新能源汽車動(dòng)力電池物流領(lǐng)域的探索和實(shí)踐

衛(wèi)強(qiáng)

一汽-大眾汽車有限公司 吉林長春 130011

當(dāng)前新能源汽車作為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向的趨勢愈發(fā)明顯，我國堅(jiān)持純電驅(qū)動(dòng)戰(zhàn)略方向，新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展取得了巨大成就，成為世界汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展轉(zhuǎn)型的重要力量之一。2020 年10 月，國務(wù)院頒布的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》（以下簡稱規(guī)劃）提出了產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)：新能源汽車新車銷售量達(dá)到汽車新車銷售總量的20%左右。作為電動(dòng)汽車三大關(guān)鍵零部件之一的動(dòng)力電池系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)尤為重要。

《規(guī)劃》提出，推進(jìn)智能化技術(shù)在新能源汽車研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、倉儲(chǔ)物流、經(jīng)營管理及售后服務(wù)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的深度應(yīng)用。那么對(duì)于一個(gè)整車及動(dòng)力電池制造企業(yè)來說，在生產(chǎn)制造與倉儲(chǔ)物流如何進(jìn)行智能化技術(shù)應(yīng)用，幫助企業(yè)提高生產(chǎn)效率降低生產(chǎn)成本已成為主要研究問題。

為了響應(yīng)國家號(hào)召，幫助企業(yè)的動(dòng)力電池生產(chǎn)管理方面轉(zhuǎn)型升級(jí)，本文對(duì)一汽-大眾的動(dòng)力電池生產(chǎn)系統(tǒng)，開展了動(dòng)力電池物流領(lǐng)域的探索和實(shí)踐，提出了設(shè)計(jì)思路并落實(shí)。

電池生產(chǎn)是一個(gè)技術(shù)密集型行業(yè)，高技術(shù)要求、高精度設(shè)備與高生產(chǎn)環(huán)境要求已成為其制造特點(diǎn)，各個(gè)電池生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)自動(dòng)化水平顯著提高。但同時(shí)，現(xiàn)階段大部分動(dòng)力電池制造企業(yè)的生產(chǎn)物流管理還仍然停留在傳統(tǒng)汽車生產(chǎn)物流狀態(tài)，即人工匹配生產(chǎn)訂單并制作計(jì)劃、無法實(shí)時(shí)計(jì)算生產(chǎn)過程對(duì)物料消耗及人工對(duì)物料多次轉(zhuǎn)運(yùn)倒包上線的階段。由于大部分生產(chǎn)數(shù)據(jù)未能在信息系統(tǒng)平臺(tái)與物流共享匹配造成安全庫存高企，且物流過程環(huán)節(jié)復(fù)雜，自動(dòng)化程度低，不能實(shí)時(shí)且靈活地滿足生產(chǎn)線需求。由此可見，傳統(tǒng)汽車生產(chǎn)物流的管理現(xiàn)狀和手段已不能適應(yīng)未來的發(fā)展需要，并已成為制約電池制造能力和成本優(yōu)化的瓶頸問題之一。

研究現(xiàn)狀及趨勢

動(dòng)力電池的生產(chǎn)具有生產(chǎn)周期長、工序數(shù)量多、不同工序自動(dòng)化差異化明顯等特點(diǎn)，這些都為動(dòng)力電池生產(chǎn)的現(xiàn)場管理帶來了很大困難[1]。同時(shí)動(dòng)力電池屬于新興產(chǎn)品，其零部件及生產(chǎn)工藝的技術(shù)迭代相比傳統(tǒng)動(dòng)力總成大幅增加。

目前國內(nèi)外對(duì)動(dòng)力電池生產(chǎn)物流體系的研究主要在以下幾個(gè)方面：

（1）新能源裝備制造的自動(dòng)化與信息化 目前，國內(nèi)動(dòng)力電池的裝配線多數(shù)存在手工操作、半自動(dòng)化與手工記錄過程數(shù)據(jù)現(xiàn)象，時(shí)效與效率嚴(yán)重影響電池制造效率與成本。白小波[2]提出引入自動(dòng)化與信息化，實(shí)現(xiàn)可視化管理，來助推鋰離子動(dòng)力電池裝備的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

