先进电池高质量制造：标准化·大规模·智能化_阳如坤主编黄永衡副主编_9787122465429

先进电池在未来制造能源体系中将发挥基础产品的作用，成为通用目的产品，成为新能源、制造能源产业的重要核心支柱产品。本书站在制造工程化的视角，分析总结了先进电池标准化、大规模、智能化制造相关技术，创造性地提出电池大规模制造三大流(物料流、信息流、能量流)连续的原则以及解决先进电池高质量、大规模、低成本制造问题的一些想法，阐述先进电池大规模制造的技术基础，标准化制造应该遵循的原则、方法和实施内容，以及提升电池制造质量的智能化闭环手段。本书旨在助力于解决先进电池高质量制造的难题，可为储能、动力电池产业、制造能源体系等领域的工程技术人员在电池设计、制造规划、制造管理、电芯制造设备开发、制造安全与品质控制等方面提供参考，也可为相关专业的高校本科生、研究生以及对储能及动力电池产业感兴趣的人士提供参考。

2003 年7 月16 日，陈立泉院士在深圳高新技术成果交易会院士论坛上做题为《新能源体系将化解能源危机》的报告，指出：锂离子电池作为一种清洁、高效的能源，具有高能量、长循环寿命、高电压等优点，通过使用锂离子电池、太阳能电池等新型能源，建立分散的能源体系，是有效解决能源问题的办法；新能源机组的发展、开发和使用新的清洁能源以及建立分散的能源体系将成为当代动力工业的新追求。这是我听到的最早的解决能源问题的新思路，正是受到这一思路的启发，我开始把自己工作的重点从机器人自动化技术转向用机器人自动化技术解决电池制造及装备问题。开始注重于使用装备解决动力电池制造问题，通过电池驱动汽车以解决交通污染问题，直到今天迎来更大的制造能源产业机遇。
自《先进储能电池智能制造技术与装备》由化学工业出版社于2022 年7 月出版以来，引起不少业界朋友的关注和讨论，我和撰写团队深表感谢！为我们的努力能给电池制造产业带来一点有价值的知识感到由衷欣慰！然而，通观全球制造业的发展，我们认识到电池制造产业还有许多需要改善、提升的地方，这正是本书希望探讨的内容。
自2015 年以来，虽然我国电池产业输出产能一直保持全球第一，近几年占比还超过了60%，但我们并不完美，我们的材料利用率较低，电池安全事故时有发生，这些都是我们面临的巨大挑战。随着我国双碳目标的推进和人类对清洁环境追求的提升，清洁能源的需求也越来越紧迫，能源存储的需求不断增长。有数据显示到2025 年电池的需求量将达到2TW·h，到2030 年将达到5TW·h，到中国实现碳中和时这个需求会更大。2023 年4 月埃隆·马斯克在提出5 步还世界一个清洁的地球的观点时表示，未来全部使用清洁能源，全球能源存储需求量将达到240TW·h，当然这里不仅仅是使用电池储能，还会有其他的能源存储方式，但是至少现在我们知道电池是最灵活、快捷的方式。随着技术的进一步成熟，安全性、宽泛的性能和能量密度将得到进一步提升，意味着电池还会有更大的发展空间。这就给我们现在的电池制造技术提出了更大的挑战，这种挑战包括电池安全性、制造合格率、制造规模等方面的大幅度提升。
今天，我们规模生产的电池其制造模式依然处于实验室阶段，也就是说电池的制造模式基本上是电池研发的模式，多数是中试线的放大，而真正要满足大规模、高质量制造要求，必须基于电池原理的分析研究，在保证电池基本性能的前提下，从电池材料的选择、电池设计、电池制造工艺、电池制造装备、电池的使用和回收等电池全生命周期的角度来考虑电池制造的质量、效率和成本，从而实现最佳的产业收益和可持续发展。正是基于这个出发点，我们要遵从规模制造业所依托的材料、标准、装备、数据等核心工程基础，使用标准化方法、应用大规模制造理论和智能制造技术手段，最终用制造装备来实现先进电池制造目标落地，这是本书的核心思想。
在科学、技术和工程活动中，科学活动是以发现规律为核心的活动，技术活动是以发明创新为核心的活动，工程活动是以建造为核心的活动，而标准化则是介于技术创新和工程应用之间的活动。电池制造的本质是基于电池的科学原理，找到解决制造问题的方法，再通过工程实施建造的方式解决问题，所以本书用一定篇幅阐述制造工程问题及工程实施的方法和原则。
标准化是制造业的根本和基础，更是大规模制造的基础。标准规范使得产品和制造获得统一、规范、积累，从而实现产品质量的不断优化和提升。我们生活的方方面面都离不开标准，标准化也给我们的生活和工作带来巨大价值，记得20 世纪80 年代初在中国一台普通的轿车汽油发动机需要40000～50000 元，而到现在已经降到了3000～5000 元，这就是标准化和大规模制造带来的价值，现在的电池制造业也是如此，也正面临这样的机遇。电池材料、产品设计、产品规格、制造规范、制造装备、使用规范和产品回收等都必须遵从标准化的规律，实现产品和制造过程规范，这是制造的结晶。本书从产业标准的概念、智能制造与标准化、电池产业的超前标准模式以及先进电池智能制造综合标准化实施等方面阐述电池产业推行标准化的相关内容，希望为电池产业大规模制造带来有价值的参考。
