本文原刊登于Ansys.com：《Honeywell’s AI-Powered Manufacturing Solution Uses Simulation To Optimize Gigafactory Production》

作者：Laura Carter | Ansys 高級市場傳播經(jīng)理

編輯整理：張旭 | Ansys主任應(yīng)用工程師

“我們使用Ansys Digital Twin技術(shù)，在生產(chǎn)過程中的廢料控制方面不斷取得顯著成果。質(zhì)量控制哪怕僅損失1%，每年每GWh產(chǎn)能也可能帶來100萬美元的廢料成本。數(shù)字孿生有助于最大限度地減少這些損耗。”

— Fredrik Westerberg，霍尼韋爾超級工廠戰(zhàn)略規(guī)劃總監(jiān)

了解霍尼韋爾和Ansys如何在電池制造中發(fā)揮變革作用。

隨著新型電池技術(shù)需求的不斷增長，制造商發(fā)現(xiàn)他們正面臨挑戰(zhàn)，必須平衡更高能量密度、更快充電、更安全、更具可持續(xù)性電池應(yīng)用與降低成本的需求。

此外，在制造更優(yōu)電池的競爭中，產(chǎn)量提升仍然是一項挑戰(zhàn)。最近的研究表明，76%的制造商需要升級或建造新的生產(chǎn)線，才能為未來新型電池技術(shù)提供支持。為了應(yīng)對這種挑戰(zhàn)，就需要在更具可擴(kuò)展性的數(shù)字化基礎(chǔ)上構(gòu)建智能制造解決方案。

所謂數(shù)字化基礎(chǔ)，即制造商需要從傳統(tǒng)的試錯方法，轉(zhuǎn)變?yōu)槌壒S（旨在支持大規(guī)模生產(chǎn)電池的設(shè)施）基于模型的數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法。低效電池生產(chǎn)的高成本迫使霍尼韋爾（Honeywell）尋求仿真驅(qū)動的控制解決方案；他們最需要考慮的是有關(guān)質(zhì)量優(yōu)化及廢料減少的工作。

霍尼韋爾工藝解決方案可幫助企業(yè)應(yīng)對與電池制造相關(guān)的自動化、過程控制以及質(zhì)量管理的復(fù)雜挑戰(zhàn)。該公司認(rèn)為，利用仿真技術(shù)能夠為大規(guī)模電池生產(chǎn)打造一個互聯(lián)的未來，從而幫助電池制造商克服進(jìn)入電動車、電子產(chǎn)品、儲能和消費品等多個市場時面臨的高昂成本挑戰(zhàn)。

霍尼韋爾超級工廠計劃的關(guān)鍵推動因素是Ansys數(shù)字孿生軟件，該計劃為未來跨各行業(yè)拓展電池生產(chǎn)奠定了堅實基礎(chǔ)。

霍尼韋爾超級工廠戰(zhàn)略規(guī)劃總監(jiān)Fredrik Westerberg表示：“數(shù)字工程是現(xiàn)代智能制造的支柱。通過將基于物理場的仿真與實時數(shù)據(jù)相結(jié)合，我們正在實現(xiàn)可自動優(yōu)化的生產(chǎn)線，其可根據(jù)不斷變化的條件進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。在電池制造過程中，通過將Ansys的仿真產(chǎn)品組合與霍尼韋爾的自動化系統(tǒng)集成，用于創(chuàng)建基于物理的數(shù)字孿生，我們能夠?qū)崟r微調(diào)流程，這不僅可提高產(chǎn)量，降低成本，而且還能提高能效。”

霍尼韋爾工藝解決方案幫助制造商擴(kuò)大規(guī)模

電池制造商在嘗試規(guī)模生產(chǎn)時會面臨大量技術(shù)及運(yùn)營問題。想要擴(kuò)張到與現(xiàn)有超級工廠規(guī)模相當(dāng)?shù)墓S，通常會受制于新雇傭的本地勞動力，因為這些員工可能不了解相關(guān)技術(shù)或流程。直接“復(fù)制-粘貼”照搬現(xiàn)有超級工廠的方法會產(chǎn)生瓶頸效應(yīng)，給生產(chǎn)帶來壓力。

因此，有一些專業(yè)生產(chǎn)商在美國或歐洲使用他們在實驗室中測試的新技術(shù)進(jìn)行電池設(shè)計，而他們的經(jīng)營規(guī)模通常比較大工廠小100倍。同時，他們已經(jīng)對其電池進(jìn)行了資格認(rèn)證并且有一個客戶。現(xiàn)在，他們需要通過測試和驗證，利用這些經(jīng)驗，將其轉(zhuǎn)化為大規(guī)模生產(chǎn)。

霍尼韋爾正在為這些生產(chǎn)商提供支持，并發(fā)揮著不可或缺的作用。其電池制造卓越平臺（Battery MXP）可促進(jìn)對整個超級工廠生產(chǎn)流程的安全、效率和質(zhì)量的端到端可視化，這些洞察對于提高效率至關(guān)重要。這款由AI提供支持的軟件解決方案，旨在通過提高電池良率并加速制造啟動進(jìn)程，從一開始投產(chǎn)起就優(yōu)化超級工廠的運(yùn)營。

“我們的專業(yè)能力覆蓋了電池制造的前期環(huán)節(jié)——從鋰礦開采到化學(xué)加工，再到生產(chǎn)過程中所需的箔、薄膜和材料，”Westerberg補(bǔ)充道，“該技術(shù)可擴(kuò)展至電池包和電池模組的構(gòu)建，以及電池在電動汽車和儲能容器中運(yùn)行時負(fù)責(zé)監(jiān)控電池安全的傳感器。最終，是實現(xiàn)整個電池制造過程的自動化。”

