新能源汽车动力电池物流领域的探索和实践

卫强

一汽-大众汽车有限公司 吉林长春 130011

当前新能源汽车作为汽车产业发展方向的趋势愈发明显，我国坚持纯电驱动战略方向，新能源汽车产业发展取得了巨大成就，成为世界汽车产业发展转型的重要力量之一。2020 年10 月，国务院颁布的《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》（以下简称规划）提出了产业化目标：新能源汽车新车销售量达到汽车新车销售总量的20%左右。作为电动汽车三大关键零部件之一的动力电池系统产业尤为重要。

《规划》提出，推进智能化技术在新能源汽车研发设计、生产制造、仓储物流、经营管理及售后服务等关键环节的深度应用。那么对于一个整车及动力电池制造企业来说，在生产制造与仓储物流如何进行智能化技术应用，帮助企业提高生产效率降低生产成本已成为主要研究问题。

为了响应国家号召，帮助企业的动力电池生产管理方面转型升级，本文对一汽-大众的动力电池生产系统，开展了动力电池物流领域的探索和实践，提出了设计思路并落实。

电池生产是一个技术密集型行业，高技术要求、高精度设备与高生产环境要求已成为其制造特点，各个电池生产企业的生产自动化水平显著提高。但同时，现阶段大部分动力电池制造企业的生产物流管理还仍然停留在传统汽车生产物流状态，即人工匹配生产订单并制作计划、无法实时计算生产过程对物料消耗及人工对物料多次转运倒包上线的阶段。由于大部分生产数据未能在信息系统平台与物流共享匹配造成安全库存高企，且物流过程环节复杂，自动化程度低，不能实时且灵活地满足生产线需求。由此可见，传统汽车生产物流的管理现状和手段已不能适应未来的发展需要，并已成为制约电池制造能力和成本优化的瓶颈问题之一。

研究现状及趋势

动力电池的生产具有生产周期长、工序数量多、不同工序自动化差异化明显等特点，这些都为动力电池生产的现场管理带来了很大困难[1]。同时动力电池属于新兴产品，其零部件及生产工艺的技术迭代相比传统动力总成大幅增加。

目前国内外对动力电池生产物流体系的研究主要在以下几个方面：

（1）新能源装备制造的自动化与信息化 目前，国内动力电池的装配线多数存在手工操作、半自动化与手工记录过程数据现象，时效与效率严重影响电池制造效率与成本。白小波[2]提出引入自动化与信息化，实现可视化管理，来助推锂离子动力电池装备的转型升级。

（2）动力电池生产制造的执行系统开发 闫峰[3]等提出了完整的电池生产制造执行系统，实现了对电池各项数据的全面掌控，可以实现质量追溯、计划排产、质量管理、生产状态监控、生产过程跟踪、生产效益预测、生产异常记录、原材料管理、设备管理、员工管理以及报表打印等功能，使电池生产制造执行系统成为一个集工作流、数据流和控制流为一体的电池生产、管理及决策支持系统。

（3）动力电池生产系统仿真及优化研究 仝丽兵[4]将计算机仿真软件Anylogic成功运用于动力电池生产系统的仿真过程中，设计了一套动力电池生产系统的改进方案，并进行了仿真验证。对比于改进前，整个动力电池生产系统的生产线平衡率、产能及整体的流动性大大提高，证明了优化的优越性。

(4) 物料管理系统建模与仿真研究 为了对物料状态能进行实时跟踪，刘红艳[5]等针对航天企业车间物料管理落后的现状，提出基于制造执行系统的物料管理系统模型。

(5) 物流配送系统建模与仿真研究 于天齐[6]借助长春市某合资公司的生产车型的模拟仿真系统，研究了关于生产线同步化物流配送系统的方法，并应用Flexsim 仿真软件进行模拟研究生产系统仿真及优化研究。国外学者E.Jack.Chen等也用EM-Plant仿真软件针对一个化工企业的生产物流系统进行了仿真分析，用来确定该物流系统对这个生产系统的影响。

