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动力锂离子电池生产信息追溯系统研究

 2018-01-23
  
关键词: 锂电池 追溯 MES
目前,大多数锂电池企业仍停留在人工方式记录生产过程数据、质量数据、物料批次数据阶段,一旦发生质量问题,无法立即响应处理并找到事故的出处和责任。根据锂电池制造工艺流程特点,对生产制造过程中的载体、物料编码、信息流进行设计,建立物料跟踪模型,将锂电池生产涉及的诸多物料、工序制品、电池成品等进行全过程记录和管理,建立锂电池物料追溯档案,从而实现对每个生产流程节点的质量控制与监控,从生产到计划,从物料对成品的双向正反追溯。

 动力锂离子电池生产信息追溯系统研究

张凌寒 张领涛

中航锂电(洛阳)有限公司 洛阳市高新区滨河北路66号 471003

摘要:目前,大多数锂电池企业仍停留在人工方式记录生产过程数据、质量数据、物料批次数据阶段,一旦发生质量问题,无法立即响应处理并找到事故的出处和责任。根据锂电池制造工艺流程特点,对生产制造过程中的载体、物料编码、信息流进行设计,建立物料跟踪模型,将锂电池生产涉及的诸多物料、工序制品、电池成品等进行全过程记录和管理,建立锂电池物料追溯档案,从而实现对每个生产流程节点的质量控制与监控,从生产到计划,从物料对成品的双向正反追溯。

 

Research on tracing system for Li-ion power battery production

Zhang Linghan  Zhang Lingtao

( China Aviation Lithium Battery CO.LTD, No.66 Bin He Bei Road Gaoxin District Luoyang 471003)

Abstract: Recently, the production process data, quality data, material batch data were still remain recorded in the manual way in the majority of Lithium-ion battery enterprises, once the quality problem, the source of the accident and liability couldn't be cleared immediately. The carrier, material encoding and the information flow in the process of manufacturing were designed according to the characteristics of the lithium-ion battery manufacturing process. The identification method of the carrier container and the process products and the battery finished products which combined were proposed. The batch encodes of products and the transit storage spaces for each process were combined. The material tracking model was established. At the same time, the whole process of Lithium-ion battery production involved a lot of material, process products and the battery products were recorded. The materials of lithium-ion battery files were established. Then the quality for each production process node could be controlled and monitored. From production to plan, from the material to the finished products two-way positive and negative tracking could be realized.

Key words: Lithium BatteryTracing;MES


2016年我国新能源汽车产销51.7万辆和50.7万辆,连续两年产销量居世界第一。中国汽车工业协会数据显示,2017年上半年,我国新能源汽车产销21.2万辆和19.5万辆,同比增长19.7%和14.4%。

2014年起,我国动力电池产业增长率分别为368%、324%、78.6%,在整个“十三五”期间动力锂电池行业将继续保持爆发式增长的态势。

动力锂电池行业是一个技术密集型产业,动力锂电池生产的设备、材料及工艺等均处在向高速度、高精度、自动化及智能化的快速迭代过程中。但随着行业整体规模的爆炸式扩展,行业中大部分的企业生产过程管理还仍然停留在人工方式记录生产过程数据、质量数据、物料批次数据和局部信息共享阶段[1]。由于大部分数据均属于人工记录,或单独的保存在个别独立的设备/系统中,在发生质量问题或其它异常时,无法在第一时间充分利用已有的数据与记录进行正确、合理的处理,也不能及时的追溯到具体的物料信息、工艺参数及责任人员[2]

2016年三星Note 7手机因锂电池问题频繁发生爆炸、自燃,最终造成306万部手机的召回,得益于手机产业追溯系统的完善,庞大数量的问题收集才能够被召回。如果同样的问题发生在某款车用的动力锂离子电池上,事故后续召回、处理工作的难度、人员、资金及时间的投入将不可估量。同时随着动力锂电池的爆发式增长,如不能够建立完善的电池追溯系统,动力锂离子电池生命周期末端的回收及梯级利用工作将难以开展。

