頭部動(dòng)力電池廠商未來拼什么？數(shù)字研發(fā)技術(shù)

今年動(dòng)力電池領(lǐng)域競爭開始趨向白熱化。寧德時(shí)代和中創(chuàng)新航分別推出自己的新一代產(chǎn)品，麒麟電池和OS高錳鋰電池。新進(jìn)入者欣旺達(dá)在今年宣布多個(gè)擴(kuò)產(chǎn)項(xiàng)目規(guī)劃，未來將尋求獨(dú)立上市。

天下武功，唯快不破。

試想如果快于對手3-6個(gè)月發(fā)布新一代性能更好或成本更優(yōu)的電池產(chǎn)品，企業(yè)將有可能在市場上享受一定的市場溢價(jià)，或是用更低的價(jià)格占據(jù)更高的市場份額。

如此持續(xù)多代產(chǎn)品研發(fā)優(yōu)勢的積累，將會為企業(yè)贏得戰(zhàn)略主動(dòng)。而這一切有賴于研發(fā)體系的建設(shè)。可以看到頭部電池企業(yè)已經(jīng)深刻認(rèn)識到了這一點(diǎn)，在這方面不斷加大投入。

比如寧德時(shí)代持續(xù)打造全球領(lǐng)先的數(shù)字化研發(fā)平臺，通過數(shù)字化研發(fā)手段提升研發(fā)效率，將大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能，都嵌入到電池研發(fā)，實(shí)現(xiàn)理性設(shè)計(jì)。

中創(chuàng)新航打造的電池技術(shù)創(chuàng)新平臺囊括了材料開發(fā)、電芯設(shè)計(jì)、化學(xué)體系創(chuàng)新、仿真及測試、智能制造、數(shù)字化和材料回收這六大方面，為開發(fā)新一代動(dòng)力電池產(chǎn)品提供核心技術(shù)能力的支持。

對于動(dòng)力電池企業(yè)來說，未來拼的是技術(shù)創(chuàng)新的速度和力道。技術(shù)創(chuàng)新硬功夫的背后則是一套由數(shù)字研發(fā)技術(shù)支撐的高效產(chǎn)品研發(fā)體系。

1、電池核心研發(fā)能力體系及技術(shù)趨勢

技術(shù)密集型企業(yè)核心競爭力主要體現(xiàn)在企業(yè)研發(fā)能力或者新產(chǎn)品開發(fā)能力的強(qiáng)弱上。新產(chǎn)品開發(fā)能力本身又是由各類行業(yè)專有的技術(shù)能力有機(jī)整合而成的。

在關(guān)注到產(chǎn)品背后的核心技術(shù)能力之外，我們還要看到整個(gè)研發(fā)體系的構(gòu)建。那么在新產(chǎn)品開發(fā)能力的“冰山”之下，電池大廠們究竟在構(gòu)建或者說需要構(gòu)建什么樣的研發(fā)體系？

對于電池企業(yè)來說，電池新產(chǎn)品開發(fā)相關(guān)的核心研發(fā)能力及體系構(gòu)成可以大致分為三層，如下圖所示。

圖電池研發(fā)能力體系示意圖

新產(chǎn)品開發(fā)主要依托企業(yè)的核心技術(shù)能力進(jìn)行，因此圖中新產(chǎn)品開發(fā)能力金字塔的底層是各類核心技術(shù)能力，在電池行業(yè)領(lǐng)域，包括電芯設(shè)計(jì)能力、包含正負(fù)極、隔膜、電解液等材料在內(nèi)的材料開發(fā)能力、電化學(xué)仿真能力、材料計(jì)算能力、測試實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α⑸a(chǎn)工藝能力（包括燒結(jié)包覆）等等。

中層是研發(fā)整合能力，更值得注意的是，培育高效新產(chǎn)品開發(fā)能力的核心也包括如何處理組織內(nèi)部核心能力、知識和流程的整合問題，這是一個(gè)跨學(xué)科、跨職能的問題。

整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)體系如果想要高效地運(yùn)轉(zhuǎn)，就必須形成強(qiáng)大的研發(fā)整合能力，將各項(xiàng)技術(shù)能力以及各路研發(fā)團(tuán)隊(duì)掌握的數(shù)據(jù)和知識有機(jī)地整合在一起。

