图1.在面对不确定的市场压力时，数字化是电池行业持续增长的关键。来源：西门子
在过去几年里，全球的电池行业呈现出迅猛的发展态势。这一增长不仅得益于电动汽车市场的强劲需求，同时也关乎政府激励电池产业技术创新而实施的种种利好政策和举措。在快速更迭的市场环境下，整个电池价值链面临着全新挑战。目前，电池产能已经超过了全球电动汽车的市场需求，电池储能系统（Battery Energy Storage System, BESS）的产能也在急剧上涨，预计到2030年其规模将增长5倍之多。
面对快速演进的市场格局，企业必须积极创新，推动新电池技术的商业化落地。与此同时，在电芯价格走低以及全球电动汽车需求波动不定的形势下，还要确保盈利水平。专注于数字化转型对于实现可持续增长至关重要，其不仅能够助力企业提前识别风险，还可以通过从设计到制造的仿真技术以及强大的数字连接，加快产品的入市速度。
数据驱动制造
暂时的产能过剩使得制造成本在短期内成为成功的关键驱动因素——可占电芯总成本的四分之一，而高废品率是这其中的主要问题。对于初次进行大规模生产的企业而言，废品率可能高达40%甚至更高；而稳定的大规模制造商的废品率也达到了10%-15%。将废品率降低几个百分点，就意味着大规模电池制造商可以节省数十亿甚至百亿人民币成本。
在不断变化的电池市场中，企业需要采用以数据驱动的制造模式，以便收集和关联机器与工厂的数据，并提取电池行业专属的智能洞察，识别并解决影响废品率和制造质量的问题。仿真技术为制造环节之间的相互协作提供指引。IT/OT融合为生产过程提供执行层面的深刻洞察，同时支持跨车间的数据收集和关联。当与针对电池的特定数据分析以及AI/ML相结合时，可以在电池生产和老化之前快速识别有缺陷的电芯。这种快速解决问题的方式不仅有助于降低机会成本，还能优化更广泛的制造流程。通过关联不同问题并加以解决，制造过程中的问题得以有效处理。
大规模电池制造企业可以从试点阶段开始采用这一方法，以验证并优化生产流程。这将显著缩短生产规模化的时间，并降低资本投资的风险。
图2.理解车间情况并不需要总是实地去到车间。数字化技术能够帮助工程师远程发现问题。来源：Getty Images
电池技术的新进展
钠离子化学技术和固态电池架构这样的新技术亦能重塑电池行业。钠离子电池化学技术的快速发展已经使该技术在中国进入早期商业化阶段，适合续航里程短的小型城市车辆。汽车制造商如丰田、本田，以及如Quantumscape这样的固态电池生产商也宣布了令人瞩目的技术进展与规模化生产计划。此外，新的电芯直接集成到电池包设计(Cell-to-Pack)和电芯直接集成到底盘(Cell-to-Chassis)技术将成为提升电池能量密度的关键。通过全面的仿真和AI模型构建的数字孪生技术，可以帮助企业评估众多此类概念并加速创新进程。
技术创新同样需要新的制造工艺，例如干电极制造技术。为了确保这些制造工艺的高质量和成本效益，新的机器和生产流程必不可少。这需要材料开发商、设备制造商和制造专家之间展开紧密协作。机器的数字孪生技术以及随后的虚拟调试，可以加速自动化控制的开发和验证并与这些新机器的数字孪生进行对比。此外，生产工厂的数字孪生技术能够让企业测试、优化和验证各种机器的功能并最大化提高生产效率。
电池储能系统的崛起
全球对电池储能的需求正在快速增长，这种增长源于全球范围内推动电网脱碳的可持续发展倡议。在未来几年，耗电量巨大的AI训练和数据中心也可能成为电池储能需求快速增长的驱动力。
图3-现场电池储能将在全球企业的脱碳战略中发挥重要作用。来源：西门子
然而，BESS与电动汽车电池有显著不同，带来了一系列独特的挑战。例如，一个1吉瓦时的BESS可能包含700万到900万个零部件，其中电芯数量达100万到150万个。这对供应商协作、物料清单(BOM)管理、库存管理和维护服务带来巨大的挑战。此外，BESS预期的使用寿命通常为20至25年。
这就要求电池设计与制造、热管理策略以及电池管理系统的稳定性方面遵循严格的质量要求。企业需要关注这些系统的模块化设计，以实现可扩展性。采用数字化解决方案进行工程设计、制造和售后服务的企业将在满足日益增长的需求的同时，确保BESS的安全性和可靠性。
契合电池护照考核标准
欧盟监管机构规定，到2027年2月，任何用于工业或电动汽车应用且容量超过2kWh的电池必须配备数字电池护照。中国也在稳步推进电池护照的体系建设。2024年4月，中国电池工业协会联合宁德时代等单位共同发布了《中国电池数字护照体系白皮书》。
电池护照的要求为电池价值链的各个环节，从原材料到成品，引入全新的报告标准。标准化对于满足电池护照的数据要求以及追踪电池在检查、维护或转移给其他方时的历史记录至关重要。要高效地实现这一切，并确保知识产权不受威胁，需要一个强大且安全的数字化平台以及可靠的合作伙伴。
过去十年间，电池行业的发展为市场带来了机遇与创新，但要实现持续增长，企业需要变革其工程设计和制造方式。随着电池储能系统的新需求激增、电动汽车需求的不断攀升、电池价格的快速下降以及新电池技术的不断突破，取得成功的关键在于通过全面的数字孪生技术、IT/OT融合、数据分析以及生成式AI实现可持续的运营，投资研发创新的电芯化学技术和更新的电池架构，寻求多元化的应用。
（作者Puneet Sinha系西门子数字化工业软件高级总监兼电池行业全球负责人）
电池网微信