综上可以看出，一方面，国内外的学者对动力电池的生产系统化与智能化进行了研究，利用计算机仿真的方法对生产系统进行优化，越来越受到学者和企业的重视。另一方面，物流过程的建模与仿真分析也被应用于生产制造系统优化，以期能达到提高生产效率、降低生产成本的目的。但是对于新能源汽车动力电池全业务链的物流自动化方案设计，以及电池生产系统的数据与物流系统的共享平台搭建，仍处于较少涉猎范围，而且在物流方案规划初期对于整个新能源电池生产物流系统的模拟应用优化结果较少，动力电池在生产物流中的安全设计也并未一起考虑。因此，本文将借助一汽-大众企业的新能源汽车MEB动力电池项目，探索和实践新能源汽车动力电池物流领域的自动化与智能化升级。

MEB动力电池物流领域的解决方案内容

1.解决方案策略

电动汽车平台作为大众集团电动化战略最重要的平台，其产品设计及产能规划均为迭代型产品。其电池生产物流业务宜采用敏捷型策略，将适应大批量、少品种的传统动力总成链式物流设计理念，转化为能适应快速响应、快速迭代、小批量、多品种及高柔性的动力电池模块化物流设计理念，由大批量的生产组织模式向小批量生产组织模式转变，降低运营成本和投资风险。

现以佛山电池工厂为例，介绍在动力电池物流领域的相关探索和实践，主要分为如下四个方面：

1）开发生产物流系统，结合MES系统，打造动力电池准时化供应链。快速响应需求，开发电池MES与OTDS系统，打通从整车需求端到零件供应端的信息链路。借助统一生产物流系统，实现电池物流高流转，缩短生产及供应时间，降低资金占用与仓储成本。

2）重塑物流流程，消除物流中间环节与减少物流器具投入。通过大量高精度器具的采用，融合生产—物流系统，提升生产物流效率；采用小批量、多频次的资源投入方式，减少因技术迭代带来的损失；采用通用型、标准型的物流器具，增加供应链的柔性。

3）采用数字化仿真手段对物流方案进行动态模拟，挖掘系统负荷洼地，实现系统优化，降低成本。

4）根据电池安全特性，在运输、存储等物流过程中，需要考虑器具包装、卡车运输、库房存储条件等硬件设施的安全要求，并配备相应的管理制度及应急预案，满足安全要求。

2.打造生产物流系统环路，打通从整车需求端到零件供应端的信息链路

1）MES（生产制造执行管理）系统实时抓取整车计划自动排产，OTDS（订单时序与需求计算）系统精确控制物料。

为及时应对整车计划的变动和未来越来越多的定制化需求订单，开发MES（生产制造执行管理）系统自动实时抓取整车生产计划，并自动生成电池生产计划；应用OTDS（订单时序与需求计算）系统，根据自动生成的电池生产计划，自动计算物料需求并下达订单，实现精准供货来减少供应链存货；通过运输管理系统优化运输路线、提升卡车运输积载率，进一步降低运输成本（见图1）。

图1 实物流、信息流示意

2）结合MES系统开发自动要货系统，实现厂内零件按计划上线。通过MES系统实时传输在线订单信息，开发自动要货系统，计算零件的上线需求，由传统的看板拉动后补充上线改为按生产计划前补充推动上线，避免了机型切换产生的线旁库存冗余和换型损失（见图2）。同时，通过AGV与MES系统联动，实现AGV按计划自动将零件配送上线，减少人工成本。

图2 自动要货系统示意

3）准时化供货快速响应整车需求，实现电池库存最小化。通过系统抓取整车车序信息并传递至电池车间，提前排序备货，实现JIT准时供货，降低电池成品的库存（见图3）；应用RFID（射频识别技术）、自动化辊道等技术，实现电池下线和装卸车过程的自动化，减少人员投入。

图3 准时化供货方案示意

通过以上措施，打通从整车需求端到零件供应端的信息链路，全供应链数字化，实现从需求端到生产端、从生产端到供应端的信息透明，快速响应市场需求。

3.重塑物流流程，消除物流中间环节与减少物流器具投入

1）定义高精度自动上料器具，严控器具清洁度，融合生产—物流系统。

①定义高精度自动上料器具，完善管理方案。由于电池零件大体积、大质量的特性（如底护板尺寸超过1.7m，模组重量约50kg），为降低物流成本，提高效率，同时降低倒包装带来的质量风险，MEB电池工厂38%的器具采用了高精度自动上料器具（见图4）。

