9]。

為此，提出了一種鋰離子電池生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集方法，實現(xiàn)電池正負極材料、中間品、電解液配比、設備制造工藝參數(shù)的實時采集，并結合數(shù)據(jù)存儲結構設計，以鋰離子電池最優(yōu)性能為目標，篩選出電池正負極材料、制造工藝參數(shù)、電解液配方等之間的最佳匹配關系，縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期，為電池企業(yè)的產(chǎn)品規(guī)模生產(chǎn)提供產(chǎn)品定型前的技術支持。

1 鋰離子單體電池制造特性

鋰離子單體電池制造包括電極制造和單體電池（電芯）制造[10]。整個制造過程包括材料的投入、中間產(chǎn)品的產(chǎn)出、制造工藝參數(shù)的選擇等工藝步驟，最終輸出鋰離子電池產(chǎn)品。各個工序之間的多種相互關系對產(chǎn)品的性能有著重要的影響。鋰離子電池制備流程與特性如圖1所示。

圖1 鋰離子電池制備流程與特性

鋰離子電池制造的連續(xù)和離散相結合的特性，以及部分材料由于是粉末或漿料狀態(tài)使采集和跟蹤整個生產(chǎn)過程的材料信息、制造工藝信息、中間產(chǎn)品信息變得困難[11]。

隨著數(shù)字化和信息化水平的提高，尤其是物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術在生產(chǎn)線上的應用，可以在生產(chǎn)線上獲取更多的數(shù)據(jù)。王帥等[12]討論了基于OPC技術實現(xiàn)設備的互聯(lián)互通。黃剛等[13]提出了離散制造行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術在車間級的應用方法。陳甦欣等[14]針對電池生產(chǎn)工藝，提出一種以監(jiān)視控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相結合的架構，解決了車間信息孤島問題。綜上所述，鋰離子電池制造領域在智能信息技術的應用研究方面仍存在空白。因此，在鋰離子電池制造過程中需要利用物聯(lián)網(wǎng)技術對過程中的材料進行編碼和標識，結合數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析，評估制造過程中大量數(shù)據(jù)之間的關系及對鋰離子電池產(chǎn)品性能的影響。

2 制造數(shù)據(jù)采集方法研究

鋰離子電池制造過程會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，根據(jù)上文鋰離子電池制造特性分析（圖1），電池材料投入制造過程，經(jīng)過n個生產(chǎn)加工過程后，輸出最終的鋰離子電池產(chǎn)品。材料、制造參數(shù)、中間產(chǎn)品與最終產(chǎn)品的關系如圖2所示。

圖2 材料、制造參數(shù)、中間產(chǎn)品與最終產(chǎn)品的關系

數(shù)據(jù)采集的信息模型描述如下：

式中：DTprod為最終產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型；DTmateriel為電池材料數(shù)據(jù)模型；DTprocess 為制造過程數(shù)據(jù)模型；DTMiddle為中間產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型。

在整個電池制造過程中，材料、中間產(chǎn)出物和最終產(chǎn)品屬于鋰離子電池制造過程材料形態(tài)的轉變過程。因此，鋰離子電池制造數(shù)據(jù)采集主要包括兩大部分：制造設備的工藝數(shù)據(jù)和材料流轉過程的數(shù)據(jù)。

2.1 制造設備工藝參數(shù)采集方法

如前所述，不同的制造工藝參數(shù)導致鋰離子電池產(chǎn)品性能的不同，當前設備工藝參數(shù)的設定仍以人為認知的方式設定，主要原因之一是鋰離子電池生產(chǎn)制造過程存在控制系統(tǒng)異構[15]，導致數(shù)據(jù)信息難以互聯(lián)互通，存在“信息孤島”問題。因此，有必要采用統(tǒng)一的標準協(xié)議實現(xiàn)鋰離子電池制造設備的信息采集。

