圖1.在面對不確定的市場壓力時，數(shù)字化是電池行業(yè)持續(xù)增長的關(guān)鍵。來源：西門子
在過去幾年里，全球的電池行業(yè)呈現(xiàn)出迅猛的發(fā)展態(tài)勢。這一增長不僅得益于電動汽車市場的強勁需求，同時也關(guān)乎政府激勵電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新而實施的種種利好政策和舉措。在快速更迭的市場環(huán)境下，整個電池價值鏈面臨著全新挑戰(zhàn)。目前，電池產(chǎn)能已經(jīng)超過了全球電動汽車的市場需求，電池儲能系統(tǒng)（Battery Energy Storage System, BESS）的產(chǎn)能也在急劇上漲，預(yù)計到2030年其規(guī)模將增長5倍之多。
面對快速演進的市場格局，企業(yè)必須積極創(chuàng)新，推動新電池技術(shù)的商業(yè)化落地。與此同時，在電芯價格走低以及全球電動汽車需求波動不定的形勢下，還要確保盈利水平。專注于數(shù)字化轉(zhuǎn)型對于實現(xiàn)可持續(xù)增長至關(guān)重要，其不僅能夠助力企業(yè)提前識別風(fēng)險，還可以通過從設(shè)計到制造的仿真技術(shù)以及強大的數(shù)字連接，加快產(chǎn)品的入市速度。
數(shù)據(jù)驅(qū)動制造
暫時的產(chǎn)能過剩使得制造成本在短期內(nèi)成為成功的關(guān)鍵驅(qū)動因素——可占電芯總成本的四分之一，而高廢品率是這其中的主要問題。對于初次進行大規(guī)模生產(chǎn)的企業(yè)而言，廢品率可能高達40%甚至更高；而穩(wěn)定的大規(guī)模制造商的廢品率也達到了10%-15%。將廢品率降低幾個百分點，就意味著大規(guī)模電池制造商可以節(jié)省數(shù)十億甚至百億人民幣成本。
在不斷變化的電池市場中，企業(yè)需要采用以數(shù)據(jù)驅(qū)動的制造模式，以便收集和關(guān)聯(lián)機器與工廠的數(shù)據(jù)，并提取電池行業(yè)專屬的智能洞察，識別并解決影響廢品率和制造質(zhì)量的問題。仿真技術(shù)為制造環(huán)節(jié)之間的相互協(xié)作提供指引。IT/OT融合為生產(chǎn)過程提供執(zhí)行層面的深刻洞察，同時支持跨車間的數(shù)據(jù)收集和關(guān)聯(lián)。當(dāng)與針對電池的特定數(shù)據(jù)分析以及AI/ML相結(jié)合時，可以在電池生產(chǎn)和老化之前快速識別有缺陷的電芯。這種快速解決問題的方式不僅有助于降低機會成本，還能優(yōu)化更廣泛的制造流程。通過關(guān)聯(lián)不同問題并加以解決，制造過程中的問題得以有效處理。
大規(guī)模電池制造企業(yè)可以從試點階段開始采用這一方法，以驗證并優(yōu)化生產(chǎn)流程。這將顯著縮短生產(chǎn)規(guī)模化的時間，并降低資本投資的風(fēng)險。
圖2.理解車間情況并不需要總是實地去到車間。數(shù)字化技術(shù)能夠幫助工程師遠程發(fā)現(xiàn)問題。來源：Getty Images
電池技術(shù)的新進展
鈉離子化學(xué)技術(shù)和固態(tài)電池架構(gòu)這樣的新技術(shù)亦能重塑電池行業(yè)。鈉離子電池化學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展已經(jīng)使該技術(shù)在中國進入早期商業(yè)化階段，適合續(xù)航里程短的小型城市車輛。汽車制造商如豐田、本田，以及如Quantumscape這樣的固態(tài)電池生產(chǎn)商也宣布了令人矚目的技術(shù)進展與規(guī)模化生產(chǎn)計劃。此外，新的電芯直接集成到電池包設(shè)計(Cell-to-Pack)和電芯直接集成到底盤(Cell-to-Chassis)技術(shù)將成為提升電池能量密度的關(guān)鍵。通過全面的仿真和AI模型構(gòu)建的數(shù)字孿生技術(shù)，可以幫助企業(yè)評估眾多此類概念并加速創(chuàng)新進程。