最高層就是企業(yè)的新產(chǎn)品開發(fā)能力，其結(jié)果就是企業(yè)持續(xù)推出的各類動(dòng)力電池產(chǎn)品。

電池的新產(chǎn)品開發(fā)過程通常會經(jīng)歷A樣、B樣、C樣等幾個(gè)階段，研發(fā)流程實(shí)際上是多次原型方案設(shè)計(jì)-測試驗(yàn)證（包括實(shí)驗(yàn)和仿真）的循環(huán)，整個(gè)過程需要充分考慮化學(xué)體系和電池結(jié)構(gòu)、電池性能表現(xiàn)、生產(chǎn)工藝可行性和成本等各方面因素，考察新產(chǎn)品是否滿足了客戶對于安全性、能量密度、功率等方面的需求。

無論是寧德時(shí)代，還是固態(tài)電池公司SolidPower，亦或是其他的電池公司，這些研發(fā)階段劃分和決策考慮基本上都是一致的。

進(jìn)一步講，研發(fā)流程大體相同的情況下，開發(fā)速度對于企業(yè)競爭優(yōu)勢至關(guān)重要。如果電池企業(yè)能夠建立起更加高效的設(shè)計(jì)—仿真/測試驗(yàn)證—制造這一產(chǎn)品研發(fā)循環(huán)，一直以競爭對手更快的速度來實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品開發(fā)，就可以贏得戰(zhàn)略性的競爭優(yōu)勢。

但是開發(fā)速度要建立在高效且穩(wěn)定的研發(fā)體系基礎(chǔ)之上。一個(gè)堅(jiān)實(shí)的研發(fā)體系必然包含明確精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)、注重TTM（timetomarket）、整合內(nèi)外部資源、高質(zhì)量且高效的原型方案設(shè)計(jì)-測試驗(yàn)證循環(huán)，這些可以幫助企業(yè)更快地開發(fā)出有吸引力的新產(chǎn)品并探索生產(chǎn)工藝流程。

對于電池研發(fā)來講，要想整體產(chǎn)品研發(fā)體系循環(huán)更為高效，就需要逐步減少中間實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)迭代的步驟和次數(shù)，逐步提高仿真指導(dǎo)設(shè)計(jì)的比重，同時(shí)通過數(shù)字化手段提高設(shè)計(jì)-測試/仿真-制造循環(huán)過程中的數(shù)據(jù)收集、整理和分析流程的效率。

從實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)為主導(dǎo)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榉抡骝?qū)動(dòng)正向設(shè)計(jì)為主導(dǎo)，從各環(huán)節(jié)、各團(tuán)隊(duì)獨(dú)立分析逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榻M織整體協(xié)同研發(fā)。

由此可見，電池的材料創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與系統(tǒng)集成創(chuàng)新都離不開信息技術(shù)的運(yùn)用，愈發(fā)需要通過計(jì)算與數(shù)據(jù)來整合、驅(qū)動(dòng)整個(gè)研發(fā)體系。

具體而言，數(shù)字化研發(fā)技術(shù)主要包括的是底層的虛擬仿真技術(shù)以及中層的研發(fā)整合能力。企業(yè)可以借助研發(fā)數(shù)字化來構(gòu)建高效產(chǎn)品開發(fā)循環(huán)。

構(gòu)建高效產(chǎn)品開發(fā)循環(huán)體系的關(guān)鍵數(shù)字化技術(shù)主要包括經(jīng)典的CAE仿真技術(shù)、新興的計(jì)算材料學(xué)技術(shù)、仿真與測試實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)管理與分析技術(shù)。這些技術(shù)也在不斷演進(jìn)，有新的發(fā)展趨勢值得關(guān)注。下面將逐一介紹：

多尺度仿真與仿真大眾化

CAE仿真作為經(jīng)典的研發(fā)數(shù)字化技術(shù)之一，其在電池領(lǐng)域發(fā)揮的作用將愈發(fā)關(guān)鍵。現(xiàn)有電池仿真技術(shù)和軟件仿真多集中在電芯及模組系統(tǒng)的尺度上，對于微觀尺度上的電化學(xué)過程的仿真還存在一定的技術(shù)瓶頸，而突破這些瓶頸需要結(jié)合鋰電池電化學(xué)模型的理論創(chuàng)新來實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)前電池仿真技術(shù)主要的發(fā)展趨勢為多尺度仿真。多尺度仿真即跨越微宏觀多個(gè)尺度，在電池材料本征特性（微觀原子、分子層面）、活性材料顆粒、極片、電芯以及電池模組、電池包多個(gè)尺度上進(jìn)行仿真模擬和設(shè)計(jì)優(yōu)化。