OPC統(tǒng)一架構（OPC UA）是OPC基金會發(fā)布的實時數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，它定義了一套通用的數(shù)據(jù)描述和語法表達方法，每種異構的控制系統(tǒng)都可采用OPC UA的信息模型描述自身信息，通過OPC信息建模，可被第三方系統(tǒng)獲取異構控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)[16]。針對鋰離子電池制造設備的多協(xié)議接入，通過數(shù)據(jù)配置和映射建立與設備數(shù)據(jù)信息地址的對應關系，利用OPC UA轉化層，將采集的數(shù)據(jù)實時上傳至智能系統(tǒng)的OPC UA客戶端。OPC服務器/客戶端的通信方式如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集三層架構

現(xiàn)場設備層：主要包括鋰離子電池制造用自動化設備，涉及的通訊協(xié)議有Modbus RTU、Modbus TCP、三菱MC和CC-Link、西門子Profinet等，以上設備控制系統(tǒng)均設置為從站。

OPC Sever：在OPC服務器中構建與現(xiàn)場設備的空間節(jié)點，建立與設備的通信通道，并將設備層多種異構的通信協(xié)議接入到OPC服務器中。

OPC Client：客戶端部署在上層管理系統(tǒng)中，負責偵聽端口和讀取OPC UA服務器中的模型節(jié)點與地址空間。

本系統(tǒng)利用OPC UA SDK軟件開發(fā)工具包二次開發(fā)生成的組態(tài)軟件進行數(shù)據(jù)的采集與傳輸。制造設備工藝數(shù)據(jù)采集方法如圖4所示。

圖4 制造設備工藝數(shù)據(jù)采集方法

2.2 材料流轉過程數(shù)據(jù)采集方法

由于材料的形態(tài)和特征不同，部分材料如正負極材料、正負極漿料、正負電極和電解液等，無法直接在材料本身進行標識和采集。因此，可根據(jù)各個工序的流程特點，確定材料流通過程的載體，以RFID標簽和二維碼相結合的方式進行標識[17]，見表1。通過上層智能系統(tǒng)，將材料過程數(shù)據(jù)寫入到數(shù)據(jù)庫并綁定標簽號，形成載體標簽號與載體內(nèi)材料的一對多或一對一的關聯(lián)關系，見表1。

表1 材料與載體的對應關系

RFID讀寫器采集到的標簽信息可作為材料的原始數(shù)據(jù)，DTmateriel=，其中Tag代表材料的RFID編號及系統(tǒng)綁定的材料工藝和質量數(shù)據(jù)；Read代表讀取標簽的閱讀器所在的編號和工位；Time代表讀取該材料標簽的時間。當材料進入工序加工時，該工序的讀寫器會多次讀取信息，需要對讀取的信息進行初步處理，可對讀寫器讀到的多個記錄進行合并，只保留標簽在該工序的開始和結束時間，從而完成了中間產(chǎn)品的產(chǎn)出，即DT Middle≤Tag、Read、Time、Time，＞，其中，Time和Time，代表材料進入和離開該工序的時間。經(jīng)過多個工序的加工形成最終產(chǎn)品，即DTprod Final≤Tag（1，…，n）（Read1、Time1），（Read2，Time2），（Read3、Time3），…，（Readn、Timen）＞，即為中間產(chǎn)品的集合。材料與中間產(chǎn)品、中間產(chǎn)品與最終產(chǎn)品的關聯(lián)關系如圖5所示。

圖5 RFID數(shù)據(jù)采集模型

材料數(shù)據(jù)采集過程如圖6所示。通常二維碼讀頭配有RS232/RS485串口和兼容主流儀表Modbus RTU標準協(xié)議，即Modbus TCP/RTU協(xié)議均可接入OPC服務器/客戶端架構，實現(xiàn)材料信息的實時采集。

