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蜂巢能源的短刀片电芯生产和发展路线

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蜂巢能源近日举办了一次小规模的金坛工厂参观活动,主要介绍短刀电池的智能制造过程,我整理分享一下我看到的内容。

蜂巢能源的短刀电芯产品,首次出现是在2019年4月上海汽车展上,然后在2021年底蜂巢能源发布“领蜂600”全域短刀化后占据了产品序列的C位,这次在蜂巢能源二期短刀电池工厂,“短刀”电池量产线落地,年产能为2.5GWh。

▲图1.短刀磷酸铁锂的生产落地

Part 1

短刀的生产过程

在二期工厂的8GWh产能里,铁锂和三元(含无钴)大概占了一半。预计2022年,在各个电池企业里面铁锂估计占比都在50%以上。

现场可以看到,锂电池的第一道生产工序匀浆也是按这个比例安排的,单个2300L大容量双行星搅拌设备,每罐浆料对应600KWh(纯电动车10辆左右)——这部分其实和电池的最终形态没直接的关系。

▲图2.现场看到的化学体系的比例

比较明显的是第二道的涂布工艺,短刀电池的长度(近600mm)比普通电芯(148mm或者220mm)更长,涂布的宽幅、速度、精度决定了电池极片生产的效率和品质。在现场能看到1400mm超宽幅涂布机,一次出两列,涂布速度也非常高(80m/min)。幅度宽了,为了保证涂布精度,需要在涂布设备上设置三套β射线在线面密度检测系统和两套CCD实时涂宽检测系统,来实现数据实时检测和控制,保证涂布的自动闭环管控(面密度控制在±1.5%以内,正反面错位≤0.5mm)。

▲图3.短刀相比之前的宽幅涂布有很大的变化

在辊压工序中,整体工艺没有很大的差异,由于幅度比较宽,通过正极热辊压,负极双辊连续滚轧,在辊压机上进行电磁加热、红外线在线烘烤、在线激光测厚、废料边去除等技术集成,效率还是有很大的提升。

在模切工序,蜂巢能源应用了激光模切,节省模具投入和设备维护的费用,模切效率也得到40%的提升(30m/min提升至40-50m/min)。

在这里的最大挑战是激光过程产生的毛刺,需要检测层面非常精细化的算法。下一步产线的提升,主要依靠卷对卷模切+切叠一体设备,在工艺层面进行集成。

对于刀片系列的电池而言,某种意义上是从软包进化过来的(叠片工艺的电池生产),叠片速度一直是行业痛点,在这里看到的是双工位叠片效率高达0.4s/片,已研发完成的下一代超高速刀片式电芯极组成型设备,叠片效率可以做到0.125s/片,配合电芯的设计可以在电芯封装层面,对于卷绕极组成形效率形成实质性的挑战。

▲图4.高速叠片机

软包的电芯厚度瓶颈,在刀片设计的理念下,其实突破了。所以这颗磷酸铁锂的电芯,在21mm的厚度下达到了184Ah,还有进一步增长的空间。

▲图5.双卷芯的设计9mm合成21mm的厚度电芯

从生产的过程来看,二期工厂相比于之前看到的一期,在细节上有很多的改进,主要是兼容性方面:二期兼容了VDA、短刀两种不同的设备,在细节方面诸如传输设备方面作了改进,特别是导入了卷芯磁悬浮的物流体系,加上改进的AGV运输物流,极大的提高了节拍和效率。在参观过程中,工厂配置的人员又少了很多,而加入了更多的检测手段,通过强大的软件系统和数据分析来提高工艺直通率,变得更加智能化了。

走低成本,高体积利用率的路线,从VDA电芯一路演化到刀片,整体的卷芯到Pack效率还是非常靠前的。从目前来看,围绕电芯层面的革新,比围绕Pack结构的设计,能够使得电芯在制造层面的成本的降低,在Pack层面也会提高成组效率,降低电池系统的重量(能量密度提高),而且Pack内部的零部件数量减少,特别是相关结构件的减少,有效实现电池系统的成本目标。最终,电池安全性能也会进一步提升——对于方壳而言,薄的电池相对更安全。如果不往宽度方向做文章,往厚度扩展,对于电池安全的影响是很大的(散热面小,热导不出来,内外部的温差大)。

▲图6.刀片电芯的成组率,真的是非常高效的

Part 2

技术发展方向

●围绕全域短刀电芯的迭代

在技术交流环节,比较有意思的话题就是围绕短刀电池的进化。

由于目前磷酸铁锂材料技术的进展,可以在工艺环节和材料环节做进一步迭代。对于电池企业来说,最喜欢的进化方向就是这样:在电池生产线,电芯尺寸、电池系统和整车接口,什么都不需要变,直接能通过多迭代实现能量密度上5%、10%的升级。

蜂巢能源在短刀电池升级的路径上,不管是磷酸铁锂混磷酸锰铁锂,还是磷酸锰铁锂混三元,都在同时进行开发。今年底到明年还会陆续推出第二代和第三代,能量密度也将进一步提升。