下圖展示了從材料探索到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的多尺度設(shè)計(jì)和模擬。

圖鋰離子電池多尺度設(shè)計(jì)和模擬技術(shù)概況

提升鋰電池正向設(shè)計(jì)能力需要從材料-結(jié)構(gòu)-工藝-性能這個(gè)四面體關(guān)系出發(fā)。微觀尺度上的材料基因組、DFT、MD等方法是從材料本征特性出發(fā)，輔助篩選出新型正負(fù)極、電解液、隔膜以及粘結(jié)劑等材料，開發(fā)新的化學(xué)材料體系，滿足新型電池能量密度、功率或者安全性上的要求。

另一方面，在顆粒尺度上構(gòu)建真實(shí)極片結(jié)構(gòu)模型，則更多是從電極微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)提高電池整體性能，且可以與制造工藝結(jié)合，優(yōu)化工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與制造兩端協(xié)同優(yōu)化。

此外，未來固態(tài)電池的研發(fā)將基于新的電化學(xué)理論模型，這也需要電化學(xué)理論創(chuàng)新來引領(lǐng)工程創(chuàng)新。

提高鋰離子電池的性能、合理優(yōu)化電池材料和結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)，需要系統(tǒng)地研究電池內(nèi)部各物理場的耦合作用機(jī)理，從多尺度范圍上深入理解電池運(yùn)行機(jī)理，建立數(shù)學(xué)物理模型，并運(yùn)用FEM、FVM、LBM等數(shù)值模擬算法和降階模型，結(jié)合高性能計(jì)算，構(gòu)建高效的設(shè)計(jì)-仿真驗(yàn)證的產(chǎn)品開發(fā)循環(huán)體系。

更多關(guān)于鋰電池多尺度仿真技術(shù)及CAE前沿發(fā)展的內(nèi)容，之前筆者已經(jīng)在《動(dòng)力電池競爭的下一維度，仿真尋找電池研發(fā)的「摩爾定律」》一文中較為詳細(xì)地闡述過了。

目前頭部電池企業(yè)已經(jīng)開始利用前沿仿真技術(shù)來對電池新產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)行輔助指導(dǎo)。寧德時(shí)代董事長曾毓群認(rèn)為材料創(chuàng)新實(shí)質(zhì)上比拼的是計(jì)算能力。

寧德時(shí)代通過數(shù)字化研發(fā)手段提升研發(fā)效率，不斷推進(jìn)材料體系創(chuàng)新、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，加速了在鈉離子電池、鋰金屬電池、無鈷無貴金屬電池等新化學(xué)體系方面的研發(fā)進(jìn)程。

2021年，寧德時(shí)代通過高通量材料集成計(jì)算平臺，在原子級別對材料進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)優(yōu)化，研發(fā)出高能量密度、高穩(wěn)定性和低溫性能優(yōu)異的第一代鈉離子電池技術(shù)。

寧德時(shí)代也在運(yùn)用基于密度泛函理論的第一性原理，通過高通量計(jì)算篩選出摻雜元素，對現(xiàn)有材料進(jìn)行改性，進(jìn)一步提升電池工作電壓、能量密度等指標(biāo)。

寧德時(shí)代建立了21C創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，總共分為六個(gè)團(tuán)隊(duì)，分別負(fù)責(zé)數(shù)字化研發(fā)（主要是實(shí)驗(yàn)測試數(shù)字化管理）、前沿材料研究、新一代太陽能電池、先進(jìn)電池研究、聚合物研究以及智能計(jì)算與數(shù)字中心。

該實(shí)驗(yàn)室核心是要構(gòu)建AI+物理的數(shù)字化研發(fā)體系，這個(gè)體系既包括多尺度計(jì)算模擬仿真和高通量計(jì)算，比如運(yùn)用相場方法模擬來探究顆粒分布對極化的影響，同時(shí)還引入了AI技術(shù)，比如機(jī)器學(xué)習(xí)式函數(shù)的力場和分子動(dòng)力學(xué)方法，輔助材料篩選和設(shè)計(jì)，比如電解液的材料，先進(jìn)行材料虛擬篩選，從數(shù)億計(jì)的材料里面篩選出最佳的材料。

