2016年我國新能源汽車產(chǎn)銷51.7萬輛和50.7萬輛，連續(xù)兩年產(chǎn)銷量居世界第一。中國汽車工業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)顯示，2017年上半年，我國新能源汽車產(chǎn)銷21.2萬輛和19.5萬輛，同比增長19.7％和14.4％。

自2014年起，我國動力電池產(chǎn)業(yè)增長率分別為368％、324％、78.6％，在整個“十三五”期間動力鋰電池行業(yè)將繼續(xù)保持爆發(fā)式增長的態(tài)勢。

動力鋰電池行業(yè)是一個技術密集型產(chǎn)業(yè)，動力鋰電池生產(chǎn)的設備、材料及工藝等均處在向高速度、高精度、自動化及智能化的快速迭代過程中。但隨著行業(yè)整體規(guī)模的爆炸式擴展，行業(yè)中大部分的企業(yè)生產(chǎn)過程管理還仍然停留在人工方式記錄生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)、質量數(shù)據(jù)、物料批次數(shù)據(jù)和局部信息共享階段^[1]。由于大部分數(shù)據(jù)均屬于人工記錄，或單獨的保存在個別獨立的設備/系統(tǒng)中，在發(fā)生質量問題或其它異常時，無法在第一時間充分利用已有的數(shù)據(jù)與記錄進行正確、合理的處理，也不能及時的追溯到具體的物料信息、工藝參數(shù)及責任人員^[2]。

2016年三星Note 7手機因鋰電池問題頻繁發(fā)生爆炸、自燃，最終造成306萬部手機的召回，得益于手機產(chǎn)業(yè)追溯系統(tǒng)的完善，龐大數(shù)量的問題收集才能夠被召回。如果同樣的問題發(fā)生在某款車用的動力鋰離子電池上，事故后續(xù)召回、處理工作的難度、人員、資金及時間的投入將不可估量。同時隨著動力鋰電池的爆發(fā)式增長，如不能夠建立完善的電池追溯系統(tǒng)，動力鋰離子電池生命周期末端的回收及梯級利用工作將難以開展。

1  研究現(xiàn)狀及趨勢

目前國內外在化工、制藥、食品、汽車及3C數(shù)碼等成熟產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)信息追溯系統(tǒng)已經(jīng)得到廣泛應用和普及，行業(yè)和國家也出臺了明確的規(guī)范與法規(guī)制度。但是在動力鋰離子電池行業(yè)，國家僅頒布了GB/T 34014-2017《汽車動力蓄電池編碼規(guī)則》^[3]，該國標于2018年2月1日開始實施，同時在2015年出臺的《汽車動力蓄電池行業(yè)規(guī)范條件》等行業(yè)準入制度中，也僅是要求企業(yè)應建立從原材料、部件到成品出廠完整的檢驗和可追溯體系，實施計算機信息化生產(chǎn)管理，建立生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)庫。

目前電池行業(yè)管理系統(tǒng)主要目標是電池檢測和分析,都是針對采集、通訊、電量估側、監(jiān)控診斷和分析等方面信息處理；針對電源模塊、系統(tǒng)Pack方面已經(jīng)有較為完善的追溯管理方案；還沒有一個針對復雜生產(chǎn)流程中物料的管理到電池歷史數(shù)據(jù)追溯的綜合管理平臺[4-6]。

2　追溯系統(tǒng)設計

2.1　生產(chǎn)工藝流程

鋰離子電池是典型的離散型和流程型相結合的生產(chǎn)過程，整個制造過程主要包括合漿、涂布、輥壓、分切、制片、疊片（卷繞）、裝配、干燥、注液、化成分選。合漿工序，在制品以漿料形式存在，涂布/輥壓/分切/制片工序的在制品以極卷形式存在，疊片（卷繞）的在制品以裸電芯形式存在，裝配/干燥/注液/化成分選工序的在制品以最終電池的的形式存在。由于各個工序的在制品形態(tài)不一，且有變化，因此目前僅在注液、化成分選等個別工序內部實現(xiàn)了生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)信息采集及查詢，其它工序的數(shù)據(jù)基本都通過人工方式記錄生產(chǎn)和質量數(shù)據(jù)，大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)未錄入電腦，出現(xiàn)異常、客訴等情況時，各部門根據(jù)工單號、生產(chǎn)批號或電池的紙質條碼查詢數(shù)據(jù)，花費大量人力及時間，而且當生產(chǎn)發(fā)生實時事件時，不能及時做出反應、報告，并用當前的準確生產(chǎn)數(shù)據(jù)對它們進行指導和處理。

