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论储能行业的数字化研发能力建设

2023/11/30    来源:e-works    作者:温智惠      
关键字:产品研发管理  储能行业  
随着技术和商业盈利模式的成熟,新能源储能市场迎来发展风口,众多的新能源企业和资金都进入了这个赛道。
1 引言

       随着碳减排、能源可持续发展的全球化,同时复杂的地缘政治竞争也给能源市场以及技术带来太多的不确定性,绿色、清洁能源成为国际可持续发展的主旋律,也为行业提供了发展机会和挑战;在这种大的国际背景,结合国家构建全新的能源体系政策牵引下,新能源市场必将会迎来根本性的变革。锂离子电池是源、网、荷、储一体化的体系重要组成部分,通过锂电池的化学储能模式,能实现风、光等新能源从不稳定输出形式,转变成稳定、可持续的形式进行输出。随着技术和商业盈利模式的成熟,新能源储能市场迎来发展风口,众多的新能源企业和资金都进入了这个赛道。

       盛虹集团作为民营石化企业的龙头,在积极推进石化炼化和纺织等传统业务发展的同时,也在立足中国、全球多点布局,打造从锂电池关键原材料、电芯、模组到终端产品的完整产业链,在企业确定的“化工原料大平台+新能源新材料1+N”战略方针指引下成立了储能事业板块,以锂电池研发及储能系统集成为核心,储能板块力争快速形成促进行业发展、推动绿色经济变革的全球新型的先进新能源储能企业。

       作为一个全新的板块单元,其业务模式和研发管理需求和集团传统业务还是存在很大差异,集团信息化主管部门制定盛虹储能板块的信息化建设一定要实现高起点、全局性规划,通过数字化的手段,帮助企业打造柔性化、智能化的高效协同、创新研发模式和能力。

2 企业研发能力的建设方向

       随着锂离子电池技术不断成熟,KWh的成本不断降低,为锂离子电池在储能领域提供了广阔的应用场景,作为一个新进入储能领域的企业,盛虹面临着各种问题和挑战,对于研发领域,需要解决的问题主要有:

       企业级数据管理能力,作为一家全新建立的锂电池储能研发企业,如何建立起一套标准的研发管理体系,使得企业的研发团队能够在这套研发体系的指导下,快速开展电芯、模组、电池包各专业、研发上下游领域的各项工作,同时保证研发过程高质量,低风险;如何实现研发数据的标准化、规范化的管理;如何确保数据能够被企业研发上下游不同的系统和用户直接消费,这些都是企业研发能力和研发质量提升的关键要素。

       企业协同研发能力,锂离子电池研发过程中,涉及到原材料、配方体系的研发及实验管理,电芯结构、模组、电池的结构、线束设计、电子板设计,以及EMS、BMS的系统设计;是一个典型的机、电、软、控多专业协同研发,同时涉及到前、后端营销、采购、仓储、库存多部门的上下游协同工作,因此如何构建高效的产品研发过程协同,是企业实现产品从研发、到量产的关键因素。

       企业研发创新能力,目前来看,在储能电池领域的研发创新主要源于以下各方面:电池材料体系的创新,不断研发出新型的更安全,充放电寿命更长、能量密度更高的电芯材料和配方;电池包空间结构的创新,在有限的空间内,最大程度实现电芯的摆放,提升容量;生产工艺的优化,如何改进和优化电芯的生产工艺参数,实现产品生产良率的提升。

       因此,未来盛虹的企业级产品研发管理平台将围绕着上述几个方面,进行整体规划、分步实施,逐步建立起来企业级的数字化研发体系,利用数字化的技术进行企业研发赋能,打造具有核心竞争力的储能研发创新型企业。

3 企业级研发体系规划内容和落地方式

       如何构建企业研发体系,逐步将数据管理能力、协同研发能力和企业创新能力建设起来?围绕这个目标,我们分别从三个方面进行了研发体系规划(图1所示),首先围绕企业未来发展目标规划企业研发战略,包括未来的产品研发方向,技术平台路线定义和企业产品型谱;使得未来三到五年内,研发战略,技术路线以及产品对目标市场的定位能够匹配企业业务发展和市场营收目标。