基于Ansys技術(shù)的智能工具鏈

霍尼韋爾平臺的開發(fā)充分考慮了客戶需求，旨在減少并消除生產(chǎn)過程中誤差的傳播，例如，通過高保真度數(shù)字孿生優(yōu)化電極壓延工藝的控制算法。過程控制讓用戶能夠了解和描述多個輸入（材料屬性、過程行為、控制、傳感器信息）之間的復(fù)雜關(guān)系，以及保持最佳控制所需的輸出。

相應(yīng)地，霍尼韋爾通過 Ansys Rocky、Ansys optiSLang、Ansys Twin Builder以及Ansys TwinAI，采用Ansys技術(shù)創(chuàng)建了一款仿真工具鏈，以構(gòu)建和部署物理驅(qū)動的數(shù)字孿生。隨后，該數(shù)字孿生被集成到霍尼韋爾最新的控制系統(tǒng)中，使得輸入數(shù)據(jù)和霍尼韋爾傳感器的測量數(shù)據(jù)可以一同被處理，然后再向生產(chǎn)設(shè)備發(fā)送指令。

這樣，整個過程的數(shù)字化可確保電極密度和厚度等關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)保持在規(guī)格范圍內(nèi)。

通過在Ansys仿真軟件中對壓延等工藝進(jìn)行建模，可評估材料厚度等參數(shù)，以改進(jìn)霍尼韋爾過程控制系統(tǒng)

雙倍智能分析

Ansys TwinAI軟件是一款基于仿真的AI增強(qiáng)型數(shù)字孿生應(yīng)用，幫助霍尼韋爾從反饋式過程控制轉(zhuǎn)向了預(yù)測性過程控制。將數(shù)字孿生（即對現(xiàn)實實體和工藝流程進(jìn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動的虛擬映射）整合到其制造解決方案中，為霍尼韋爾的客戶帶來了諸多價值。

這項技術(shù)有助于讓大批量電池制造從“自動化孤島”向“自主化運(yùn)行”轉(zhuǎn)型，其通過安裝在設(shè)備上的在線傳感器提供閉環(huán)控制，這些傳感器可以傳輸實時數(shù)據(jù)，從而可通過提高質(zhì)量來進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)規(guī)模。這種快速信息交換，有助于制造商識別問題的根源，在問題隨產(chǎn)量增加而升級之前消除缺陷與偏差。

Ansys Digital Twin技術(shù)也改變了霍尼韋爾的質(zhì)量控制方法，從被動應(yīng)對轉(zhuǎn)變成了更具預(yù)測性的主動控制模式。其可在進(jìn)行任何實際調(diào)整之前，構(gòu)建虛擬“假設(shè)”場景，以防止代價高昂的錯誤。此外，用戶還可以添加參數(shù)，以提高模型預(yù)測保真度，并識別對不同輸入的敏感性以及其對流程的影響。

Westerberg講道：“我們使用Ansys Digital Twin技術(shù)，在生產(chǎn)過程中的廢料控制方面不斷取得顯著成果。質(zhì)量控制哪怕僅損失1%，每年每GWh產(chǎn)能也可能帶來100萬美元的廢料成本，數(shù)字孿生則有助于最大限度地減少這些損耗。”

告別低效率，節(jié)省材料

當(dāng)然，Westerberg表示，設(shè)計和運(yùn)作制造流程并非沒有挑戰(zhàn)。首先，核心是過程可變性與控制。在大批量制造中，檢查并計算材料屬性或過程參數(shù)出現(xiàn)的細(xì)微變化至關(guān)重要。通過誤差傳播，這些變化可能會導(dǎo)致成品電池缺陷，而這可能會進(jìn)一步導(dǎo)致電池在幾個月甚至幾年后，在客戶應(yīng)用中出故障。

其次，還存在自動化和效率挑戰(zhàn)。對照搬式制造流程進(jìn)行試錯式調(diào)節(jié)，往往依賴操作人員的經(jīng)驗和設(shè)備供應(yīng)商的專業(yè)能力。在擴(kuò)大生產(chǎn)線時，這些大量的調(diào)整不僅耗時，而且成本還很高。并且，在這種開環(huán)系統(tǒng)中，還存在大量的可變性，即使有質(zhì)量關(guān)卡，變量引起的缺陷也可能流到下游，從而產(chǎn)生必須計入成本的廢品損耗。

最后，掌握質(zhì)量和產(chǎn)量優(yōu)化對利潤的影響至關(guān)重要。“鋰離子電池制造的廢料成本每年可達(dá)數(shù)千萬美元，而劣質(zhì)成本（例如召回）則可耗費數(shù)十億美元，”Westerberg道。

仿真可實現(xiàn)必要的預(yù)測建模，以幫助降低影響生產(chǎn)的各種風(fēng)險。

Westerberg說：“我們與Ansys的合作幫助我們從自動化轉(zhuǎn)向閉環(huán)自主系統(tǒng)，這不僅減少了人工干預(yù)，而且還提高了一致性。通過將Ansys仿真技術(shù)融入實時控制系統(tǒng)，我們可確保維護(hù)關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)（例如壓延過程的電極厚度與密度），最大限度減少浪費。”

如今，Ansys Twin Builder軟件還在幫助制造商應(yīng)對巨大的復(fù)雜安全挑戰(zhàn)。

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