（2）動(dòng)力電池生產(chǎn)制造的執(zhí)行系統(tǒng)開發(fā) 閆峰[3]等提出了完整的電池生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池各項(xiàng)數(shù)據(jù)的全面掌控，可以實(shí)現(xiàn)質(zhì)量追溯、計(jì)劃排產(chǎn)、質(zhì)量管理、生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控、生產(chǎn)過程跟蹤、生產(chǎn)效益預(yù)測、生產(chǎn)異常記錄、原材料管理、設(shè)備管理、員工管理以及報(bào)表打印等功能，使電池生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)成為一個(gè)集工作流、數(shù)據(jù)流和控制流為一體的電池生產(chǎn)、管理及決策支持系統(tǒng)。

（3）動(dòng)力電池生產(chǎn)系統(tǒng)仿真及優(yōu)化研究 仝麗兵[4]將計(jì)算機(jī)仿真軟件Anylogic成功運(yùn)用于動(dòng)力電池生產(chǎn)系統(tǒng)的仿真過程中，設(shè)計(jì)了一套動(dòng)力電池生產(chǎn)系統(tǒng)的改進(jìn)方案，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。對(duì)比于改進(jìn)前，整個(gè)動(dòng)力電池生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)線平衡率、產(chǎn)能及整體的流動(dòng)性大大提高，證明了優(yōu)化的優(yōu)越性。

(4) 物料管理系統(tǒng)建模與仿真研究 為了對(duì)物料狀態(tài)能進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，劉紅艷[5]等針對(duì)航天企業(yè)車間物料管理落后的現(xiàn)狀，提出基于制造執(zhí)行系統(tǒng)的物料管理系統(tǒng)模型。

(5) 物流配送系統(tǒng)建模與仿真研究 于天齊[6]借助長春市某合資公司的生產(chǎn)車型的模擬仿真系統(tǒng)，研究了關(guān)于生產(chǎn)線同步化物流配送系統(tǒng)的方法，并應(yīng)用Flexsim 仿真軟件進(jìn)行模擬研究生產(chǎn)系統(tǒng)仿真及優(yōu)化研究。國外學(xué)者E.Jack.Chen等也用EM-Plant仿真軟件針對(duì)一個(gè)化工企業(yè)的生產(chǎn)物流系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，用來確定該物流系統(tǒng)對(duì)這個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的影響。

綜上可以看出，一方面，國內(nèi)外的學(xué)者對(duì)動(dòng)力電池的生產(chǎn)系統(tǒng)化與智能化進(jìn)行了研究，利用計(jì)算機(jī)仿真的方法對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，越來越受到學(xué)者和企業(yè)的重視。另一方面，物流過程的建模與仿真分析也被應(yīng)用于生產(chǎn)制造系統(tǒng)優(yōu)化，以期能達(dá)到提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的目的。但是對(duì)于新能源汽車動(dòng)力電池全業(yè)務(wù)鏈的物流自動(dòng)化方案設(shè)計(jì)，以及電池生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與物流系統(tǒng)的共享平臺(tái)搭建，仍處于較少涉獵范圍，而且在物流方案規(guī)劃初期對(duì)于整個(gè)新能源電池生產(chǎn)物流系統(tǒng)的模擬應(yīng)用優(yōu)化結(jié)果較少，動(dòng)力電池在生產(chǎn)物流中的安全設(shè)計(jì)也并未一起考慮。因此，本文將借助一汽-大眾企業(yè)的新能源汽車MEB動(dòng)力電池項(xiàng)目，探索和實(shí)踐新能源汽車動(dòng)力電池物流領(lǐng)域的自動(dòng)化與智能化升級(jí)。

MEB動(dòng)力電池物流領(lǐng)域的解決方案內(nèi)容

1.解決方案策略

電動(dòng)汽車平臺(tái)作為大眾集團(tuán)電動(dòng)化戰(zhàn)略最重要的平臺(tái)，其產(chǎn)品設(shè)計(jì)及產(chǎn)能規(guī)劃均為迭代型產(chǎn)品。其電池生產(chǎn)物流業(yè)務(wù)宜采用敏捷型策略，將適應(yīng)大批量、少品種的傳統(tǒng)動(dòng)力總成鏈?zhǔn)轿锪髟O(shè)計(jì)理念，轉(zhuǎn)化為能適應(yīng)快速響應(yīng)、快速迭代、小批量、多品種及高柔性的動(dòng)力電池模塊化物流設(shè)計(jì)理念，由大批量的生產(chǎn)組織模式向小批量生產(chǎn)組織模式轉(zhuǎn)變，降低運(yùn)營成本和投資風(fēng)險(xiǎn)。