基于三层的企业研发体系规划

图1 基于三层的企业研发体系规划

       其次,在研发战略制定后,围绕着研发战略及产品型谱规划,开始定义研发过程的管理体系。作为储能行业新进入者,如果采用传统模式,永远只能是行业跟随者。如何实现从零起步,快速打开和占领市场,快速进入行业领域头部玩家行列,这就要求我们采用先进的研发管理方式进行企业研发过程体系的建立,确保在有限的投入下,尽可能的发挥最大的资源和团队能力,加速产品快速的实现小试、中试到量产的各个环节,因此我们将传统的基于流程式的研发模式转变成项目式的研发模式(图2所示),将瀑布式的研发模式和数据传递方式,改变为当有问题时,需要回溯到研发源头的开发-变更大循环迭代模式,改变成基于项目式、采用IPD集成的开发方法,并组织集成式的开发团队(营销、研发、采购、财务、生产各部门组成),围绕着市场需求,以企业级BOM为抓手,在实现研发数据充分共享的基础上,进行高效的协同和产品敏捷的快速迭代模式,在市场需求的驱动下加速提升产品成熟度。

企业研发模式及流程方式变革趋势

图2 企业研发模式及流程方式变革趋势

       上述所有内容,从企业级规划到业务流程定义,最终都要落地到信息的承载方式。传统的方式下,电子化结合工作流的方式,能够解决很多企业的研发问题,例如标准化、规范化的集中式研发资料存储,加快资料发放效率,电子签名留痕、信息追溯等等方面;但是在信息要求高度共享的今天,研发上游的数据需要直接被下游各个系统自动消费,同时能够直接反馈给上游系统消费结果,仅仅通过电子化、流程化的管理模式,无法满足当前市场需求驱动下,企业对研发部门产品开发柔性化、快速定制的要求。因此,未来的我们要实现数字化的研发数据管理。

       这也就意味着需要利用数字化手段:数字化模型基座(图3所示),帮助企业承载和管理研发数据,通过模型基座来定义企业研发过程中不同阶段的数据对象,例如需求的对象、功能的对象、工程的对象、制造的对象,通过这些对象来承载研发各个阶段的产品数据;同时,这些对象之间有相应的关联关系,从而实现整个产品研发生命周期的数据链条,通过这个数据链条,能够实现产品的数字化表示。通过这种数字化的形式,实现上游的研发数据能够被下游、制造、供应链、智能设备系统进行消费,最终为柔性化、智能化的生产提供了数据支撑。

数字化模型基座

图3 数字化模型基座

4 企业研发能力的提升

       结合企业研发总体规划,对于研发能力建设,盛虹也采取了分步走的原则,首先需要建立一个一体化平台,该平台需要能够覆盖未来研发到制造的所有业务范围,要具有研发业务支撑的完整性和可扩展性。由于企业的研发体系和能力是需要不断迭代提升和逐步扩展,因此平台需要满足企业5-10年的发展规划,包括随着业务的成熟,可以在平台上实现业务的不断扩展,以支持业务的发展和优化,同时还要求平台底层必须支持数字化、模型化基座。

       企业级数据管理能力建设,在模型化、数字化的基座上,需要构建数字化的链条(图4所示),通过系统的对企业业务流程的梳理,实现各个业务部门之间灰色地带的清理,实现最终的权责定义,打破部门间的业务壁垒,实现上游的研发数据能够被下游的生产、采购各个系统直接消费。

企业端到端的数字化链条

图4 企业端到端的数字化链条

       要构建企业的数字化链条,在研发环节,要求首先明确企业未来的产品谱系平台以及层次分明的产品族定义和划分,未来企业需要以产品线的方式来管理和维护企业的产品研发数据。通过强化谱系化、标准化业务和产品迭代更新机制,在产品谱系的基础上(图5所示),建立起企业级的BOM体系,通过企业级的BOM体系,将产品概念阶段的数据、总体设计阶段的数据和详细设计阶段的数据组织起来,企业的BOM体系是通过产品结构与配置管理相结合构建起来的数据结构,管理的核心是零部件、物料信息,同时通过零部件关联产品所有工程数据和技术文档,实现BOM形式的产品数据组织、控制和管理。同时,通过一定的规则约束向不同职能部门,根据其职能的分工提供差异化的产品结构视图来展示对产品的描述。另外,由于电池行业又具有半流程、半离散制造行业的特点,未来的BOM体系既能够管理产品结构信息,同时还需要能够管理配方BOM数据,因此将电芯BOM和产品BOM区分开,通过电芯产成品对象和电池模组BOM进行关联,通过计算规则,将电芯原材料进行用量和信息的合并,并以扁平化的方式挂接在电芯产成品物料节点下面,这样既实现了未来生产对物料准备的要求,同时也确保了企业核心的配方数据和信息不会进行外漏。

产品型谱及BOM结构定义

图5 产品型谱及BOM结构定义

       在企业级BOM的基础上,需要建立起企业数据的标准化、规范化,例如企业产品的建模规则,企业零部件的编码规则,零部件的分类标准,标准的审核流程等等,这一切都作为基础的数据管理工作,最终目标是为了提升研发人员查询的设计数据的效率,尽可能的提升研发数据的重复利用率,从而减少不必要的资源在重复的、低层次的工作中。