2.2　追溯載體

由于鋰離子電池前工序屬離散型生產(chǎn)、后工序屬流程型生產(chǎn)，且在制品分別以液態(tài)漿料、極卷、裸電芯及電池四種狀態(tài)存在，因此需要根據(jù)各工序的實際情況確定合適的追溯載體，確定追溯的最小單元，以便于記錄、區(qū)分不同工序的在制品，各工序間通過追溯載體的逐級關聯(lián)，實現(xiàn)整個生產(chǎn)過程的追溯。

表1　各工序追溯載體

Table1　The tracing carrier of each process

合漿工序在制品漿料為液態(tài)，需采用漿料條碼進行追溯，條碼可通過合漿設備直接發(fā)送至涂布設備，也可由合漿設備打印漿料條碼粘貼在周轉桶上。

涂布/輥壓/分切/制片工序在制品為極卷，由設備打印在制品標簽并粘貼在極卷上跟隨極卷進行流轉。

疊片（卷繞）工序在制品為裸電芯，由于電芯的特殊性，需要在電芯上粘貼預先印有條碼的膠帶進行追溯。

裝配/干燥/注液/化成分選工序在制品形態(tài)為電池可直接采用電池殼體上的二維碼進行追溯（塑殼、金屬殼電池為激光刻印二維碼，軟包電池為噴墨打印二維碼）。

2.3　編碼規(guī)則設計

編碼規(guī)則是追溯系統(tǒng)的核心，關系到整個系統(tǒng)的底層邏輯，編碼規(guī)則包括原材料編碼、在制品編碼、電池編碼三部分。

（1）原材料編碼

原材料編碼能夠識別物料及相應批次信息即可，由于不同物料供應商采用的批次編碼規(guī)則不一致，因此應對原材料編碼進行統(tǒng)一規(guī)定。

原材料編碼采用“ERP料號+供應商代碼+生成日期+批次流水號”，采用這種編碼方式通過編碼即可直接識別物料料號、供應商、生成日期即批次，在掃碼時直接通過編碼即可進行BOM校驗，判別物料是否在保質期內，而且解決了部分物料料號相同但供應商不同的實際問題。

（2）在制品編碼

在制品編碼包含漿料編碼、極卷編碼規(guī)則、電芯條碼規(guī)則，考慮通用性漿料編碼與極卷編碼共用一套編碼規(guī)則，電芯條碼單獨制定一套編碼規(guī)則。

a）漿料/極卷在制品編碼規(guī)則

為便于追溯在制品，漿料/極卷在制品編碼規(guī)則為“設備號+特殊代碼+型號+生產(chǎn)日期+流水”，在每個工序，工藝設備都會根據(jù)此規(guī)則重新生成在制品編碼，其中設備號為產(chǎn)出該在制品的工藝設備編號，特殊代號是用于對在制品做特殊標記，型號為漿料對應的配方號或極卷對應的電池型號。

b）電芯條碼編碼規(guī)則

由于電芯的特殊性，需要在電芯上粘貼帶有電芯條碼的膠帶，考慮便于生產(chǎn)管理及操作，電芯條碼的編碼規(guī)則為“打碼機臺號+打碼日期+膠帶卷號流水+編號流水”，在電芯條碼中不體現(xiàn)任何電池信息，體現(xiàn)的為膠帶相關信息，通過唯一的編號來標識電芯，生產(chǎn)過程中需先掃碼，后進行疊片/卷繞操作。

（3）電池編碼

國標GB/T 34014-2017《汽車動力蓄電池編碼規(guī)則》中規(guī)定了電池變化，并規(guī)定于2018年2月1日開始實施，但是目前動力鋰離子電池企業(yè)內部普遍有另外一套自行規(guī)定的編碼規(guī)則，由于已有的工藝設備/系統(tǒng)改造成本高、難度大，因此可以預見未來必定會出現(xiàn)國標編碼與內部編碼通用的情況，需要在追溯系統(tǒng)中做必要的關聯(lián)。