1  研究现状及趋势

目前国内外在化工、制药、食品、汽车及3C数码等成熟产业,生产信息追溯系统已经得到广泛应用和普及,行业和国家也出台了明确的规范与法规制度。但是在动力锂离子电池行业,国家仅颁布了GB/T 34014-2017《汽车动力蓄电池编码规则[3],该国标于2018年2月1日开始实施,同时在2015年出台的《汽车动力蓄电池行业规范条件》等行业准入制度中,也仅是要求企业应建立从原材料、部件到成品出厂完整的检验和可追溯体系,实施计算机信息化生产管理,建立生产管理数据库。

目前电池行业管理系统主要目标是电池检测和分析,都是针对采集、通讯、电量估侧、监控诊断和分析等方面信息处理;针对电源模块、系统Pack方面已经有较为完善的追溯管理方案;还没有一个针对复杂生产流程中物料的管理到电池历史数据追溯的综合管理平台[4-6]

2 追溯系统设计

2.1 生产工艺流程

锂离子电池是典型的离散型和流程型相结合的生产过程,整个制造过程主要包括合浆、涂布、辊压、分切、制片、叠片(卷绕)、装配、干燥、注液、化成分选。合浆工序,在制品以浆料形式存在,涂布/辊压/分切/制片工序的在制品以极卷形式存在,叠片(卷绕)的在制品以裸电芯形式存在,装配/干燥/注液/化成分选工序的在制品以最终电池的的形式存在。由于各个工序的在制品形态不一,且有变化,因此目前仅在注液、化成分选等个别工序内部实现了生产过程数据信息采集及查询,其它工序的数据基本都通过人工方式记录生产和质量数据,大量生产数据未录入电脑,出现异常、客诉等情况时,各部门根据工单号、生产批号或电池的纸质条码查询数据,花费大量人力及时间,而且当生产发生实时事件时,不能及时做出反应、报告,并用当前的准确生产数据对它们进行指导和处理。

2.2 追溯载体

由于锂离子电池前工序属离散型生产、后工序属流程型生产,且在制品分别以液态浆料、极卷、裸电芯及电池四种状态存在,因此需要根据各工序的实际情况确定合适的追溯载体,确定追溯的最小单元,以便于记录、区分不同工序的在制品,各工序间通过追溯载体的逐级关联,实现整个生产过程的追溯。

1 各工序追溯载体

Table1 The tracing carrier of each process

 

合浆工序在制品浆料为液态,需采用浆料条码进行追溯,条码可通过合浆设备直接发送至涂布设备,也可由合浆设备打印浆料条码粘贴在周转桶上。

涂布/辊压/分切/制片工序在制品为极卷,由设备打印在制品标签并粘贴在极卷上跟随极卷进行流转。

叠片(卷绕)工序在制品为裸电芯,由于电芯的特殊性,需要在电芯上粘贴预先印有条码的胶带进行追溯。

装配/干燥/注液/化成分选工序在制品形态为电池可直接采用电池壳体上的二维码进行追溯(塑壳、金属壳电池为激光刻印二维码,软包电池为喷墨打印二维码)。

2.3 编码规则设计

编码规则是追溯系统的核心,关系到整个系统的底层逻辑,编码规则包括原材料编码、在制品编码、电池编码三部分。

1)原材料编码

原材料编码能够识别物料及相应批次信息即可,由于不同物料供应商采用的批次编码规则不一致,因此应对原材料编码进行统一规定。

原材料编码采用“ERP料号+供应商代码+生成日期+批次流水号”,采用这种编码方式通过编码即可直接识别物料料号、供应商、生成日期即批次,在扫码时直接通过编码即可进行BOM校验,判别物料是否在保质期内,而且解决了部分物料料号相同但供应商不同的实际问题。