从研发逻辑上来看,原材料的来源非常广泛,是更好的解决方案,为整个行业的进步和电动汽车的竞争力的增强,提供非常大的贡献和价值。磷酸铁锂和铁锰锂的下一步,是开发快充能力,目前的高性价比产品是配置1.6C快充能力,下一步开发2C-2.2C的铁锂,然后往4C方向上开发磷酸铁锂。

●高镍电芯开发

围绕低成本磷酸铁锂技术路线的出现,会逼着三元进一步向上,也会逼着无钴进一步向上,通过提高高镍的克容量和提中镍的电压,2022年上半年量产4.4V高电压产品和2022年年底(或者2023年初)无钴4.4的产品也会推出。这个技术方向上面,首先可以配合快充的设计,实现高性能电池的路线。

▲图7.围绕短刀的设计,主要迭代的是性能

做电池有意思的地方,就是产品一直在进化:产线通过不断的升级,改进效率和良品率。平台化可以适应多数客户的Pack设计,这是产品灵活性所带来的。

随着2021年新能源汽车市场的狂飙突进,2022年电池成本受到上游原材料上涨不断提升,这需要电池厂家和车企一起来承担,而2022年能看到新能源汽车的产品结构可能会有所调整。

目前每个电池公司面临的成本压力都是非常大的,但是这种压力是阶段性的压力,随着天气变暖,上游供给包括盐湖生产供给和矿山的锂的供给会增加,在国内外的共同努力下会得到逐渐的缓解。

在从材料端来看,蜂巢能源从2021年年中开始做了大量的行动,包括上游的一些原材料的锁定(锁量、包销、预付),有铺垫以后,整体材料供应能满足2022年全年的需求量。在成本的控制上要多重并举:除了提早地锁定一些原材料买进之外,还要做技术创新来降低成本——国产原材料的替代,新化学体系的使用,通过调整结构吸收一些成本的上涨。

预计在2022年,相比去年,蜂巢能源的磷酸铁锂比重会增加(超过50%),短刀电芯的比例也会增加。现在全球规模(300GWh)不是很大的情况下,供应链都已经出现了比较大的供应风险和挑战,未来成几倍,十倍的增长,到TWh时代电池材料的供应挑战会更大。从长远来看,蜂巢能源会自制一部分核心的原材料,并对上游原材料端进行一些投资,会对下一代电池技术的原材料进行一些投资。

从设备端来看,电池公司80%的投资是设备,需要以更高的生产效率和更智能化的,少人化的产线的设计,来规避未来人工成本上涨,来规避制造成本高的问题,同时做了柔性化的高效产线设计,短刀产线兼容300-500多毫米。电池制造过程中产生的海量数据如何利用起来,对提升产品质量,缩短制成周期都有非常大的好处。蜂巢能源专门做AI智能制造的落地,在电芯制造精益上做文章。

另外,蜂巢能源很有意思的是人才战略,随着品牌影响力的提升和规模扩大,本身公司开放,具有新势力思维的企业文化,在人才招引说是比较成功的。对于员工的激励,不只是围绕薪水,包括合伙人制度的推进、员工持股等措施其实都能让企业的发展更稳定。

小结:电池做到现在,对一个企业从技术、设备、上游材料和人才全方面提出了要求,随着车企的入局,整个电池产业会呈现出我们之前看不到的多元化色彩。

如何选择和评估自动化系统集成商?#精益生产#
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降低自动化项目的风险

任何项目都存在风险,自动化项目由于比较复杂,需要了解如何确定不同工作范围,更是存在各种风险。知识和经验是减轻项目风险的有效方法之一。

很多自动化系统项目在整个项目执行的后期都会遇到问题,其中“不可预见问题”会扰乱之前的详细规划。项目相关方必须在过程的初期,考虑将系统集成工作和范围,纳入到整体项目计划中去,并将其归类为项目重要事项。这些自动化项目不仅用于自动化过程运营,还为组织内部的数字化转型奠定了基础。

如果应用得当,这些集成工作将改变资本项目的交付方式,并降低项目实施的风险。系统集成标准化还减少了设计、开发和测试所需的工程工作量,使利益相关者能够减少项目方案中的风险缓解事件。

为自动化项目设置指标

对于成功实施的自动化项目,重点有时只集中在工业设施中运行的控制器和软件。这些系统的基础依赖于现场设备、数据通信电缆和电线,在项目中必须解决这些问题。自动化使组织可以以不同的方式运行,因此在设置指标时,要考虑成功的方方面面,而不仅仅是节省时间或金钱,这一点很重要。由于很多过程会带来更好的用户体验,因此关注用户的满意度和反馈也很关键。

集成标准化有望通过减少定制化、复杂性和依赖性,以及让供应链作为利益相关者参与进来,使自动化项目受益。重点必须是价值而不仅仅是技术,目标是在能为组织提供明显价值的过程中采用自动化。

开放过程自动化论坛 (OPAF) 继续影响系统集成商现在和未来的工作方式。该计划始于几年前,当时埃克森美孚与洛克希德马丁公司一起合作开发下一代开放且安全的过程自动化系统,后者建议由 Open Group 来领导这项工作。该计划设想的标准化、可互操作的模块,可以通过改进工作流程(例如消除重复性任务和以多种方式执行相同任务)使自动化集成商的工作变得更轻松。遵循或参与该计划,以更好地了解如何为最终用户实现最大价值,这符合自动化集成商的最大利益。