目前電池廠商內部的編碼規(guī)則一般為“型號代碼+生產(chǎn)日期+工廠代碼+產(chǎn)線代碼+流水號”。

2.4　數(shù)據(jù)信息流設計

追溯系統(tǒng)需要從原材料入廠檢驗開始記錄相關信息，根據(jù)生產(chǎn)工藝流程記錄各工序物料信息、工藝參數(shù)、設備參數(shù)及人員信息等數(shù)據(jù)，依照工藝流程，通過各工序投入物料的編碼及產(chǎn)出物料的編碼層層關聯(lián)，實現(xiàn)從原材料檢驗入庫到最終成品入庫的全過程信息追溯。

圖1 追溯數(shù)據(jù)信息流

Fig1 Tracing flow of production information

如圖1所示的追溯數(shù)據(jù)信息流所示，整個追溯系統(tǒng)核心是各個原材料批次號、在制品編號及成品編號的層層關聯(lián)關系，其關聯(lián)的路徑依賴于預設的工藝流程，每個編號關聯(lián)了上一層的編號也關聯(lián)了下一層的編號，同時在本層級又關聯(lián)了相關的工單信息、設備信息、人員信息、工藝參數(shù)、環(huán)境信息、檢驗信息等數(shù)據(jù)，也即通俗意義上所說的人機料法環(huán)測信息。

通過在制品編號與上下游工序產(chǎn)出的在制品編號關聯(lián)，實現(xiàn)了前后工序的關聯(lián)記錄，進而實現(xiàn)了整個從原材料入廠到成品入庫整個生產(chǎn)經(jīng)營環(huán)節(jié)的信息記錄與追溯。

在原材料入廠檢驗環(huán)節(jié)，質檢員依原材料批次號進行檢驗，將檢驗過程、結果數(shù)據(jù)記錄在質量管理系統(tǒng)中；在合漿工序，進行投料時一方面通過掃描批次編號記錄投料信息，另一方面追溯系統(tǒng)也可根據(jù)原材料批次號調取質量系統(tǒng)檢驗結果、生產(chǎn)日期等信息，對原材料質量狀態(tài)進行校驗，同時能夠根據(jù)原材料批次號對該原材料是否投入正確的設備進行必要的判斷和校驗。

合漿工序生產(chǎn)時，追溯系統(tǒng)記錄投入的物料信息、產(chǎn)出的漿料編號，設備參數(shù)、工藝參數(shù)、質檢信息及操作人員信息等，這些信息一方面通過與工藝設備做對接，直接從設備中采集，另一方面由人工在系統(tǒng)中直接錄入和記錄，如每釜漿料人工檢測的粘度、固含量信息。

其它工序的信息采集方式及作業(yè)模式與上述合漿工序類似，投料時通過掃描原材料批次號/在制品編號，記錄投料信息，同時通過與質量管理系統(tǒng)對接、BOM及工藝流程比對，判定是否存在錯誤。生產(chǎn)過程中通過直接與設備對接獲取，及人工錄入兩種方式相結合實現(xiàn)該工序的“人機料法環(huán)測”信息采集與記錄。

因此除圖1展示的追溯數(shù)據(jù)信息流以外，在系統(tǒng)的基礎數(shù)據(jù)中需要維護和完善產(chǎn)品BOM、工藝流程及各工序參數(shù)信息，供追溯系統(tǒng)在運轉時進行必要的邏輯判斷及對比，同時工藝流程的維護也需要具備足夠的靈活性，以便滿足產(chǎn)品換型工藝優(yōu)化調整的需求。同時由于工藝流程的可維護及可配置性，在完成與工藝設備對接及界面調整后，圖1所示的追溯數(shù)據(jù)信息流可采用相同的思路繼續(xù)向更下游的模塊組裝及Pack組裝進行擴展，實現(xiàn)從原材料到電池、電池到模塊、模塊到Pack，以至于Pack到新能源汽車的完整追溯。