大规模生产模式开始于20 世纪初，以泰勒的科学管理方法为基础，以生产过程的分解、流水线组装、标准化零部件、大批量生产和机械式重复劳动等为主要特征。大规模制造和标准化使很多产品成为老百姓人人拥有的产品，当初美国的福特老先生也正是凭着让造车的人自己也买得起汽车，让汽车成为大众的代步工具的理念，将T 型车实现了大规模制造，创造了很高的价值。电池产业也正面临这样的机遇，市场需求巨大，成本偏高，大规模制造正好可以满足制造能源时代对先进电池的需求。目前的电池制造依然是使用实验室研发电池时的工艺方法，产能的扩大仅仅靠装备和厂房数量的比例增加，这是难以提升质量和降低成本的，必须在电池设计、制造工艺、制造规模和制造装备等方面全面提升。本书在阐述规模制造业的科学、技术、工程相互辩证关系的基础上，从认知先进电池制造业本质出发，提出电池大规模制造需要实现物料流、信息流和能量流的连续，来满足先进电池大规模制造的要求。
智能制造解决制造问题的基本思想是用数据化解制造过程中的不确定性，达到控制电池制造的质量、效率、成本和生产周期的目的，实现制造的最佳效益。为达到此目的，本书在总结《先进储能电池智能制造技术与装备》关于智能制造基础原理内容的基础上，进一步提出先进电池制造质量提升的纵向、横向及其组合的多层次闭环方法，并结合这些方法综合考虑未来基于电池行业制造大模型，实现制造质量的自主优化、制造安全的自主管控。
先进电池产品必将成为通用目的产品，在未来新能源构成和制造能源体系中将发挥基础支撑作用，然而面对日新月异的电池技术的进步和电池需求的不断扩大，电池制造技术也面临巨大的挑战，我认为应该面向未来的需求进一步提升电池制造的质量、效率，真正向大规模、智能化的路径迈进。本书由阳如坤拟定总体框架和各章节的核心内容，并完成主要章节的编写，其中第3 章由国际标准化专家黄永衡教授编写，柯奥对全书的内容及图表进行核对和修正。本书的核心内容总结了笔者30 多年来从事汽车制造技术、低压电器制造技术、电池制造技术及其装备，特别是吉阳智能公司在电池制造技术研发、装备研发及制造方面的宝贵经验，在此要感谢吉阳智能公司的全体员工，这是我们多年研究制造、坚持创新、矢志不渝努力的结晶。电池制造产业方兴未艾，要达到成为新能源行业ASML 的目标还有较远的距离，然而认知清楚、锚定目标、知难而为，方可不辱使命，才能为制造能源时代贡献更多力量。
本书引用前人在标准化、大规模制造、工程科学等方面的研究成果和观点，在电池前工序制造连续化思想方面借鉴了深圳尚水智能张旺博士的想法；在电池智能制造质量数据优化方面引用韩友军博士的论文研究成果，在此深表感谢；还要感谢电池产业界的同仁，是他们的不懈努力带来今天电池产业的蓬勃发展，使我们能够更清楚地看到电池产业的未来！还要感谢科大讯飞星火军团提供的人工智能（AI）文字校对工具，纠正了书稿中不少的文字错误。最后感谢化学工业出版社相关编辑的辛勤努力，使得本书前期的策划组织和后期的出版顺利进行。
虽然我国电池产业取得骄人突破，成为中国产品出口的新三样，但正如宁德时代董事长曾毓群博士所言，电池行业已经迈入了从有没有到好不好的新阶段。新阶段是质量和效率的提升，一方面电池材料、电池结构还在不断演化，电池安全性能、电池制造质量需要进一步提升；另一方面，电池制造规模不断扩大，总体成本需要进一步降低，这正是电池发展新阶段的挑战。诚然，电池制造也不是一个简单的大规模生产的机电产品，它涉及电化学、电子电气、机械结构等方面的内容，在制造尺度上是从纳米、微米到毫米、米级的极致管控，实现制造的控形、控性，需要更多的制造技术和制造方法的创新。由于时间仓促以及知识水平所限，本书一些观点和提及内容难免有偏颇和疏漏，不足之处在所难免，敬请各位读者批评指正。我们更期待本书能够起到一盏明灯的作用，引起更多电池制造技术与装备产业的仁人志士的关注，把更多的技术、技巧和知识奉献给产业和读者。
在整个中国制造业不断内卷的今天，我认为落实到电池产品的高质量、差异化制造才是电池制造业的未来，随着双碳目标的推进，将把我国从化石能源对外高度依存的时代，逐步转向能源自主的制造能源时代，在这一伟大的转变过程中，不仅仅是能源、低碳、清洁、青山绿水的转变，更重要的是由于能源革命带来的产业革命、智能化生活的改变。伴随而来的是制造业向资源节约、高产品制造质量、高经济效益的方向转型发展，同时，在制造业带动和引领下，创造全社会财富增长，向成为高质量、高效率、高度发达的国家迈进，最终实现强国梦。

