正版新书]电池智能制造手册 [德] 凯 · 彼得 · 柏克 马克

编者介绍
致谢
译者序
绪论　迈向可持续、高质量的电池制造　// 1
第一部分　电池制造中的智能制造
第1章　电池制造过程概述　// 12
1.1　锂离子电池的兴起　// 12
1.2　电池制造的现状与挑战　// 13
1.2.1　电极制造　// 14
1.2.2　电池组装　// 17
1.2.3　最终步骤　// 17
1.2.4　模块和电池组装　// 18
1.2.5　航空电动化的现状　// 21
1.3　电池制造的成本因素　// 28
参考文献　// 29
第2章　实现智能制造的技术　// 32
2.1　概述　// 32
2.2　制造业数字化转型的定义　// 32
2.2.1　生产和制造的定义　// 32
2.2.2　数字化与自动化　// 33
2.2.3　整体数字化转型　// 33
2.2.4　电池生产的数字化转型概述　// 34
2.3　生产中数字化转型的技术和推动因素　// 34
2.3.1　信息物理系统　// 34
2.3.2　云计算　// 35
2.3.3　移动通信标准——5G　// 35
2.3.4　人工智能　// 36
2.3.5　区块链　// 37
2.3.6　数字孪生　// 37
2.3.7　增强现实和虚拟现实　// 37
2.3.8　机器人和自动导引车（AGV）　// 38
2.4　总结与展望　// 38
参考文献　// 39
第3章　电池制造的数字化现状　// 42
3.1　概述　// 42
3.2　方法　// 42
3.2.1　研究现状—科学文献分析　// 43
3.2.2　制造业现状—招聘广告分析　// 44
3.3　评估与解读　// 46
3.4　结论　// 48
参考文献　// 48
第二部分　电池制造业的数字化规划
第4章　电池工厂的数字化建设规划　// 50
4.1　数字化工厂的规划重点　// 50
4.2　工厂规划框架和制订者　// 51
4.3　规划电池工厂的侧重点和挑战　// 53
4.4　支持工厂规划的数字技术　// 55
参考文献　// 58
第5章　电池制造中的建模与仿真——概念与应用　// 60
5.1　多尺度生产模拟　// 60
5.1.1　材料尺度上的模拟　// 61
5.1.2　电池尺度上的模拟　// 62
5.1.3　系统级仿真　// 66
5.1.4　过程层面的模拟　// 67
5.1.5　生产链模拟　// 68
5.1.6　工厂建筑及其技术设备模拟　// 71
5.2　建模和仿真的分类　// 72
5.2.1　模型的分类　// 73
5.2.2　工业4.0中的仿真方法　// 76
5.3　多尺度模型耦合和交互　// 79
5.3.1　产品级多尺度模拟　// 79
5.3.2　过程级多尺度仿真　// 81
参考文献　// 84
第三部分　运行电池生产线中的数字化工具
第6章　完全可追溯性——在数字影子的框架内建立智能制造的基础　// 92
6.1　概述　// 92
6.2　数字影子的理论背景　// 93
6.2.1　理论概念、差异化和采用　// 93
6.2.2　一般结构概述　// 94
6.3　锂离子电池生产背景下的挑战　// 95
6.3.1　可追溯性系统　// 95
6.3.2　锂离子电池的具体单元可追溯性　// 96
6.3.3　锂离子电池生产中通过使用可追溯系统减少成本　// 97
6.4　电池生产的可追溯性概念　// 98
6.4.1　电池生产中的追踪物　// 99
6.4.2　鉴定技术和形态学分析　// 99
6.5　采用数字影子的可追溯性概念　// 102
6.6　识别技术的实施概念　// 104
6.6.1　第1组：浆料混合　// 104
6.6.2　第2和第3组：电极生产—涂敷和切割（线圈和副线圈部分）　// 105
6.6.3　第4组：电池组装　// 106
6.6.4　第5组：最终加工　// 106
6.7　总结　// 106
参考文献　// 107
第7章　经典IT系统架构实现数字化的电池组装　// 109
7.1　概述　// 109
7.2　IT系统架构演变　// 110
7.2.1　自动化金字塔　// 110
7.2.2　工业4.0服务导向架构　// 111
7.3　电池组装　// 112
7.3.1　常规电池生产过程中的电池组装　// 112
7.3.2　电池制造中心—电池制造的实验室环境　// 112
7.3.3　电池制造中心电池组装操作顺序　// 112
7.4　服务导向型IT系统架构　// 113
7.4.1　方法　// 113
7.4.2　概念　// 116
7.4.3　实施　// 116
7.5　讨论　// 120
7.6　总结　// 120
参考文献　// 121
第8章　电池制造供应链管理的数字化理念　// 122
8.1　概述　// 122
8.2　数字化供应链管理的一般概念　// 123
8.2.1　计划流程数字化　// 125
8.2.2　来源流程数字化　// 125
8.2.3　生产过程数字化　// 126
8.2.4　交付流程数字化　// 127
8.2.5　返回流程数字化　// 127
8.3　原材料质量控制数字化　// 128
8.3.1　概念框架　// 128
