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2018年8月15日 星期三
．大話工業 4.0：AI+製造的機會與挑戰
Inspur Intelligent Factory
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機器換人浪潮之後，資訊化革命愈演愈烈，機器設備、人和產品等製造元素不再是獨立的個體，它們透過工業物聯網，緊密聯繫在一起，實現更協調和高效的製造系統。
利用雲計算可以儲存大量的現場數據，以實現機器狀態監測、生產分析、產品預測評估等功能，這也就是德國所提出的工業4.0模式。
當前製造業的轉型，可以看作是自動化升級，和資訊技術的融合提升，這不僅僅是自動化和機器換人，我們更希望工廠能實現自主化決策，靈活生產出多樣化的產品，並能快速應對更多的市場變化。
人工智慧和製造系統的結合將是必然的，利用機器學習、模式識別、認知分析等算法模型，可以提升工廠控制管理系統的能力，實現所謂的智慧製造，才能使企業在今天競爭激烈的環境，獲得更好的優勢。
德國人工智慧研究中心，科學董事漢斯·烏思克爾特教授，在「2018年中新人工智慧高峰論壇」指出，工業4.0時代的智慧製造可以分為三個層次，第一個也是最核心的部分是智慧工廠，第二個是智慧運行服務，第三個是智慧製造支持服務。
智慧製造核心是智慧工廠
整個智慧製造過程，主要圍繞著智慧工廠展開，而人工智慧在智慧工廠中發揮著重要的作用。物聯網將所有的機器設備連接在一起，例如控制器、傳感器、執行器的聯網，然後，AI就可以分析傳感器上傳的數據，這就是智慧製造的核心。
隨著工業物聯網的應用發展，網路和實體系統，將緊密聯繫在一起，也就是物聯網將生產現場的處理器、傳感器連接起來，使得機器人之間可以進行通信，可以互相溝通，而機器和人的工作將不再會嚴格分工，未來製造系統把人和機器融合在一起。
數位雙胞胎是重要的角色，智慧製造的整個流程，都有一個數位孿生模型，系統裡包括了現實世界的任何東西，可以是應用或者操作指南手冊等。系統可以靈活地進行產品生產配置，例如根據產品需求給機器下指令，讓機器做哪些事情等。
此外，智慧製造系統裡還有人機交互，即人和機器人之間的互動。還有用人工智慧驅動、優化產品和流程等。工廠需要做一些預測性維護，或者是預測機器的能耗等等，越來越多的這些功能，都可以在智慧工廠裡實現。
智慧運行提升工廠的效益
除了單純生產之外，智慧系統還有提供運行的服務。例如公司內部移動出行管理，以及智慧物流、智慧建築、智慧產品和智慧電網等。透過數位化又胞胎，可以把整個流程的所有元素起先編碼，包括了產品特點、手冊等進行編碼。
有了這種資訊化系統，管理者可以輕鬆瞭解到，實體對象的實際情況，可以根據數據分析結果，進行合理的安排和調度，使得工廠能以最低的能耗下運行，並獲得很好的生產效率，或者是更好地滿足客戶交付的要求。
數位化雙胞胎本身是非常複雜的內容，目前在很多地方還不夠用，比如教育訓練、供應商、合作夥伴服務等等，這些功能還需要重新設計完善。
大數據分析支撐智慧製造
未來工廠將透過數據分析，為產品提供優化建議，但實際上大部分數據，都來自於企業外部，例如來自客戶的反饋數據。充分的數據才能得到準確的洞察，所以數據還包括很多外部相關領域，比如合作夥伴和供應商等，因為他們提供了零組件。
此外，企業可以從監管當局瞭解一些認證、規範和法律要求等，以及媒體、投資商和股東，還有競爭對手等。如果企業不關注競爭對手，很有可能有一天會被超越。
在設計一個產品的時候，要計劃這個生產什麼時候上市，那麼，這不僅僅是需要內部的數據，還需要外部的數據。
製造商必須要瞭解其的服務供應商、合作夥伴等，知道他們的情況是怎麼樣的。所以，智慧工廠內部數據需要與外部數據進行結合，這是一個很大的挑戰。
外部數據會遇到數據標準化的問題，因為合作夥伴或者供應商給到的數據可能是非結構性的，有些是用語言來描述產品，並不是表格或者文字來體現。
所以要將非結構性數據，和內部結構性數據結合在一起。工廠內部大部份數據是結構化的，例如用攝影機拍下產品照片、語音等。