技術(shù)創(chuàng)新同樣需要新的制造工藝，例如干電極制造技術(shù)。為了確保這些制造工藝的高質(zhì)量和成本效益，新的機器和生產(chǎn)流程必不可少。這需要材料開發(fā)商、設(shè)備制造商和制造專家之間展開緊密協(xié)作。機器的數(shù)字孿生技術(shù)以及隨后的虛擬調(diào)試，可以加速自動化控制的開發(fā)和驗證并與這些新機器的數(shù)字孿生進行對比。此外，生產(chǎn)工廠的數(shù)字孿生技術(shù)能夠讓企業(yè)測試、優(yōu)化和驗證各種機器的功能并最大化提高生產(chǎn)效率。
電池儲能系統(tǒng)的崛起
全球?qū)﹄姵貎δ艿男枨笳诳焖僭鲩L，這種增長源于全球范圍內(nèi)推動電網(wǎng)脫碳的可持續(xù)發(fā)展倡議。在未來幾年，耗電量巨大的AI訓(xùn)練和數(shù)據(jù)中心也可能成為電池儲能需求快速增長的驅(qū)動力。
圖3-現(xiàn)場電池儲能將在全球企業(yè)的脫碳戰(zhàn)略中發(fā)揮重要作用。來源：西門子
然而，BESS與電動汽車電池有顯著不同，帶來了一系列獨特的挑戰(zhàn)。例如，一個1吉瓦時的BESS可能包含700萬到900萬個零部件，其中電芯數(shù)量達100萬到150萬個。這對供應(yīng)商協(xié)作、物料清單(BOM)管理、庫存管理和維護服務(wù)帶來巨大的挑戰(zhàn)。此外，BESS預(yù)期的使用壽命通常為20至25年。
這就要求電池設(shè)計與制造、熱管理策略以及電池管理系統(tǒng)的穩(wěn)定性方面遵循嚴格的質(zhì)量要求。企業(yè)需要關(guān)注這些系統(tǒng)的模塊化設(shè)計，以實現(xiàn)可擴展性。采用數(shù)字化解決方案進行工程設(shè)計、制造和售后服務(wù)的企業(yè)將在滿足日益增長的需求的同時，確保BESS的安全性和可靠性。
契合電池護照考核標(biāo)準(zhǔn)
歐盟監(jiān)管機構(gòu)規(guī)定，到2027年2月，任何用于工業(yè)或電動汽車應(yīng)用且容量超過2kWh的電池必須配備數(shù)字電池護照。中國也在穩(wěn)步推進電池護照的體系建設(shè)。2024年4月，中國電池工業(yè)協(xié)會聯(lián)合寧德時代等單位共同發(fā)布了《中國電池數(shù)字護照體系白皮書》。
電池護照的要求為電池價值鏈的各個環(huán)節(jié)，從原材料到成品，引入全新的報告標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)化對于滿足電池護照的數(shù)據(jù)要求以及追蹤電池在檢查、維護或轉(zhuǎn)移給其他方時的歷史記錄至關(guān)重要。要高效地實現(xiàn)這一切，并確保知識產(chǎn)權(quán)不受威脅，需要一個強大且安全的數(shù)字化平臺以及可靠的合作伙伴。
過去十年間，電池行業(yè)的發(fā)展為市場帶來了機遇與創(chuàng)新，但要實現(xiàn)持續(xù)增長，企業(yè)需要變革其工程設(shè)計和制造方式。隨著電池儲能系統(tǒng)的新需求激增、電動汽車需求的不斷攀升、電池價格的快速下降以及新電池技術(shù)的不斷突破，取得成功的關(guān)鍵在于通過全面的數(shù)字孿生技術(shù)、IT/OT融合、數(shù)據(jù)分析以及生成式AI實現(xiàn)可持續(xù)的運營，投資研發(fā)創(chuàng)新的電芯化學(xué)技術(shù)和更新的電池架構(gòu)，尋求多元化的應(yīng)用。
（作者Puneet Sinha系西門子數(shù)字化工業(yè)軟件高級總監(jiān)兼電池行業(yè)全球負責(zé)人）
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