用数字化技术打通电池行业机理模型与数据模型的闭环

文/颜 辉

早晨，你的手环通过监测你的睡眠数据判断你处在“浅睡眠状态”，触发闹钟唤醒你；早饭后，你通过电子乘车码支付公交车票；到了单位，你使用在线会议APP 与千里之外的客户沟通技术问题；下班前，你用智能家居APP 通知空调提前打开。这都是你很熟悉的场景。

不知不觉中，人们在线上（数字世界）具有了一个镜像（数字孪生，digital twin），互联网公司通过人们的注册信息（机理模型）和消费行为数据（数据模型），不断增强对人们的认知，提升对人们的服务。不严格地讲，这可以理解为日常生活的数字化。

根据《中国产业数字化报告2020》：产业数字化是指在新一代数字科技支撑和引领下，以数据为关键要素，以价值释放为核心，以数据赋能为主线，对产业链上下游的全要素进行数字化升级、转型和再造的过程。工业产业的数字化，一般分设计数字化、生产数字化和运行数字化3个方面。

电池行业将是继芯片后下一个万亿级战略产业。中国电池行业正面临着诸多压力：国内新能源汽车补贴政策“退坡”，电池安全事故时常见诸报端，国际巨头在中国市场推出优质低价的电池产品，欧洲抱团整合市场积累成本优势。《节能与新能源汽车技术路线图（2.0 版）》提出：到2035 年我国新能源汽车动力电池技术总体基于国际领先，并形成完整、自主、可控的动力电池产业链。只有发展电池行业数字化技术，中国电池行业才有出路。

1 电池机理数字化模型

当前，国内电池企业在做电池产品设计时，多数企业仅在电池包系统设计时使用CAD技术，设计、验证主要靠经验和实验。电池设计参数较多，各参数对电池性能的影响不明确，实验设计带有一定的盲目性；“试错式设计”的效率低、周期长、成本高；某些微观状态（如电极应力、SEI 生长、析锂等）既缺乏经验，也无法用实验测试获取。精确测量的电池材料与电极的表征参数和电热力等参数、专业的数字化模拟仿真工具和经验丰富的模拟仿真技术人员，是建立电池机理模型必不可少的要素。

在电芯尺度，机理模型主要包含考虑电化学、微观应力和热等物理场及耦合作用的电化学模型、基于电学和热学测试的等效电路模型。电化学模型可用于电芯正向设计、性能预测、寿命预测、电极应力、状态估计、参数分布、滥用模拟等。等效电路模型可用于电芯及模组的热分析、BMS 控制策略的开发等。在模组和电池包尺度，机理模型主要包含电池的结构力学模型、热模型、一维系统模型等。如果要考虑材料机理模型，还需要使用材料计算（第一性原理、分子动力学、蒙特卡洛等计算方法）。

2 电池数据数字化模型

国内电池企业在电池生产过程中，在生产管理方面主要使用纸质表单和Office 办公软件：人手动记录数据容易发生错误，“信息孤岛式“的管理方式给数据追溯、质量改善带来困难，整个管理方式的不透明容易造就推诿、扯皮的企业文化。

电池生产过程的数字化管理，并非采购一套软件安装使用那样简单，也不是“企业要什么就开发什么”条件反射式的工作。要做好电池生产过程的数字化管理，需要在电池行业生产业务有深刻理解的信息系统开发实施商带领下，以有“价值”的数据的获取与整理为目标，基于对电池生产企业在生产、质量、工艺、计划、物流等流程深入调研的前提下，信息系统开发实施商和电池生产企业共同组建执行力强的项目团队，将信息化系统方法论和电池生产企业的实际业务特点深入融合，并交付系统软件、系统技术文档、二次开发及报表开发方法等全套项目资料，并以此“数据管道”为基础，构建电池企业大数据平台，进一步建好数据模型，才能源源不断获取数据的价值。

在电池生产过程中，电池生产企业对于工厂、车间、产线的规划，可以借助有电池行业经验的数字化工厂规划服务商和数字化软件工具，由“拍脑袋”“试错”式的规划方式，向“数字化仿真”式的工厂规划过渡，以提升规划效率、避免拆改的浪费、提高工厂的精益性。

在国内电池行业中，即使数字化做得好的企业，也仍然存在“设计”与“生产”的“业务鸿沟”：生产过程中发现的设计缺陷不能很好地反馈给设计部门，设计完全完成后才能进行工艺设计、生产规划。要解决这个问题，应当树立企业的数字化战略：即“数据”不是生产环节的“附属”，而是生产环节的“产品”。“数据仓”应当作为独立于企业“原料仓”“半成品仓”“成品仓”的战略仓储。需要从企业整体业务出发，建立设计与生产数据的结构化存储逻辑、整理逻辑、使用逻辑，在系统设计方面考虑柔性和低代码开发特性，从业务价值角度规划数据的使用和呈现。从电池行业根本特点出发，以企业价值为基础，不必一步到位，不必强制自动化，逐步建立企业的数据闭环。

3 电池行业数字化技术的发展模式

电池行业数字化技术的发展，目前存在两种模式：一是单个企业发展数字化技术，二是创新型服务平台发展数字化技术。单个企业发展数字化技术，以宁德时代、比亚迪等行业巨头在电池数字化技术投入和发展为代表。创新型服务平台发展数字化技术，以天目湖先进储能技术研究院和西门子工业软件共建的“先进电池技术创新中心”为典型代表。

电池行业的数字化技术，投入较大，普通中小企业很难承受；行业巨头在数字化技术方面的成果保密性高，一般不会共享给行业其他企业。以天目湖先进储能技术研究院和西门子工业软件共建的“先进电池技术创新中心”为代表的创新型服务平台，以电池行业数字化技术的开发和共享为盈利模式，以西门子的先进数字化工具为基础，为行业企业提供电池产品、工艺、工厂的数字化模拟仿真，电池行业生产、质量、研发的信息化管理系统实施服务，很好地满足了行业企业对数字化技术的需求和投入的平衡。

值得注意的是：2020 年7月3 日，Batteries Europe 对 外公布的《欧洲电池价值链的短期研究和创新优先事项》中，“电池模组和电池包的开发、制造过程和电池管理的数字孪生，电池安全、性能、可靠性和寿命评估的方法和工具”的数字化技术被重点提及。当前，作为中国“土生土长”的技术产业，电池行业无论在市场体量还是应用场景都表现出强劲的优势，在数字化技术对工业产业的影响力逐渐扩大、第四次工业革命爆发的前夜，中国的电池产业要密切关注和应用电池行业数字化技术、打通电池机理模型与数据模型的闭环，推动电池产业的迭代升级，可不要“起了个大早，赶了个晚集”。