8.3.2　原料质量特性　// 130
8.3.3　整合供应商信息　// 130
8.3.4　进货检验和过程监控　// 130
8.3.5　离线和在线概念的实施　// 131
8.4　结论　// 132
参考文献　// 132
第9章　服务于生产工人信息需求的视觉辅助系统技术评估　// 134
9.1　概述　// 134
9.2　技术发展水平　// 134
9.2.1　制造业的生产工人　// 135
9.2.2　电池制造过程　// 135
9.2.3　生产工人辅助系统的相关综述　// 136
9.3　评价视觉信息方法的途径　// 137
9.3.1　以人为本的设计过程　// 138
9.3.2　电池制造实例　// 138
9.3.3　使用要求　// 139
9.3.4　技术解决方案　// 140
9.3.5　评估技术方案的方法　// 140
9.4　结果　// 143
9.4.1　专家评估　// 143
9.4.2　总分的解释　// 144
9.5　结论与展望　// 148
参考文献　// 149
第10章　电池生产线环境的可持续性管理　// 153
10.1　概述　// 153
10.2　定义和问题陈述　// 154
10.3　电池制造碳核算现状分析　// 155
10.3.1　测量和比较电池制造系统二氧化碳的相关性　// 155
10.3.2　生命周期评估数据不足且数据质量不确定　// 155
10.4　基于原始数据的碳核算和最新技术　// 156
10.4.1　整合供应链的原始数据　// 157
10.4.2　在产品层面整合数据　// 158
10.5　可持续发展数据管理系统实现基于原始数据的生命周期评估　// 160
10.6　电池和车辆的生命周期能量标签　// 163
10.7　结论　// 163
参考文献　// 164
第四部分　使用数字化工具优化电池生产线
第11章　电池制造中的生产力和质量扩展模型　// 170
11.1　在线数据采集—用于质量控制和提高生产力的传感器集成　// 170
11.2　串联式电池生产　// 171
11.2.1　用于电池制造的传感器网络　// 172
11.2.2　质量和故障传播　// 173
11.3　总结　// 175
参考文献　// 175
第12章　电池生产中过程品质特性识别方法及适宜的测量系统　// 177
12.1　概述　// 177
12.2　研究议题　// 178
12.3　目前发展水平　// 179
12.3.1　工艺-结构-特征关系中的变量　// 180
12.3.2　过程相关变量的识别和选择　// 180
12.3.3　测量系统　// 182
12.3.4　现有技术总结　// 183
12.4　建立过程质量特征和适当测量系统程序的步骤　// 183
12.4.1　影响变量的识别和选择　// 183
12.4.2　合适测量系统的选择　// 187
12.5　结论　// 188
参考文献　// 188
第13章　通过数字网络化过程站实现电池生产的跨工艺稳定与优化　// 190
13.1　概述　// 190
13.2　锂离子电池和制造方法发展—理论背景　// 191
13.2.1　电化学存储系统　// 191
13.2.2　过程稳定与优化方法　// 192
13.2.3　机器间通信　// 192
13.3　研发方法　// 193
13.3.1　单个过程的开发方法　// 194
13.3.2　交叉过程方法　// 195
13.4　过程理解和系统分析　// 197
13.4.1　方法测试的系统边界　// 197
13.4.2　锂离子电池生产结构示例　// 197
13.4.3　过程阶段PA082和过程阶段PA082.1的分析和特征识别　// 199
13.5　个性化流程技术实现与建模　// 200
13.5.1　IT系统和控制技术体系结构设计　// 200
13.5.2　PA082过程部分数据模型　// 201
13.5.3　单个过程PA082过程建模　// 201
13.6　实验步骤与评价　// 201
13.7　跨过程方法的理论思考　// 203
13.7.1　PA090的分析与特征识别　// 203
13.7.2　PA090交叉方法过程建模　// 204
13.8　总结与展望　// 205
参考文献　// 205
第14章　生产线生产效率的分析和最大化—— 瓶颈识别和预测性维护　// 208
14.1　概述　// 208
14.2　停机时间和性能损失的根本原因分析　// 210
14.2.1　文献综述　// 210
14.2.2　概念　// 210
14.2.3　利用迁移学习方法进行高效建模　// 212
14.2.4　瓶颈分析的应用　// 212
14.3　预测性维护　// 214
14.3.1　文献综述　// 214
14.3.2　概念　// 214
14.3.3　识别预测性维护机器和部件的示例　// 216
14.3.4　预测性维护集成到维护过程中的示例　// 216
14.4　总结与展望　// 218
参考文献　// 218
第五部分　智能电池产品的生命周期优化
第15章　电池循环经济——定义、意义和报废策略　// 222
15.1　概述　// 222
15.2　电池循环经济—定义与意义　// 223