2)在制品编码

在制品编码包含浆料编码、极卷编码规则、电芯条码规则,考虑通用性浆料编码与极卷编码共用一套编码规则,电芯条码单独制定一套编码规则。

a)浆料/极卷在制品编码规则

为便于追溯在制品,浆料/极卷在制品编码规则为“设备号+特殊代码+型号+生产日期+流水”,在每个工序,工艺设备都会根据此规则重新生成在制品编码,其中设备号为产出该在制品的工艺设备编号,特殊代号是用于对在制品做特殊标记,型号为浆料对应的配方号或极卷对应的电池型号。

b)电芯条码编码规则

由于电芯的特殊性,需要在电芯上粘贴带有电芯条码的胶带,考虑便于生产管理及操作,电芯条码的编码规则为“打码机台号+打码日期+胶带卷号流水+编号流水”,在电芯条码中不体现任何电池信息,体现的为胶带相关信息,通过唯一的编号来标识电芯,生产过程中需先扫码,后进行叠片/卷绕操作。

3)电池编码

国标GB/T 34014-2017《汽车动力蓄电池编码规则》中规定了电池变化,并规定于2018年2月1日开始实施,但是目前动力锂离子电池企业内部普遍有另外一套自行规定的编码规则,由于已有的工艺设备/系统改造成本高、难度大,因此可以预见未来必定会出现国标编码与内部编码通用的情况,需要在追溯系统中做必要的关联。

目前电池厂商内部的编码规则一般为“型号代码+生产日期+工厂代码+产线代码+流水号”。

2.4 数据信息流设计

追溯系统需要从原材料入厂检验开始记录相关信息,根据生产工艺流程记录各工序物料信息、工艺参数、设备参数及人员信息等数据,依照工艺流程,通过各工序投入物料的编码及产出物料的编码层层关联,实现从原材料检验入库到最终成品入库的全过程信息追溯。

 

 

 

图1 追溯数据信息流

Fig1 Tracing flow of production information

如图1所示的追溯数据信息流所示,整个追溯系统核心是各个原材料批次号、在制品编号及成品编号的层层关联关系,其关联的路径依赖于预设的工艺流程,每个编号关联了上一层的编号也关联了下一层的编号,同时在本层级又关联了相关的工单信息、设备信息、人员信息、工艺参数、环境信息、检验信息等数据,也即通俗意义上所说的人机料法环测信息。

通过在制品编号与上下游工序产出的在制品编号关联,实现了前后工序的关联记录,进而实现了整个从原材料入厂到成品入库整个生产经营环节的信息记录与追溯。

在原材料入厂检验环节,质检员依原材料批次号进行检验,将检验过程、结果数据记录在质量管理系统中;在合浆工序,进行投料时一方面通过扫描批次编号记录投料信息,另一方面追溯系统也可根据原材料批次号调取质量系统检验结果、生产日期等信息,对原材料质量状态进行校验,同时能够根据原材料批次号对该原材料是否投入正确的设备进行必要的判断和校验。

合浆工序生产时,追溯系统记录投入的物料信息、产出的浆料编号,设备参数、工艺参数、质检信息及操作人员信息等,这些信息一方面通过与工艺设备做对接,直接从设备中采集,另一方面由人工在系统中直接录入和记录,如每釜浆料人工检测的粘度、固含量信息。

其它工序的信息采集方式及作业模式与上述合浆工序类似,投料时通过扫描原材料批次号/在制品编号,记录投料信息,同时通过与质量管理系统对接、BOM及工艺流程比对,判定是否存在错误。生产过程中通过直接与设备对接获取,及人工录入两种方式相结合实现该工序的“人机料法环测”信息采集与记录。

因此除图1展示的追溯数据信息流以外,在系统的基础数据中需要维护和完善产品BOM、工艺流程及各工序参数信息,供追溯系统在运转时进行必要的逻辑判断及对比,同时工艺流程的维护也需要具备足够的灵活性,以便满足产品换型工艺优化调整的需求。同时由于工艺流程的可维护及可配置性,在完成与工艺设备对接及界面调整后,图1所示的追溯数据信息流可采用相同的思路继续向更下游的模块组装及Pack组装进行扩展,实现从原材料到电池、电池到模块、模块到Pack,以至于Pack到新能源汽车的完整追溯。

