电池智能制造手册

在智能化和工业互联网快速发展的背景下，动力电池生产正逐步向数字化管理、平台化设计和智能化制造的方向迈进。为了实现锂离子电池超级工厂的成功运营与可持续发展，高质量的电池生产工艺和系统至关重要。本书将基础电化学研究与电池生产方法相结合，对智能电池电芯的制造过程及扩大生产方面进行了全面、结构化的分析。同时，书中还探讨了电池产品的数字化案例和基于数字化手段构建的电池全生命周期管理体系，为电池制造的数字化转型提供了参考和指导。本书可供专门从事电池制造的行业从业者和研究人员阅读参考，也可作为电气、化学、机械工程和电池专业本科生和研究生的参考书。

编者：德国斯图加特大学全职教授、弗劳恩霍夫制造工程与自动化研究所电池制造中心负责人凯·彼得·伯克（Kai Peter Birke）等。 译者：吴川，北京理工大学教授；赵然，北京理工大学特别副研究员；白莹，北京理工大学教授。

编者介绍 致谢 译者序 绪论　迈向可持续、高质量的电池制造　// 1 第一部分　电池制造中的智能制造 第1章　电池制造过程概述　// 12 1.1　锂离子电池的兴起　// 12 1.2　电池制造的现状与挑战　// 13 1.2.1　电极制造　// 14 1.2.2　电池组装　// 17 1.2.3　最终步骤　// 17 1.2.4　模块和电池组装　// 18 1.2.5　航空电动化的现状　// 21 1.3　电池制造的成本因素　// 28 参考文献　// 29 第2章　实现智能制造的技术　// 32 2.1　概述　// 32 2.2　制造业数字化转型的定义　// 32 2.2.1　生产和制造的定义　// 32 2.2.2　数字化与自动化　// 33 2.2.3　整体数字化转型　// 33 2.2.4　电池生产的数字化转型概述　// 34 2.3　生产中数字化转型的技术和推动因素　// 34 2.3.1　信息物理系统　// 34 2.3.2　云计算　// 35 2.3.3　移动通信标准——5G　// 35 2.3.4　人工智能　// 36 2.3.5　区块链　// 37 2.3.6　数字孪生　// 37 2.3.7　增强现实和虚拟现实　// 37 2.3.8　机器人和自动导引车（AGV）　// 38 2.4　总结与展望　// 38 参考文献　// 39 第3章　电池制造的数字化现状　// 42 3.1　概述　// 42 3.2　方法　// 42 3.2.1　研究现状—科学文献分析　// 43 3.2.2　制造业现状—招聘广告分析　// 44 3.3　评估与解读　// 46 3.4　结论　// 48 参考文献　// 48 第二部分　电池制造业的数字化规划 第4章　电池工厂的数字化建设规划　// 50 4.1　数字化工厂的规划重点　// 50 4.2　工厂规划框架和制订者　// 51 4.3　规划电池工厂的侧重点和挑战　// 53 4.4　支持工厂规划的数字技术　// 55 参考文献　// 58 第5章　电池制造中的建模与仿真——概念与应用　// 60 5.1　多尺度生产模拟　// 60 5.1.1　材料尺度上的模拟　// 61 5.1.2　电池尺度上的模拟　// 62 5.1.3　系统级仿真　// 66 5.1.4　过程层面的模拟　// 67 5.1.5　生产链模拟　// 68 5.1.6　工厂建筑及其技术设备模拟　// 71 5.2　建模和仿真的分类　// 72 5.2.1　模型的分类　// 73 5.2.2　工业4.0中的仿真方法　// 76 5.3　多尺度模型耦合和交互　// 79 5.3.1　产品级多尺度模拟　// 79 5.3.2　过程级多尺度仿真　// 81 参考文献　// 84 第三部分　运行电池生产线中的数字化工具 第6章　完全可追溯性——在数字影子的框架内建立智能制造的基础　// 92 6.1　概述　// 92 6.2　数字影子的理论背景　// 93 6.2.1　理论概念、差异化和采用　// 93 6.2.2　一般结构概述　// 94 6.3　锂离子电池生产背景下的挑战　// 95 6.3.1　可追溯性系统　// 95 6.3.2　锂离子电池的具体单元可追溯性　// 96 6.3.3　锂离子电池生产中通过使用可追溯系统减少成本　// 97 6.4　电池生产的可追溯性概念　// 98 6.4.1　电池生产中的追踪物　// 99 6.4.2　鉴定技术和形态学分析　// 99 6.5　采用数字影子的可追溯性概念　// 102 6.6　识别技术的实施概念　// 104 6.6.1　第1组：浆料混合　// 104 6.6.2　第2和第3组：电极生产—涂敷和切割（线圈和副线圈部分）　// 105 6.6.3　第4组：电池组装　// 106 6.6.4　第5组：最终加工　// 106 6.7　总结　// 106 参考文献　// 107 第7章　