現(xiàn)以佛山電池工廠為例，介紹在動(dòng)力電池物流領(lǐng)域的相關(guān)探索和實(shí)踐，主要分為如下四個(gè)方面：

1）開發(fā)生產(chǎn)物流系統(tǒng)，結(jié)合MES系統(tǒng)，打造動(dòng)力電池準(zhǔn)時(shí)化供應(yīng)鏈?？焖夙憫?yīng)需求，開發(fā)電池MES與OTDS系統(tǒng)，打通從整車需求端到零件供應(yīng)端的信息鏈路。借助統(tǒng)一生產(chǎn)物流系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電池物流高流轉(zhuǎn)，縮短生產(chǎn)及供應(yīng)時(shí)間，降低資金占用與倉儲(chǔ)成本。

2）重塑物流流程，消除物流中間環(huán)節(jié)與減少物流器具投入。通過大量高精度器具的采用，融合生產(chǎn)—物流系統(tǒng)，提升生產(chǎn)物流效率；采用小批量、多頻次的資源投入方式，減少因技術(shù)迭代帶來的損失；采用通用型、標(biāo)準(zhǔn)型的物流器具，增加供應(yīng)鏈的柔性。

3）采用數(shù)字化仿真手段對(duì)物流方案進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，挖掘系統(tǒng)負(fù)荷洼地，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化，降低成本。

4）根據(jù)電池安全特性，在運(yùn)輸、存儲(chǔ)等物流過程中，需要考慮器具包裝、卡車運(yùn)輸、庫房存儲(chǔ)條件等硬件設(shè)施的安全要求，并配備相應(yīng)的管理制度及應(yīng)急預(yù)案，滿足安全要求。

2.打造生產(chǎn)物流系統(tǒng)環(huán)路，打通從整車需求端到零件供應(yīng)端的信息鏈路

1）MES（生產(chǎn)制造執(zhí)行管理）系統(tǒng)實(shí)時(shí)抓取整車計(jì)劃自動(dòng)排產(chǎn)，OTDS（訂單時(shí)序與需求計(jì)算）系統(tǒng)精確控制物料。

為及時(shí)應(yīng)對(duì)整車計(jì)劃的變動(dòng)和未來越來越多的定制化需求訂單，開發(fā)MES（生產(chǎn)制造執(zhí)行管理）系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)時(shí)抓取整車生產(chǎn)計(jì)劃，并自動(dòng)生成電池生產(chǎn)計(jì)劃；應(yīng)用OTDS（訂單時(shí)序與需求計(jì)算）系統(tǒng)，根據(jù)自動(dòng)生成的電池生產(chǎn)計(jì)劃，自動(dòng)計(jì)算物料需求并下達(dá)訂單，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)供貨來減少供應(yīng)鏈存貨；通過運(yùn)輸管理系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)輸路線、提升卡車運(yùn)輸積載率，進(jìn)一步降低運(yùn)輸成本（見圖1）。

圖1 實(shí)物流、信息流示意

2）結(jié)合MES系統(tǒng)開發(fā)自動(dòng)要貨系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)廠內(nèi)零件按計(jì)劃上線。通過MES系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸在線訂單信息，開發(fā)自動(dòng)要貨系統(tǒng)，計(jì)算零件的上線需求，由傳統(tǒng)的看板拉動(dòng)后補(bǔ)充上線改為按生產(chǎn)計(jì)劃前補(bǔ)充推動(dòng)上線，避免了機(jī)型切換產(chǎn)生的線旁庫存冗余和換型損失（見圖2）。同時(shí)，通過AGV與MES系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)AGV按計(jì)劃自動(dòng)將零件配送上線，減少人工成本。

圖2 自動(dòng)要貨系統(tǒng)示意

3）準(zhǔn)時(shí)化供貨快速響應(yīng)整車需求，實(shí)現(xiàn)電池庫存最小化。通過系統(tǒng)抓取整車車序信息并傳遞至電池車間，提前排序備貨，實(shí)現(xiàn)JIT準(zhǔn)時(shí)供貨，降低電池成品的庫存（見圖3）；應(yīng)用RFID（射頻識(shí)別技術(shù)）、自動(dòng)化輥道等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電池下線和裝卸車過程的自動(dòng)化，減少人員投入。