寧德時(shí)代也在2021年宣布與深勢科技合作，共同研發(fā)材料計(jì)算平臺，從原子分子尺度探求新的電池材料化學(xué)體系，力求從最底層的物理化學(xué)反應(yīng)過程出發(fā)，找到電池電化學(xué)過程的基本規(guī)律，并以此來篩選可用的正負(fù)極材料、電解液材料，并設(shè)計(jì)材料的微觀結(jié)構(gòu)。

中創(chuàng)新航也在2022全球新能源與智能汽車供應(yīng)鏈創(chuàng)新大會上表示，公司在OS高錳鋰電池新產(chǎn)品研發(fā)過程中，綜合運(yùn)用了測試的實(shí)驗(yàn)技術(shù)與虛擬的仿真技術(shù)。

中創(chuàng)新航提到為了解決錳鐵鋰導(dǎo)電性差、電池阻抗高、極化大的業(yè)界難題，綜合運(yùn)用了包覆、摻雜、梯度設(shè)計(jì)等工藝，具體的技術(shù)設(shè)計(jì)綜合運(yùn)用了實(shí)驗(yàn)測試手段和材料仿真技術(shù)，包括上述提到的原子分子尺度的第一性原理和電芯尺度的電化學(xué)仿真技術(shù)，比如在設(shè)計(jì)初期可以用于評估摻雜不同過渡金屬元素之后電極材料的導(dǎo)電性能提高多少、內(nèi)阻解決程度能有多大。

仿真技術(shù)本身非常艱深復(fù)雜，需要輸入大量的初始條件和參數(shù)，以及什么樣情況下使用哪種網(wǎng)格離散格式和哪種數(shù)值模擬算法，工程師都需要經(jīng)過長期的專業(yè)培訓(xùn)才能掌握，而且理解仿真結(jié)果和產(chǎn)品性能之間的關(guān)系也并不容易，這些都是構(gòu)建高效研發(fā)體系的瓶頸。

因此，仿真技術(shù)近年來也開始出現(xiàn)大眾化、普惠化的趨勢，其價(jià)值意義正是在于降低使用仿真技術(shù)、理解仿真過程結(jié)果的門檻，以促進(jìn)設(shè)計(jì)、仿真、測試以及產(chǎn)品人員之間的深度交流。

實(shí)現(xiàn)仿真大眾化、普惠化的重要技術(shù)方法是構(gòu)建仿真APP，將專家經(jīng)驗(yàn)、行業(yè)知識和設(shè)計(jì)仿真流程封裝起來，提供專用場景下的工程模塊，供普通設(shè)計(jì)工程師或非工程師群體直接使用，從而可以大幅降低仿真技術(shù)的應(yīng)用門檻。

例如，仿真APP可以讓熱管理專家評估仿真結(jié)果是否合理，但他們不需要掌握仿真的復(fù)雜知識和求解器操作來完成仿真工作。

目前，不少國際主流仿真軟件都開始提供構(gòu)建仿真APP的功能，例如COMSOLMultiphysics就包含了用于構(gòu)建和發(fā)布App或引導(dǎo)式仿真工作流程的功能。這個(gè)功能可以讓仿真專家創(chuàng)建仿真應(yīng)用程序，其中只有幾個(gè)變量需要輸入，這樣就可以允許仿真新手和非專家在不學(xué)習(xí)仿真軟件的情況下使用APP來完成設(shè)計(jì)的虛擬驗(yàn)證任務(wù)。國內(nèi)索為、安世亞太、云道智造也都在工業(yè)仿真APP方面有所突破。

研發(fā)數(shù)據(jù)管理與分析

目前電芯研發(fā)，仿真驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證都是不可或缺的環(huán)節(jié)，整個(gè)研發(fā)過程中會產(chǎn)生大量虛擬驗(yàn)證和真實(shí)驗(yàn)證的數(shù)據(jù)。