如果要解決這些問題，就要管理好客戶關係，把供應鏈變得更智能化。這些智慧意味著整個製造過程的參與對象，都要互聯互通，使用物聯網、大數據分析等技術，獲取更多商業情報。當然，還可以使用AI來幫助企業優化整個流程。
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．鈦酸鋰電池能否藉除能板回一城？
NEW GRAPHENE BATTERIES OR THE NEW EXISTING LITHIUM TITANATE BATTERIES
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來源：
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鈦酸鋰電池快充大巴車
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鈦酸鋰電池也被業內人士普遍認為，並不適合未來電動汽車發展的方向，那麼，是不是鈦酸鋰電池就沒有用武之地了呢？
雖然鈦酸鋰電池能量密度不夠的硬傷，與電動汽車更長續航里程的要求背道而馳，但是憑借超長的循環壽命，和優秀的安全性能，儲能市場卻能成為其極具前景的領域。
在各種類型的電化學儲能技術中，鈦酸鋰電池具有循環壽命長、安全性能好等特點，很好的契合了電網儲能的應用場景，但目前來看，較高的應用成本成為阻礙鈦酸鋰電池，在儲能領域規模化推廣的主要障礙。
鈦酸鋰電池的特性更適合儲能領域
據瞭解，儲能技術主要分為機械儲能、電化學儲能、電磁儲能和相變儲能等。
近幾年，以鋰離子電池為代表的電化學儲能技術，具有能量規模大、選址靈活、響應速度快等特點，符合電力系統技術需求，和智慧電網發展趨勢，被各國研究機構作為研究重點，成為發展最快的電力系統儲能技術。
鋰離子電池技術隨著電池電極材料的研究，一直處於快速發展的狀態，目前已經從鈷酸鋰電池拓展到了三元系、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鈦酸鋰等多種電池體系並存。
以鈦酸鋰為負極的新型鋰離子電池，突破了石墨作為負極的固有局限性，性能顯著優於傳統的鋰離子電池，成為最具應用前景的儲能電池之一。
安全穩定性好。由於鈦酸鋰負極材料嵌鋰電位高，在充電的過程中避免了金屬鋰的生成和析出，又因其平衡電位高於絕大部分電解質溶劑的還原電位，不與電解液反應，不形成固—液界面鈍化膜，避免了很多副反應的發生，從而大大的提高了安全性。中國電力科學研究院儲能電池本體研究室主任楊凱認為，儲能電站和電動汽車一樣，安全穩定性是最為重要的指標。
快充性能優異。充電時間太長一直是電動汽車發展過程中難以跨越的障礙。一般採用慢充的純電動公交車，充電時間至少要4個小時以上，很多純電動乘用車的充電時間更是長達8個小時。而鈦酸鋰電池十分鐘左右即可充滿，較傳統的電池有了質的飛躍。
循環壽命長。與傳統鋰離子電池普遍採用的石墨材料相比，鈦酸鋰材料在充放電嵌脫鋰過程中，骨架結構幾乎不發生收縮或膨脹，被稱為「零應變」材料，避免了一般電極材料脫/嵌鋰離子時，晶胞體積應變而造成的電極結構損壞的問題，因而具有非常優異的循環性能。
根據實驗數據測定，普通磷酸鐵鋰電池循環壽命，平均為4000—6000次，而鈦酸鋰電池的循環壽命可達25000次以上。
根據實驗數據測定，普通磷酸鐵鋰電池循環壽命，平均為4000—6000次，而鈦酸鋰電池的循環壽命可達25000次以上。
耐寬溫性能良好。一般電動汽車在－10℃時充放電，就會出現問題，鈦酸鋰電池耐寬溫性能良好，耐用性強，在–40℃到70℃均可正常充放電，無論是在冰封的北國，還是在炎熱的南方，車輛都不會因電池「休克」而影響工作，消除了用戶的後顧之憂，這一特性用在儲能領域也更為合適。
技術重構降低成本
擁有安全穩定性好、快充性能優異、循環壽命長、耐寬溫性能良好等諸多優點鈦酸鋰電池，卻因為比能量密度低和成本高，這兩大特性，影響到其在電動汽車領域的應用前景。