15.3　电池系统的寿命终结策略　// 225
15.3.1　再使用　// 226
15.3.2　再利用—调整应用场景　// 227
15.3.3　再制造　// 227
15.3.4　再循环　// 228
15.4　归纳与总结　// 229
参考文献　// 230
第16章　数字化——循环经济解决方案的驱动力　// 233
16.1　概述　// 233
16.2　数字化的定义和意义　// 234
16.2.1　CPS架构　// 236
16.2.2　物联网和云组件　// 236
16.2.3　数字孪生　// 237
16.2.4　可视化—AR和VR　// 237
16.2.5　企业资源计划和制造执行系统　// 237
参考文献　// 238
第17章　智能测量——回收电池的测量评估　// 240
17.1　回收电池的生命周期优化使用　// 240
17.2　回收电池的评估—智能测量　// 240
17.3　电池电芯评估方法概述　// 241
17.4　不确定性管理　// 242
17.5　总结　// 242
参考文献　// 243
第18章　拆解——电池系统高效循环的要求　// 244
18.1　概述　// 244
18.2　拆解场景　// 246
18.2.1　拆解模式　// 246
18.2.2　拆解计划　// 249
18.2.3　电池系统的拆解场景　// 250
18.3　电池系统的拆解工厂　// 251
18.3.1　分类　// 251
18.3.2　网络　// 251
18.3.3　布局　// 252
18.4　结论　// 253
参考文献　// 253
第19章　电池回收——材料回收过程　// 255
19.1　概述　// 255
19.2　锂离子电池加工的一般类型　// 257
19.2.1　热加工　// 257
19.2.2　机械加工　// 257
19.2.3　火法冶金加工　// 257
19.2.4　湿法冶金加工　// 258
19.2.5　生物冶金加工　// 259
19.3　锂离子电池回收的工业应用加工路线　// 259
19.4　锂离子电池的一种新兴处理途径—直接回收　// 264
19.5　结论　// 265
参考文献　// 266
第20章　二次利用电池的商业模式　// 270
20.1　概述　// 270
20.2　商业模式的背景和使用　// 271
20.3　电池再制造的商业模式　// 271
20.4　电池再利用的商业模式　// 274
20.5　结论　// 278
参考文献　// 279
第六部分　展望
第21章　超越锂离子——全固态电池　// 286
21.1　自上而下：为什么是固态电池　// 286
21.2　粉末态固态电解质：界面接触挑战　// 287
21.3　制造固态电池的五个主要方案　// 288
21.4　混合方法　// 289
21.5　固体是什么　// 290
21.6　制造是固态电池的最大障碍　// 290
21.7　固态电解质的成本影响产品的选择　// 291
21.8　固态电池制造如何实现数字化　// 291
21.9　固态电池的进一步发展　// 292
参考文献　// 292

编者：德国斯图加特大学全职教授、弗劳恩霍夫制造工程与自动化研究所电池制造中心负责人凯·彼得·伯克（Kai Peter Birke）等。
译者：吴川，北京理工大学教授；赵然，北京理工大学特别副研究员；白莹，北京理工大学教授。

1. 本书讨论了物流、供应链管理及电池组装过程数字化的潜力以及IT架构在电池组装中的应用，方便读者更好地了解工业4.0和服务导向型架构的发展，为该架构的实施以及对电池制造过程的指导提供了理论基础。本书还探讨了数字视觉信息工具在电池生产中的适用性，创造性地提出了视觉信息工具在电池制造中作用的评估方法。
2. 为了实现电池生产技术在效率和质量等方面的持续改进，本书特别关注了电池生产过程工艺系统的最优化。此外，本书还针对建立电池系统循环经济的相关问题进行了分析。这一整合性的分析使得本书不仅提供了先进的锂离子电池制造方法，还能够整合跨学科团队的成果，为相互关联生产工艺的最优化提供指导。
3. 为推动环境可持续性发展理念，本书讨论了数字化在促进可持续发展数据收集和处理方面的作用，为电池进行生命周期评估提供了概念框架。本书特别关注电池在整个生命周期中不同系统级别的性能演变。此外，本书还为读者呈现了电池回收的现状和未来的挑战及相关的商业模式。这一特点使得本书不仅适用于学术研究人员，还能够为电池厂、回收企业、金融行业等从业人员提供实际应用方面的指导。

在智能化和工业互联网快速发展的背景下，动力电池生产正逐步向数字化管理、平台化设计和智能化制造的方向迈进。为了实现锂离子电池超级工厂的成功运营与可持续发展，高质量的电池生产工艺和系统至关重要。本书将基础电化学研究与电池生产方法相结合，对智能电池电芯的制造过程及扩大生产方面进行了全面、结构化的分析。同时，书中还探讨了电池产品的数字化案例和基于数字化手段构建的电池全生命周期管理体系，为电池制造的数字化转型提供了参考和指导。本书可供专门从事电池制造的行业从业者和研究人员阅读参考，也可作为电气、化学、机械工程和电池专业本科生和研究生的参考书。