选择系统集成商的规范

自动化系统集成商可以为自动化项目的方方面面提供服务,成为协调和责任的中心点。很多业主运营商不再像以前一样配置庞大的自动化部门,管理特定项目庞大的自动化承包商和分包商网络,尤其是过去十年那种大型、复杂和开创性的项目,可能会让人不知所措。

越来越多的公用事业和私营部门公司,正在努力与某个合格的自动化承包商直接签订合同,以便使其能够参与从规范设计阶段直至施工阶段的完整过程,而不是在总承包商的名义下进行分包。选择和评估系统集成商需要考虑的一些关键因素包括 :企业资质、专业技术人才、行业背景、控制和测试设施、计算机制图和设计能力等。

在考察公司资质时,自动化系统集成商提交的典型文件清单可能包括 :公司简介、专业领域、设施概览、服务的行业、资格和能力证明、以及主要团队成员的详细信息等。同时,还应提供在项目管理和执行方面的相关成功案例。

当自动化系统集成商负责控制系统的最终设计和组装时,该系统的设计还应提供图纸、控制策略和规范(包括公用事业主规范中适用的电气部分)所规定的控制能力和功能,并以最少的维护活动提供无故障运行。该系统应能在部件发生故障时,手动执行所有功能。系统集成商供应和调试范围包括规范中适用的电气部分、变频器以及其它系统和网络相 关部分。

系统集成商应是能够满足公用事业需求的单一业务实体。所有必要的工程、编程、制造、服务和培训,均应由系统集成商执行,不得将项目的任何部分分包,或从公司以外的任何人或公司处购买或开发。

自动化和控制供应商应是在“适用于业主系统的指定供应商名单”中授权的系统集成商,在设计、组装、 测试、安装和服务方面,拥有市政、 私人公用事业设施的控制系统和服务的丰富经验。

此外,至少应有一名微软认证的专业系统工程师在场。配置给项目关键角色的所有系统集成商员工,都应具有与项目相关的工作经验。所有与项目相关并由系统集成商供应的人机界面 (HMI)、可编程逻辑控制器 (PLC)、 远程终端单元 (RTU)、电机控制中心 (MCC) 和控制面板,都应在交付给客户前使用系统模拟设备校验、调试和测试。系统集成商将承担一般责任保险和专业责任(错误和遗漏)保险。

服务和维护能力

系统集成商应维护由保险商实验室(UL-508913)和电气测试实验室(ETL)认证的内部面板制造设施。

• 所有面板的布局应符合逻辑和功能顺序,维护友好的组织和易于识别的永久性内部标签。

• 制造人员应在其专业领域具有至少 10 年的经验。

系统集成商应配置一个由全职服务经理监督的服务部门,配备专职工厂培训现场服务人员,每天 24 小时、 每周 7 天工作来满足公用事业的最低要求。

现场服务能力包括启动服务、 DCS、PLC 和 HMI 系统的现场编程。系统集成商还将提供紧急控制系统维修、故障排除、测试、通过调制解调器进行快速诊断和维修的远程协助、预防性维护和校准服务、文档(O&M 和图纸)维护以及包括所有相关现场仪表的全系统培训。

系统集成商应进行必要的维修、 更换、修改和调整,以消除在一年保修期内可能发现的设计或工艺缺陷。系统集成商应在业主或工程师通知后的 24 小时内,开始这些维修、更换、修改和调整,并应在收到通知后的 48小时内完成此类维修、更换、修改和调整。如果系统集成商未能在此期限内完成工作,业主可以继续完成工作。在这种情况下,系统集成商及其担保人,应负责业主完成工作所产生的所有合理费用。

过程自动化和控制供应商应由总承包商从预先批准、可接受的公司中选择。除非按照要求进行预批准,否则不能选择。

所有没有进入可接受的自动化和控制系统集成商名单中的系统集成商,需要严格遵守规范,没有例 外,并在业主招标之前获得预先批准。系统集成商为预先批准所提交的文件包,包括本规范和上述规范部分的副本。

为获得预先批准,系统集成商应提交至少 5 个、在过去 3 年内完成的规模、复杂性和价值相当的项目清单,其中包括 :

• 参与每个系统的系统集成商的员工的姓名 ;

• 每个系统的详细说明和图纸 ;

• 每个系统的成本 ;

• 在业主现场,参与每个系统运行和维护的人员的姓名和电话号码。

预先批准提交的资料必须包括公司简介及其所有权和组织的描述。包括直接参与该项目工程、组装、测试和调试的负责人和关键员工的简历。

对于任何和所有替代系统集成商的投标方案,业主保留自行决定是否接受或拒绝的权利。承包商、分包商或提交的未经预先批准的系统集成商,无权因业主造成或因业主未批准而造成的额外和意外成本、障碍、 延误,而要求延长时间或提出任何损害索赔,无论出于何种原因都不允许。

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