       随着企业标准化、规范化程度不断提升,接下来我们将考虑参数化、模块化的工作,包括建立自身的设计方法学,建立市场和研发团队的信息通道,通过需求驱动研发,使得企业开发的产品满足市场需求。因此,未来企业会根据市场的需求归纳和定义出设计需求,同时结合二八原则、将通用部分和差异化进行分解,结合模块化的方法,定义出产品配置选项。未来面向订单,通过模块化,逐步将交付模式从ETO的研发模式向CTO的研发模式转变,最终,提升在储能业务的核心竞争力:订单交付能力和成本控制能力。

       企业协同研发能力建设,如何建立企业的协同研发能力,首先建立企业研发的标准,所有研发团队都应在一个标准下进行工作,使得信息能够最大程度进行共享,其次企业需要建立基于单一数据源,使得共享信息的时效性和唯一性得到保证,同时需要确保通过信息化的手段实现跨地域、跨时区的协同通道能力。

       有了规范、信息载体和信息交互通道保证,未来将从两个维度建立企业的协同能力,第一实现研发上下游的纵向一体化、协同能力的建立;第二实现产品各个专业之间的横向协同能力。

       企业新产品研发和订单产品的交付都将采用IPD的研发模式以及项目制的管理方式(图6所示),通过项目建立起研发团队,包括营销、研发、制造、采购、品质等相关部门人员,一个项目团队,在一个项目空间中进行信息的共享和协同工作,同时将整个研发过程通过项目的研发阶段、项目任务、里程碑、质量等数字化的对象定义出来,从而透明化项目执行和产品的开发过程,最终实现研发上下游的大协同。

构建项目级协同空间

图6 构建项目级协同空间

       在横向产品各个专业之间协同能力的建设,需要依靠相应的信息化工具和平台,因此需要选择一个能够高度和设计工具进行集成的研发平台,通过这个平台,实现底层各个研发设计工具产生的设计数据之间的自动转化和格式兼容,最终实现机、电、软各专业的高效协同工作。

       企业的研发创新能力建设,锂离子电池企业的发展非常迅速,各个头部企业投入大量的资源在电池研发创新领域,主要体现在两个方面一个是材料体系的研究,另一个方面是空间结构方面的创新。

       材料体系的研发创新是非常前沿的研究,通常情况下,企业需要投入大量的人力、物力,建立起各种实验室和试制产线,帮助企业科研人员进行反复的实验、试制,因此如何借助先进的软件和仿真工具帮助企业更快、更好地进行新材料、新配方的研发是我们要考虑的问题。创新就是试错,在不断的试错过程中进行总结、归纳,寻找出相应的规律,最终实现体系的突破。因此,我们将建立起数字化的创新、试错平台,帮助研发人员快速的开发、验证各种方案;整个数字化的创新平台将包含三个部分,基于微观粒子的材料研究、数字化的实验室和大数据分析。

       在分子材料研究领域,现在有很多基于分子建模和仿真的软件,通过对材料的分子结构的建模和仿真(图7所示),能够了解不同的添加物质、包覆物质对电极材料、电解液的影响,最终进行各种电池材料的性能预测、失效机理的探索、电极老化以及稳定性、安全性参数化,通过对材料各种特性进行各种定量的标定,进而作为参数输入,进一步对电芯的各种性能进行仿真、标定,例如电芯的热扩散、老化、电化学等,最终从材料层面对电池的安全、质量进行提升。

       在实验室方面,我们将打造数字化的实验室,实现实验计划、实验样品、实验资源、实验过程及实验数据结果的数字化的管理,同时通过IOT技术,实现与实验设备的链接和数据采集,实现合理的实验方案制定,可追溯的实验过程记录,真实的实验数据采集和处理,最终通过数字化实验室,实现虚拟仿真结果和真实实验数据的比对和修订工作,最终推动产品的研发优化迭代。

基于分子级的材料建模与仿真

图7 基于分子级的材料建模与仿真

       在实验过程中,有大量的实验数据产生,如何对这些实验数据加以利用,对未来的新材料、配方体系开发,提供一定的经验和参考价值,需要建立大数据的分析和模型训练引擎,利用海量数据的训练,建立起企业自身的数据模型,通过数据模型合理的进行预算,从而加速新材料、配方和电芯产品的开发进程。

5 总结

       以上是作者结合自身的工作实践和对储能行业研发信息化工作的思考和企业规划的过程中的一些总结和体验,希望能够对储能行业的发展提供借鉴与参考。
责任编辑:程玥
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