圖3 準(zhǔn)時(shí)化供貨方案示意

通過以上措施，打通從整車需求端到零件供應(yīng)端的信息鏈路，全供應(yīng)鏈數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)從需求端到生產(chǎn)端、從生產(chǎn)端到供應(yīng)端的信息透明，快速響應(yīng)市場需求。

3.重塑物流流程，消除物流中間環(huán)節(jié)與減少物流器具投入

1）定義高精度自動(dòng)上料器具，嚴(yán)控器具清潔度，融合生產(chǎn)—物流系統(tǒng)。

①定義高精度自動(dòng)上料器具，完善管理方案。由于電池零件大體積、大質(zhì)量的特性（如底護(hù)板尺寸超過1.7m，模組重量約50kg），為降低物流成本，提高效率，同時(shí)降低倒包裝帶來的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，MEB電池工廠38%的器具采用了高精度自動(dòng)上料器具（見圖4）。

圖4 調(diào)試中的佛山電池工廠自動(dòng)上料器具

由于高精度自動(dòng)上料器具與普通器具的精度差異性，在批量后的使用環(huán)節(jié)，器具的日常保養(yǎng)、維護(hù)、精度檢測等也都需要重新進(jìn)行管理標(biāo)準(zhǔn)和流程的定義（見表1和表2）。

表1 自動(dòng)上料器具批量投產(chǎn)條件

表2 自動(dòng)上料器具日常管理辦法

② 嚴(yán)控器具清潔度，降低物流過程的質(zhì)量損耗。電池零件焊接及裝配過程有著較高的清潔度要求。以焊接件為例，為提高鋁合金焊接性能，需要鈍化處理，但鈍化后的鋁合金清潔度要求極高，且不能被皮膚接觸。鑒于此，物流方案上取消倒包裝環(huán)節(jié)，同時(shí)對(duì)零件物流的全過程、全要素進(jìn)行清潔度控制分析，識(shí)別整個(gè)物流鏈中可能產(chǎn)生異物的環(huán)節(jié)。

在管理措施的基礎(chǔ)上，更多的從技術(shù)角度來避免質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生：如從零件包裝器具的方案上，設(shè)置分離結(jié)構(gòu)規(guī)避接觸，實(shí)現(xiàn)物理隔絕；同時(shí)更換接觸材質(zhì)消除掉落污染；控制零件暴露時(shí)間及地點(diǎn)，降低污染風(fēng)險(xiǎn)等。管理與技術(shù)手段雙管齊下，形成電池特有的器具清潔度控制手冊，指導(dǎo)后續(xù)零件器具設(shè)計(jì)及制作。

2）分批資源投入，減少因技術(shù)迭代帶來的損失。動(dòng)力電池技術(shù)更新迭代迅速，在進(jìn)行物流自動(dòng)化、智能化升級(jí)時(shí)需要謹(jǐn)慎，可以考慮分批投入。在佛山電池工廠項(xiàng)目中，成本較高的總成器具和設(shè)備類資源都采用分階段投入方式：即在項(xiàng)目一期中只投入模組上線AGV、總成下線設(shè)備、總成自動(dòng)發(fā)運(yùn)設(shè)備等滿足生產(chǎn)必須的自動(dòng)化設(shè)備，且設(shè)備選型中充分考慮了通用性的要求，若項(xiàng)目發(fā)生變化，設(shè)備還可以拆裝改造給其他項(xiàng)目使用；而投資更大的總成立體庫設(shè)備則考慮在未來的二期或者三期項(xiàng)目中再進(jìn)行投入（見圖5）。

圖5 總成器具和物流設(shè)備分階段投入計(jì)劃

3）推動(dòng)器具通用化，增加供應(yīng)鏈柔性。電池零件體積形狀各異，較大的如底護(hù)板、水冷板等，尺寸超過1.7m，較小的如螺栓，尺寸只有幾毫米，且電池型號(hào)還有長短寬之分，同一種零件還有幾種不同的尺寸序列，給包裝器具設(shè)計(jì)帶來諸多挑戰(zhàn)。