圖6 材料數(shù)據(jù)采集過程

3 數(shù)據(jù)結構與數(shù)據(jù)庫建模方法

數(shù)據(jù)結構關系與數(shù)據(jù)庫建?？蔀殇囯x子電池制造過程的大數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)關聯(lián)檢索和數(shù)據(jù)維護等功能。采用面向結構的IDEF1x建模方法，對鋰離子電池制造過程的數(shù)據(jù)進行存儲建模。IDEF1x支持數(shù)據(jù)建模，描述系統(tǒng)數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在關聯(lián)關系，經(jīng)常用于數(shù)據(jù)庫設計[18]。將材料信息、制造工藝信息、電解液配方單獨封裝成一個實體，各實體以唯一編碼作為主鍵。中間產(chǎn)品質量和電芯質量實體分別與材料、制造工藝、電解液配方實體形成數(shù)據(jù)庫子父關系，表示數(shù)據(jù)庫表單之間的對應關系。產(chǎn)品下線后，可通過實體唯一編號追溯該產(chǎn)品的信息。數(shù)據(jù)庫結構建模如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)庫結構建模

4 智能系統(tǒng)實現(xiàn)與結果

智能系統(tǒng)采用的是基于客戶端/服務器的C/S架構和基于瀏覽器/服務器的B/S架構相結合的方式，制造實時數(shù)據(jù)采集采用C/S架構，部署在B/S架構的智能系統(tǒng)內(nèi)。數(shù)據(jù)采集采用C語言編寫，智能系統(tǒng)采用C#作為開發(fā)語言，Microsoft SQL Server 2008作為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，Visual Studio 2010作為開發(fā)工具，以此來設計和開發(fā)鋰離子電池生產(chǎn)制造智能系統(tǒng)。該系統(tǒng)部署在中國科學院某研究所的軟包電池試制線中，以單體電池（電芯）的最優(yōu)性能為目標，反向追溯該產(chǎn)品所使用的材料信息、制造工藝信息和電解液配方信息，形成多批次多產(chǎn)品的綜合對比，快速收斂它們之間的最佳匹配關系。設備制造數(shù)據(jù)采集實時監(jiān)控和追溯統(tǒng)計界面如圖8所示。

圖8 設備制造數(shù)據(jù)采集實時監(jiān)控和追溯統(tǒng)計界面

單體電池性能的評判標準由系統(tǒng)用戶根據(jù)首周充放電容量、第2周充放電容量和第100周充放電容量綜合獲取電池性能分數(shù)（0~100分）。系統(tǒng)以材料變量A（具體參數(shù)A1、A2、A3），制造工藝過程數(shù)據(jù)B（具體參數(shù)B1、B2、B3），電解液配方數(shù)據(jù)C（具體配方C1、C2、C3）為例，通過智能系統(tǒng)的追溯查詢模塊，根據(jù)電池批號查詢或掃碼等方式，形成多電池過程參數(shù)（材料、制造工藝、電解液配方）的BOM信息。產(chǎn)品性能與過程因素的關系如圖9所示。

圖9 產(chǎn)品性能與過程因素的關系

通過電池性能結果的排序，可篩選出鋰離子電池最優(yōu)性能所使用的過程參數(shù)為：材料變量A2、制造工藝變量B1和電解液變量C2的最優(yōu)匹配關系，從而為科研人員提供產(chǎn)品研發(fā)與試制的條件，縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期。

5 結束語

隨著鋰離子電池各項技術的快速發(fā)展，鋰離子電池產(chǎn)品定型存在不確定性，導致科研成果產(chǎn)業(yè)化周期過長。面向科研智能化，提出鋰離子電池智能制造系統(tǒng)和實現(xiàn)方法，結合數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲和分析，以最終產(chǎn)品最優(yōu)值為目標，快速收斂過程中材料、制造工藝、電解液配比的最佳匹配關系，為新產(chǎn)品規(guī)模生產(chǎn)前提供定型生產(chǎn)工藝技術包。未來的工作將集中在鋰離子電池制造大數(shù)據(jù)的分析研究方面，可根據(jù)最終產(chǎn)品的規(guī)格型號，由智能系統(tǒng)自動優(yōu)化出生產(chǎn)該產(chǎn)品的過程因素匹配關系，進一步提升產(chǎn)品的品質一致性。