经典IT系统架构实现数字化的电池组装　// 109 7.1　概述　// 109 7.2　IT系统架构演变　// 110 7.2.1　自动化金字塔　// 110 7.2.2　工业4.0服务导向架构　// 111 7.3　电池组装　// 112 7.3.1　常规电池生产过程中的电池组装　// 112 7.3.2　电池制造中心—电池制造的实验室环境　// 112 7.3.3　电池制造中心电池组装操作顺序　// 112 7.4　服务导向型IT系统架构　// 113 7.4.1　方法　// 113 7.4.2　概念　// 116 7.4.3　实施　// 116 7.5　讨论　// 120 7.6　总结　// 120 参考文献　// 121 第8章　电池制造供应链管理的数字化理念　// 122 8.1　概述　// 122 8.2　数字化供应链管理的一般概念　// 123 8.2.1　计划流程数字化　// 125 8.2.2　来源流程数字化　// 125 8.2.3　生产过程数字化　// 126 8.2.4　交付流程数字化　// 127 8.2.5　返回流程数字化　// 127 8.3　原材料质量控制数字化　// 128 8.3.1　概念框架　// 128 8.3.2　原料质量特性　// 130 8.3.3　整合供应商信息　// 130 8.3.4　进货检验和过程监控　// 130 8.3.5　离线和在线概念的实施　// 131 8.4　结论　// 132 参考文献　// 132 第9章　服务于生产工人信息需求的视觉辅助系统技术评估　// 134 9.1　概述　// 134 9.2　技术发展水平　// 134 9.2.1　制造业的生产工人　// 135 9.2.2　电池制造过程　// 135 9.2.3　生产工人辅助系统的相关综述　// 136 9.3　评价视觉信息方法的途径　// 137 9.3.1　以人为本的设计过程　// 138 9.3.2　电池制造实例　// 138 9.3.3　使用要求　// 139 9.3.4　技术解决方案　// 140 9.3.5　评估技术方案的方法　// 140 9.4　结果　// 143 9.4.1　专家评估　// 143 9.4.2　总分的解释　// 144 9.5　结论与展望　// 148 参考文献　// 149 第10章　电池生产线环境的可持续性管理　// 153 10.1　概述　// 153 10.2　定义和问题陈述　// 154 10.3　电池制造碳核算现状分析　// 155 10.3.1　测量和比较电池制造系统二氧化碳的相关性　// 155 10.3.2　生命周期评估数据不足且数据质量不确定　// 155 10.4　基于原始数据的碳核算和最新技术　// 156 10.4.1　整合供应链的原始数据　// 157 10.4.2　在产品层面整合数据　// 158 10.5　可持续发展数据管理系统实现基于原始数据的生命周期评估　// 160 10.6　电池和车辆的生命周期能量标签　// 163 10.7　结论　// 163 参考文献　// 164 第四部分　使用数字化工具优化电池生产线 第11章　电池制造中的生产力和质量扩展模型　// 170 11.1　在线数据采集—用于质量控制和提高生产力的传感器集成　// 170 11.2　串联式电池生产　// 171 11.2.1　用于电池制造的传感器网络　// 172 11.2.2　质量和故障传播　// 173 11.3　总结　// 175 参考文献　// 175 第12章　电池生产中过程品质特性识别方法及适宜的测量系统　// 177 12.1　概述　// 177 12.2　研究议题　// 178 12.3　目前发展水平　// 179 12.3.1　工艺-结构-特征关系中的变量　// 180 12.3.2　过程相关变量的识别和选择　// 180 12.3.3　测量系统　// 182 12.3.4　现有技术总结　// 183 12.4　建立过程质量特征和适当测量系统程序的步骤　// 183 12.4.1　影响变量的识别和选择　// 183 12.4.2　合适测量系统的选择　// 187 12.5　结论　// 188 参考文献　// 188 第13章　通过数字网络化过程站实现电池生产的跨工艺稳定与优化　// 190 13.1　概述　// 190 13.2　锂离子电池和制造方法发展—理论背景　// 191 13.2.1　电化学存储系统　// 191 13.2.2　过程稳定与优化方法　// 192 13.2.3　机器间通信　// 192 13.3　研发方法　// 193 13.3.1　单个过程的开发方法　// 194 13.3.2　交叉过程方法　// 195 13.4　过程理解和系统分析　// 197 13.4.1　方法测试的系统边界　// 197 13.4.2　