為減少包裝類型，推動(dòng)器具通用化，針對(duì)KLT（小件）零件，全部采用VDA（德國汽車工業(yè)聯(lián)合會(huì)）通用標(biāo)準(zhǔn)料箱。針對(duì)GLT（大件）零件，推動(dòng)長短款零件器具通用設(shè)計(jì)和不同零件托盤車通用設(shè)計(jì)，最大限度減少器具投入數(shù)量，節(jié)約成本，增加供應(yīng)鏈柔性（見圖6）。

圖6 器具通用方案

4.應(yīng)用數(shù)字化仿真技術(shù)提高物流規(guī)劃效率，降低成本

為滿足客戶需求，新車型投入的速度加快，每個(gè)項(xiàng)目的周期越來越短，為降低生產(chǎn)物流成本，人員、庫房、設(shè)備等資源投入必須保持謹(jǐn)慎。傳統(tǒng)的靜態(tài)物流規(guī)劃主要依靠規(guī)劃員經(jīng)驗(yàn)，效率低下、驗(yàn)證滯后，已經(jīng)不能滿足目前業(yè)務(wù)的需要。在佛山電池項(xiàng)目中，動(dòng)力總成事業(yè)部充分應(yīng)用Flexsim物流仿真技術(shù)進(jìn)行項(xiàng)目規(guī)劃，在一年之內(nèi)就完成了過去兩年才能完成的規(guī)劃工作，并提前通過Flexsim仿真技術(shù)進(jìn)行AGV的數(shù)量、設(shè)備負(fù)荷、道路熱力分析等，挖掘系統(tǒng)的負(fù)荷洼地，為優(yōu)化指明方向。

5.根據(jù)動(dòng)力電池特性，針對(duì)性規(guī)劃物流方案和安全設(shè)施

動(dòng)力電池為第9類危險(xiǎn)品，在運(yùn)輸、存儲(chǔ)等物流過程中，需要充分考慮器具包裝、卡車運(yùn)輸、庫房存儲(chǔ)條件等硬件設(shè)施的安全要求，同時(shí)需要配備相應(yīng)的管理制度及應(yīng)急預(yù)案，安全專業(yè)性要求較高。

在滿足相關(guān)法律法規(guī)對(duì)于土建、消防等設(shè)施的要求基礎(chǔ)上，物流方案規(guī)劃與管理層面對(duì)電池安全管理也采取了相應(yīng)的措施。

（1）嚴(yán)格限制電池及模組的堆垛規(guī)模 為保證電池的存儲(chǔ)安全，將電池存儲(chǔ)及運(yùn)輸指導(dǎo)作為物流規(guī)劃前提輸入，存儲(chǔ)單元不超過75m2、存儲(chǔ)單元間距大于2.5m、堆垛高度不超過1.6m的要求進(jìn)行布局，在防火分區(qū)的基礎(chǔ)上，對(duì)電池和模組進(jìn)一步“隔離存儲(chǔ)”。

（2）完善電池?zé)岢上癖O(jiān)控手段，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和自動(dòng)報(bào)警 鑒于電池的特殊危險(xiǎn)性，對(duì)于電池存儲(chǔ)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控。佛山電池工廠設(shè)計(jì)了涵蓋電池倉庫及模組上線全過程的熱成像監(jiān)控系統(tǒng)（見圖7），與報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控電池的溫度，一旦溫度超過設(shè)定閾值，立即產(chǎn)生聲光報(bào)警。

圖7 熱成像監(jiān)控系統(tǒng)方案

結(jié)語

由于汽車動(dòng)力電池材料成本與制造費(fèi)用高，大量的成品儲(chǔ)備抑或中間庫存，都將造成企業(yè)大量的資金占用，同時(shí)建立并保有大量成品儲(chǔ)備還存在潛在消防風(fēng)險(xiǎn)。一汽-大眾在新能源汽車電池物流領(lǐng)域探索的實(shí)踐證明，依托IT系統(tǒng)及數(shù)字化產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)化、精益化生產(chǎn)模式，既是未來動(dòng)力電池工廠建設(shè)的現(xiàn)實(shí)需要，也可以取得積極的經(jīng)濟(jì)效益（見圖8）。

圖8 全供應(yīng)鏈準(zhǔn)時(shí)化成果