3　追溯系統(tǒng)的實際應用

從第2節(jié)所述的追溯信息流程可知，追溯系統(tǒng)必須具備的四大功能模塊為：追溯模塊（記錄、存儲及展示追溯信息）、質量模塊（進行質量管理或與已有的質量系統(tǒng)對接）、基礎數(shù)據(jù)模塊（維護、完善BOM、工藝流程等基礎信息）、計劃管理模塊（與ERP對接生產(chǎn)計劃，進行生產(chǎn)計劃統(tǒng)計，將計劃與產(chǎn)品編號關聯(lián)追溯產(chǎn)品最終去向）。因此追溯系統(tǒng)從功能模塊上與MES系統(tǒng)在功能上有相當大比例的重合，目前電池行業(yè)實施的追溯系統(tǒng)一般也即MES系統(tǒng)，其功能模塊涵蓋了生產(chǎn)計劃、信息追溯、質量管理、設備管理、報表統(tǒng)計、看板展示、工藝管理及基礎數(shù)據(jù)等功能模塊。

在追溯系統(tǒng)的實際應用中MES系統(tǒng)（追溯系統(tǒng)）與ERP對接，獲取訂單計劃信息，將訂單對應的大計劃分解為詳細日計劃，并根據(jù)日計劃在ERP中生成相應的領料單據(jù)，領取物料進行生產(chǎn)，MES系統(tǒng)記錄生產(chǎn)過程相關數(shù)據(jù)，生產(chǎn)完成后根據(jù)統(tǒng)計結果在ERP上進行自動報工，其主要分為以下幾個步驟：

1）原材料到廠后依原材料批次號進行來料檢驗，檢驗合格才能在ERP入賬，方可出庫到車間進行生產(chǎn)。

2）MES系統(tǒng)根據(jù)ERP系統(tǒng)下發(fā)的大計劃細分出詳細日計劃，并依計劃及消耗定額生成領料單，供車間生產(chǎn)領料。

3）具體工序在實際生產(chǎn)時，先通過掃描槍掃描原材料批次號/在制品編號，由設備將相應信息提交MES系統(tǒng)驗證，MES系統(tǒng)依據(jù)質檢信息、產(chǎn)品BOM、工藝流程等基礎數(shù)據(jù)進行判斷能否能投入設備進行生產(chǎn)，確認可以生產(chǎn)后設備生成新的在制品編號或沿用已有的電池編號，如生成新的在制品編號，在生產(chǎn)結束下料時需要人工在設備上打印在制品標簽并粘貼在在制品上進行流轉。

4）生產(chǎn)過程中MES系統(tǒng)通過與設備對接，獲取生產(chǎn)過程中的設備信息、工藝信息、操作人員信息、環(huán)境信息及計劃信息等，檢驗信息一般由操作人員直接將相關信息錄入系統(tǒng)中去。

5）生產(chǎn)結束以后MES系統(tǒng)將各工序的生產(chǎn)統(tǒng)計信息匯總，生成報表并在ERP系統(tǒng)中報工。

以上步驟與一般的動力鋰離子電池生產(chǎn)過程類似，僅在在投料時掃描原材料批次號/在制品編號，下料時人工打印粘貼帶有在制品編號的在制品標簽外，不增加額外的操作，同時能夠準確、高效的采集到動力鋰離子電池生產(chǎn)過程中的人機料法環(huán)測信息，快速、精準的實現(xiàn)動力鋰離子電池生產(chǎn)全過程的追溯。

4　結論

針對動力鋰離子生產(chǎn)過程的復雜工藝和流程，設計了電池信息追溯系統(tǒng)中最為核心的追溯載體、編碼規(guī)則及數(shù)據(jù)信息流轉關聯(lián)過程，結合動力鋰離子電池的生產(chǎn)過程，進一步對整個生產(chǎn)過程中來料檢驗、計劃管理、信息采集等關鍵過程操作進行分析，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程中每個關鍵環(huán)節(jié)信息的采集、記錄及追溯，能夠通過原材料編號/在制品編號/電池編號等進行正向反向的追溯。

參考文獻

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作者簡介：

張凌寒，男，1988年11月，機械工程碩士，工程師，主要研究領域為生產(chǎn)信息化系統(tǒng)及智能制造在鋰電池生產(chǎn)領域的應用及實施。