锂离子电池生产结构示例　// 197 13.4.3　过程阶段PA082和过程阶段PA082.1的分析和特征识别　// 199 13.5　个性化流程技术实现与建模　// 200 13.5.1　IT系统和控制技术体系结构设计　// 200 13.5.2　PA082过程部分数据模型　// 201 13.5.3　单个过程PA082过程建模　// 201 13.6　实验步骤与评价　// 201 13.7　跨过程方法的理论思考　// 203 13.7.1　PA090的分析与特征识别　// 203 13.7.2　PA090交叉方法过程建模　// 204 13.8　总结与展望　// 205 参考文献　// 205 第14章　生产线生产效率的分析和最大化—— 瓶颈识别和预测性维护　// 208 14.1　概述　// 208 14.2　停机时间和性能损失的根本原因分析　// 210 14.2.1　文献综述　// 210 14.2.2　概念　// 210 14.2.3　利用迁移学习方法进行高效建模　// 212 14.2.4　瓶颈分析的应用　// 212 14.3　预测性维护　// 214 14.3.1　文献综述　// 214 14.3.2　概念　// 214 14.3.3　识别预测性维护机器和部件的示例　// 216 14.3.4　预测性维护集成到维护过程中的示例　// 216 14.4　总结与展望　// 218 参考文献　// 218 第五部分　智能电池产品的生命周期优化 第15章　电池循环经济——定义、意义和报废策略　// 222 15.1　概述　// 222 15.2　电池循环经济—定义与意义　// 223 15.3　电池系统的寿命终结策略　// 225 15.3.1　再使用　// 226 15.3.2　再利用—调整应用场景　// 227 15.3.3　再制造　// 227 15.3.4　再循环　// 228 15.4　归纳与总结　// 229 参考文献　// 230 第16章　数字化——循环经济解决方案的驱动力　// 233 16.1　概述　// 233 16.2　数字化的定义和意义　// 234 16.2.1　CPS架构　// 236 16.2.2　物联网和云组件　// 236 16.2.3　数字孪生　// 237 16.2.4　可视化—AR和VR　// 237 16.2.5　企业资源计划和制造执行系统　// 237 参考文献　// 238 第17章　智能测量——回收电池的测量评估　// 240 17.1　回收电池的生命周期优化使用　// 240 17.2　回收电池的评估—智能测量　// 240 17.3　电池电芯评估方法概述　// 241 17.4　不确定性管理　// 242 17.5　总结　// 242 参考文献　// 243 第18章　拆解——电池系统高效循环的要求　// 244 18.1　概述　// 244 18.2　拆解场景　// 246 18.2.1　拆解模式　// 246 18.2.2　拆解计划　// 249 18.2.3　电池系统的拆解场景　// 250 18.3　电池系统的拆解工厂　// 251 18.3.1　分类　// 251 18.3.2　网络　// 251 18.3.3　布局　// 252 18.4　结论　// 253 参考文献　// 253 第19章　电池回收——材料回收过程　// 255 19.1　概述　// 255 19.2　锂离子电池加工的一般类型　// 257 19.2.1　热加工　// 257 19.2.2　机械加工　// 257 19.2.3　火法冶金加工　// 257 19.2.4　湿法冶金加工　// 258 19.2.5　生物冶金加工　// 259 19.3　锂离子电池回收的工业应用加工路线　// 259 19.4　锂离子电池的一种新兴处理途径—直接回收　// 264 19.5　结论　// 265 参考文献　// 266 第20章　二次利用电池的商业模式　// 270 20.1　概述　// 270 20.2　商业模式的背景和使用　// 271 20.3　电池再制造的商业模式　// 271 20.4　电池再利用的商业模式　// 274 20.5　结论　// 278 参考文献　// 279 第六部分　展望 第21章　超越锂离子——全固态电池　// 286 21.1　自上而下：为什么是固态电池　// 286 21.2　粉末态固态电解质：界面接触挑战　// 287 21.3　制造固态电池的五个主要方案　// 288 21.4　混合方法　// 289 21.5　固体是什么　// 290 21.6　制造是固态电池的最大障碍　// 290 21.7　固态电解质的成本影响产品的选择　// 291 21.8　固态电池制造如何实现数字化　// 291 21.9　固态电池的进一步发展　// 292 参考文献　// 292