编著
2024年7月

第1章制造能源时代与电池发展001
1.1 能源与能源革命 001
1.1.1 能源的概念与特点 001
1.1.2 三次能源革命的历程 002
1.1.3 新能源的特点及发展前景 006
1.1.4 新能源的能耗效率与产品技术路线选择 007
1.2 制造能源时代 009
1.2.1 制造能源概述 009
1.2.2 制造能源的价值 010
1.2.3 制造能源时代下的电能替代 010
1.2.4 制造能源系统 012
1.2.5 制造能源技术对第三次能源革命的意义 018
1.3 电池的应用及发展方向 020
1.3.1 能源存储的方式及特点 020
1.3.2 电池作为能源存储载体的优势 021
1.3.3 电池成为通用目的产品 021
参考文献 024

第2章工程理论与先进电池大规模制造025
2.1 工程科学论及其在大规模制造中的应用 026
2.1.1 科学-技术-工程三元论 026
2.1.2 工程科学的内涵 029
2.1.3 工程理念和工程思维 033
2.1.4 工程决策思维的特点 035
2.1.5 工程决策思维的过程和环节 037
2.1.6 工程设计实施的原则 038
2.1.7 工程设计思维在大规模制造中的运用 041
2.2 大规模制造技术 043
2.2.1 大规模制造技术基础 043
2.2.2 大规模制造产业发展历程 046
2.2.3 现代大规模制造中的连续制造技术 050
2.2.4 现代大规模制造中的同步控制技术 051
2.2.5 现代大规模制造实现的原则和技术 056
2.2.6 大规模制造业的规律 059
2.3 大规模定制制造 061
2.3.1 大规模定制的概念 061
2.3.2 大规模定制生产模式的主要内容 062
2.3.3 大规模定制生产模式的三个基本策略 063
2.3.4 大规模定制对制造系统的要求 064
2.3.5 电池大规模定制制造的实施要点 064
2.4 先进电池大规模制造的实现 066
2.4.1 先进电池制造原理 066
2.4.2 先进电池的制造规模及制造思路 067
2.4.3 先进电池大规模制造的痛点 069
2.4.4 先进电池大规模制造理念 071
2.4.5 先进电池大规模制造的未来 079
2.5 先进电池制造降本策略 080
2.5.1 电池制造的成本趋势 080
2.5.2 先进电池制造降本的方式 080
参考文献 083