3 追溯系统的实际应用

从第2节所述的追溯信息流程可知,追溯系统必须具备的四大功能模块为:追溯模块(记录、存储及展示追溯信息)、质量模块(进行质量管理或与已有的质量系统对接)、基础数据模块(维护、完善BOM、工艺流程等基础信息)、计划管理模块(与ERP对接生产计划,进行生产计划统计,将计划与产品编号关联追溯产品最终去向)。因此追溯系统从功能模块上与MES系统在功能上有相当大比例的重合,目前电池行业实施的追溯系统一般也即MES系统,其功能模块涵盖了生产计划、信息追溯、质量管理、设备管理、报表统计、看板展示、工艺管理及基础数据等功能模块。

在追溯系统的实际应用中MES系统(追溯系统)与ERP对接,获取订单计划信息,将订单对应的大计划分解为详细日计划,并根据日计划在ERP中生成相应的领料单据,领取物料进行生产,MES系统记录生产过程相关数据,生产完成后根据统计结果在ERP上进行自动报工,其主要分为以下几个步骤:

1)原材料到厂后依原材料批次号进行来料检验,检验合格才能在ERP入账,方可出库到车间进行生产。

2)MES系统根据ERP系统下发的大计划细分出详细日计划,并依计划及消耗定额生成领料单,供车间生产领料。

3)具体工序在实际生产时,先通过扫描枪扫描原材料批次号/在制品编号,由设备将相应信息提交MES系统验证,MES系统依据质检信息、产品BOM、工艺流程等基础数据进行判断能否能投入设备进行生产,确认可以生产后设备生成新的在制品编号或沿用已有的电池编号,如生成新的在制品编号,在生产结束下料时需要人工在设备上打印在制品标签并粘贴在在制品上进行流转。

4)生产过程中MES系统通过与设备对接,获取生产过程中的设备信息、工艺信息、操作人员信息、环境信息及计划信息等,检验信息一般由操作人员直接将相关信息录入系统中去。

5)生产结束以后MES系统将各工序的生产统计信息汇总,生成报表并在ERP系统中报工。

以上步骤与一般的动力锂离子电池生产过程类似,仅在在投料时扫描原材料批次号/在制品编号,下料时人工打印粘贴带有在制品编号的在制品标签外,不增加额外的操作,同时能够准确、高效的采集到动力锂离子电池生产过程中的人机料法环测信息,快速、精准的实现动力锂离子电池生产全过程的追溯。

4 结论

针对动力锂离子生产过程的复杂工艺和流程,设计了电池信息追溯系统中最为核心的追溯载体、编码规则及数据信息流转关联过程,结合动力锂离子电池的生产过程,进一步对整个生产过程中来料检验、计划管理、信息采集等关键过程操作进行分析,实现了生产过程中每个关键环节信息的采集、记录及追溯,能够通过原材料编号/在制品编号/电池编号等进行正向反向的追溯。

参考文献

1]孙正军,李劼,陈湘涛,邹忠. 电池行业物料管理及电池追溯系统研究[J]. 微计算机信息, 2009,25(6-3): 4-6.

2]凌翔, 白小波. 锂电池生产全流程物料跟踪追溯系统研究[J]. 电源技术, 2017, 1: 34-37.

3]中华人民共和国工业和信息化部. GB/T34014-2017汽车动力蓄电池编码规则[S].

4]余海军,谢英豪,张铜柱,李长东. 动力电池编码与电动汽车身份识别[J]. 电源技术, 2016, 1: 113-116.

5]黄瑞,赵春莲,明鑫,朱里. 电池管理系统测试平台设计与实现[J]. 自动化与仪表 2017, 32(1): 62-67.

6]李劼,吴免利,邹忠,肖昕,孙正军. 锂离子动力电池组智能检测系统设计与实现[J]. 电源技术, 2009, 10: 906-909.

作者简介:

张凌寒,男,198811月,机械工程硕士,工程师,主要研究领域为生产信息化系统及智能制造在锂电池生产领域的应用及实施。

稿件来源:锂电世界  
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