最初的鈦酸鋰電池是以，滿足電動汽車動力電池需求而開發的，雖然國際上先進的鈦酸鋰電池企業，已經開始涉足電力儲能領域，但還沒有出現專門為規模儲能應用設計，開發的鈦酸鋰電池。
「鈦酸鋰電池在規模應用中，面臨的主要問題是成本問題，項目研發之初，其價格是磷酸鐵鋰電池價格的4–6倍。」 對岸中國電力科學研究院儲能電池本體研究室主任楊凱認為，鈦酸鋰電池價格居高不下，雖然性能顯著優於現有鋰離子電池，但是經濟性因素極大的，限制了鈦酸鋰電池的市場推廣。
因此，鈦酸鋰電池要實現大規模儲能應用，需要在現有的電動汽車用鈦酸鋰電池的基礎上進行技術重構，包括材料體系、電池設計、生產技術等方面的技術重構，在保證鈦酸鋰電池長壽命本徵特性的同時，大幅降低成本，從而滿足儲能應用需求為目標。
任何技術都不可能面面俱到，只需要找到各項技術指標間的平衡點。
「儲能電池對倍率要求並不太高，放電倍率只需達到5C。」楊凱表示，「儲能電池一般都放在房間裡，溫度相對恆定，對溫度適應性的要求也不用太高，放棄一些性能，選擇低成本，成為最重要的選擇。」
中國電力科學研究院的項目團隊，對鈦酸鋰電池進行了成本分析後發現，這種電池成本高的根源在於材料。「鈦酸鋰電池用的是納米材料，材料合成技術和電池制備技術過程複雜。」
由於奈米材料吸水性強，因此，生產環節必須要降低環境濕度，加大對廠房的除濕處理，並增加烘乾程序，能耗顯著增加。對此，項目團隊決定在奈米材料上下工夫，他們經過反覆試驗，最終以低成本亞微米鈦酸鋰材料，取代奈米鈦酸鋰材料，並以此為基礎，建立儲能用鈦酸鋰電池材料體系。
透過實驗，材料粒徑在0.8微米時，既能保證長壽命的特點，又能降低生產技術控制的苛刻條件，從而降低成本。同時，還採用在性能、製造技術、成本方面，都具有優勢的疊片式軟包裝結構，取代環形結構和圓柱形結構。
這是從材料和電池結構的重構，來降低電池成本，另一方面則針對勻漿、預塗層集流體、環境控制、電池製作工序等環節，進行技術重構，降低電池成本。
在電極製作環節，該項目團隊將進口預塗層集流體，改為自主研發的預塗層集流體；在電池製作工序上，取消了塗布前卷料烘乾，和注液前電芯烘乾，兩個烘乾工序。
在電池製作的環境控制環節，將環境濕度由10％放寬到30％。「奈米材料一般濕度要控制在10％以下，磷酸鐵鋰則為30％，我們用亞微米材料在30％的濕度環境下製作電池，發現電池壽命幾乎沒受影響。」楊凱說，「經過測試，鈦酸鋰電池的循環壽命超過16000次，電池成本下降了30％。」
鈦酸鋰電池會成為儲能的下一個風口嗎？
值得注意的是，鈦酸鋰電池單體的關鍵制備技術，在2017年，已經有明顯突破，一批成品電池（不是銀隆）使用甚少使用的軟包技術，這意味著已經解決了電池鼓包、脹氣、電池致密性等一系列問題，相對於硬質金屬殼包裝，軟包單體在能量密度上更上一層樓。
既往鈦酸鋰電池單體多用硬殼，究其原因就是因為難以解決技術流程中的諸多問題，導致電池在使用過程中出現鼓包脹氣，電池的容量不穩定。
解決軟包關鍵技術後，預計今年的能量密度，躍升到穩定的120wh以上，與磷酸鐵鋰平齊，實驗室環境可能更高。
隨著鈦酸鋰電池在儲能領域的應用前景逐漸明朗，越來越多的企業開始加入進來，今年4月，上海電氣與國軒高科成立的合資企業，專門做儲能的鈦酸鋰電池的項目。這個合資企業今年產線計劃正式投產。
若成本問題得以解決，鈦酸鋰電池勢必會成為儲能，這個風口中極具競爭力的一款電池產品。作為未來推動新能源產業發展的前瞻性技術，儲能產業在新能源並網、新能源汽車、智慧電網、微電網、分布式能源系統、家庭儲能系統等方面，都將發揮巨大作用。
截至目前，中國電力科學研究院的項目團隊相關研究成果，除了在「國家風光儲輸示範工程」項目中得到應用外，對於在北京—張家口舉辦的2022年冬奧會，以及北京電動汽車產業的發展，也將發揮重要作用。
而越來越多的公司開始意識到，鈦酸鋰電池在儲能市場的應用前景，今年4月，上海電氣與國軒高科成立的合資企業，專門做儲能的鈦酸鋰電池的項目，該合資企業今年產線，計劃正式投產。若能向儲能市場轉向，降低鈦酸鋰電池的成本，搖搖欲墜的珠海銀隆或許還有一線生機。