图4 调试中的佛山电池工厂自动上料器具

由于高精度自动上料器具与普通器具的精度差异性，在批量后的使用环节，器具的日常保养、维护、精度检测等也都需要重新进行管理标准和流程的定义（见表1和表2）。

表1 自动上料器具批量投产条件

表2 自动上料器具日常管理办法

② 严控器具清洁度，降低物流过程的质量损耗。电池零件焊接及装配过程有着较高的清洁度要求。以焊接件为例，为提高铝合金焊接性能，需要钝化处理，但钝化后的铝合金清洁度要求极高，且不能被皮肤接触。鉴于此，物流方案上取消倒包装环节，同时对零件物流的全过程、全要素进行清洁度控制分析，识别整个物流链中可能产生异物的环节。

在管理措施的基础上，更多的从技术角度来避免质量风险产生：如从零件包装器具的方案上，设置分离结构规避接触，实现物理隔绝；同时更换接触材质消除掉落污染；控制零件暴露时间及地点，降低污染风险等。管理与技术手段双管齐下，形成电池特有的器具清洁度控制手册，指导后续零件器具设计及制作。

2）分批资源投入，减少因技术迭代带来的损失。动力电池技术更新迭代迅速，在进行物流自动化、智能化升级时需要谨慎，可以考虑分批投入。在佛山电池工厂项目中，成本较高的总成器具和设备类资源都采用分阶段投入方式：即在项目一期中只投入模组上线AGV、总成下线设备、总成自动发运设备等满足生产必须的自动化设备，且设备选型中充分考虑了通用性的要求，若项目发生变化，设备还可以拆装改造给其他项目使用；而投资更大的总成立体库设备则考虑在未来的二期或者三期项目中再进行投入（见图5）。

图5 总成器具和物流设备分阶段投入计划

3）推动器具通用化，增加供应链柔性。电池零件体积形状各异，较大的如底护板、水冷板等，尺寸超过1.7m，较小的如螺栓，尺寸只有几毫米，且电池型号还有长短宽之分，同一种零件还有几种不同的尺寸序列，给包装器具设计带来诸多挑战。

为减少包装类型，推动器具通用化，针对KLT（小件）零件，全部采用VDA（德国汽车工业联合会）通用标准料箱。针对GLT（大件）零件，推动长短款零件器具通用设计和不同零件托盘车通用设计，最大限度减少器具投入数量，节约成本，增加供应链柔性（见图6）。

图6 器具通用方案

4.应用数字化仿真技术提高物流规划效率，降低成本

为满足客户需求，新车型投入的速度加快，每个项目的周期越来越短，为降低生产物流成本，人员、库房、设备等资源投入必须保持谨慎。传统的静态物流规划主要依靠规划员经验，效率低下、验证滞后，已经不能满足目前业务的需要。在佛山电池项目中，动力总成事业部充分应用Flexsim物流仿真技术进行项目规划，在一年之内就完成了过去两年才能完成的规划工作，并提前通过Flexsim仿真技术进行AGV的数量、设备负荷、道路热力分析等，挖掘系统的负荷洼地，为优化指明方向。

5.根据动力电池特性，针对性规划物流方案和安全设施

动力电池为第9类危险品，在运输、存储等物流过程中，需要充分考虑器具包装、卡车运输、库房存储条件等硬件设施的安全要求，同时需要配备相应的管理制度及应急预案，安全专业性要求较高。

在满足相关法律法规对于土建、消防等设施的要求基础上，物流方案规划与管理层面对电池安全管理也采取了相应的措施。

（1）严格限制电池及模组的堆垛规模 为保证电池的存储安全，将电池存储及运输指导作为物流规划前提输入，存储单元不超过75m2、存储单元间距大于2.5m、堆垛高度不超过1.6m的要求进行布局，在防火分区的基础上，对电池和模组进一步“隔离存储”。

（2）完善电池热成像监控手段，实现实时监控和自动报警 鉴于电池的特殊危险性，对于电池存储需要进行实时温度监控。佛山电池工厂设计了涵盖电池仓库及模组上线全过程的热成像监控系统（见图7），与报警系统联动，实时监控电池的温度，一旦温度超过设定阈值，立即产生声光报警。

图7 热成像监控系统方案

结语

由于汽车动力电池材料成本与制造费用高，大量的成品储备抑或中间库存，都将造成企业大量的资金占用，同时建立并保有大量成品储备还存在潜在消防风险。一汽-大众在新能源汽车电池物流领域探索的实践证明，依托IT系统及数字化产线实现准时化、精益化生产模式，既是未来动力电池工厂建设的现实需要，也可以取得积极的经济效益（见图8）。

图8 全供应链准时化成果