第3章现代标准化理念与先进电池智能制造084
3.1 标准化概述 085
3.1.1 标准化发展概述 085
3.1.2 标准的概念 088
3.1.3 标准化的概念 092
3.1.4 标准化战略 093
3.1.5 标准体系 096
3.1.6 标准数字化 100
3.2 标准化与电池智能制造 103
3.2.1 先进制造业 103
3.2.2 智能制造技术 105
3.2.3 标准化是智能制造的重要基础 114
3.2.4 智能制造标准化的构建 118
3.2.5 电池智能制造标准化 119
3.3 超前标准化模式与电池制造产业 120
3.3.1 超前标准化模式 120
3.3.2 研发与标准化同步 129
3.3.3 研发与标准化同步的实施 131
3.3.4 超前标准化模式与先进电池产业高质量发展 134
参考文献 136

第4章综合标准化与先进电池智能制造137
4.1 综合标准化理论 137
4.1.1 综合标准化概述 137
4.1.2 综合标准化方法论 138
4.2 综合标准化过程 141
4.2.1 准备阶段 141
4.2.2 规划阶段 142
4.2.3 制定标准阶段 143
4.2.4 实施阶段 143
4.3 综合标准化特点 143
4.3.1 从整体目标出发考虑问题：整体性 143
4.3.2 以解决问题为目标：目的性 144
4.3.3 用一套系列标准解决问题：成套性 145
4.3.4 标准相互依赖：敏感性 145
4.3.5 标准的全过程管理（闭环控制） 146
4.3.6 计划性和风险性 147
4.4 综合标准化的现实意义 148
4.4.1 适应经济技术发展的新趋势和新要求 148
4.4.2 促进传统企业的管理体制转型 149
4.4.3 把标准化提升到系统水平，发挥系统效应 150
4.5 先进电池智能制造综合标准化 151
4.5.1 总体要求 151
4.5.2 建设内容 152
4.5.3 标准的实施路径 161
参考文献 161

第5章先进电池制造质量控制与智能制造163
5.1 制造业质量管理 163
5.1.1 质量的概念和认知 163
5.1.2 质量管理 165
5.1.3 标准化在质量管理中的作用 168
5.1.4 卓越绩效模式TQM 的标准化 172
5.2 先进电池制造的高质量发展 175
5.2.1 产品质量是高质量发展的基石 175
5.2.2 制造业产品的高质量发展 179
5.2.3 先进电池制造质量 183
5.2.4 电池制造高质量发展的意义 188
5.3 先进电池制造质量与智能制造 190
5.3.1 智能化是解决制造质量的基本方法 190
5.3.2 电池的结构缺陷检测 196
5.3.3 先进电池智能制造质量闭环 202
5.4 智能化解决方案案例基于模型的方形锂电池卷绕张力控制方法 204
5.4.1 张力控制系统 205
5.4.2 非线性系统建模设计 206
5.4.3 系统理论建模及仿真 208
5.4.4 BP 神经网络辨识系统 208
5.4.5 总结 209
5.5 智能化解决方案案例电池智能制造质量数据优化 210
5.5.1 智能制造质量数据 210
5.5.2 智能系统实现与结果 214
5.6 先进电池智能制造系统成熟度实现的层级 216
参考文献 217

附录1 电池智能制造基础共性标准拟制清单218

附录2 电池智能制造关键技术标准拟制清单220

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