因此，設(shè)計(jì)、仿真和測試的數(shù)據(jù)能否暢通無阻地在各研發(fā)團(tuán)隊(duì)中傳遞共享，各職能團(tuán)隊(duì)成員能否直觀地理解這些數(shù)據(jù)背后的意義，這些是研發(fā)整合的基礎(chǔ)，也將決定整個(gè)研發(fā)體系整合的效果。

目前電池企業(yè)內(nèi)部設(shè)計(jì)、仿真、測試往往是分開獨(dú)立的團(tuán)隊(duì)，而電芯研發(fā)是一個(gè)復(fù)雜的高集成度的問題，因此高效、深度的雙向溝通是加速電芯研發(fā)的重要和必要的因素。“把設(shè)計(jì)需求或方案扔給下游就完事”的方法不利于多部門團(tuán)隊(duì)之間及時(shí)溝通產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案，頻繁密切的信息交互和數(shù)據(jù)流通，當(dāng)然這種高效的集成整合對于組織協(xié)作提出了更高要求。

要想實(shí)現(xiàn)各研發(fā)團(tuán)隊(duì)間數(shù)據(jù)高效共享，首先就要對設(shè)計(jì)、仿真、測試等各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

材料數(shù)據(jù)管理：

電池研發(fā)的核心在于“材料配方”，研發(fā)過程中會涉及到種類繁多的金屬和非金屬材料，不同供應(yīng)商提供的同種材料、不同工藝制備出來的同類型材料都可能在材料屬性特征上存在差異，加上摻雜、包覆等多種工藝，使得電池材料的管理也非常復(fù)雜。

如果企業(yè)能夠有效管理研發(fā)所用到的材料數(shù)據(jù)，綜合企業(yè)內(nèi)部的試驗(yàn)、設(shè)計(jì)、歷史積累數(shù)據(jù)和企業(yè)外部材料信息數(shù)據(jù)資源，最終形成一個(gè)覆蓋范圍廣泛的企業(yè)級電池材料信息管理系統(tǒng)，由此更加方便地獲取準(zhǔn)確的材料數(shù)據(jù)，將有效提升企業(yè)電池研發(fā)仿真精度與效率。

仿真數(shù)據(jù)管理：

在仿真的過程中，針對不同批次、不同型號的電池產(chǎn)品生成了海量的、不同類型的仿真文檔和數(shù)據(jù)，對應(yīng)著不同的分析結(jié)果。目前這些仿真結(jié)果數(shù)據(jù)主要存放在工程師電腦端，容易發(fā)生數(shù)據(jù)丟失和版本混亂等問題，且團(tuán)隊(duì)內(nèi)部數(shù)據(jù)共享困難，設(shè)計(jì)、仿真和試驗(yàn)之間存在大量“數(shù)據(jù)孤島”。如何有效建立仿真分析、測試數(shù)據(jù)與產(chǎn)品文檔的對應(yīng)管理關(guān)系十分關(guān)鍵。

此外，企業(yè)需要建立自己的虛擬仿真規(guī)范和知識庫，實(shí)現(xiàn)對仿真知識的沉淀和復(fù)用。企業(yè)通過建立自動(dòng)化腳本和仿真APP，實(shí)現(xiàn)仿真流程的自動(dòng)化，創(chuàng)建完整的仿真流程模板，以此將分析專家的仿真知識和仿真流程傳承給新入門的分析工程師。如此可以避免因?yàn)榉抡婀こ處熤R水平和經(jīng)驗(yàn)積累的差異導(dǎo)致仿真效果的差異。

測試環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)管理

目前電池研發(fā)的測試規(guī)模越來越大，投入的資金、設(shè)備、物料和人力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般的實(shí)驗(yàn)室測試。

例如近期對外披露的蜂巢能源無錫全球研發(fā)中心，其中試驗(yàn)中心占地面積超2.4萬㎡，整個(gè)電芯測試區(qū)域有1.26萬個(gè)測試通道，僅試驗(yàn)設(shè)備的投資額就達(dá)到數(shù)億元。如此大規(guī)模的測試活動(dòng)自然會產(chǎn)生海量的測試數(shù)據(jù)。因此，企業(yè)對于測試數(shù)據(jù)的管理能力亟待提高。

目前多數(shù)電池企業(yè)仍然主要以紙質(zhì)或者借助Excel表格存儲管理研發(fā)數(shù)據(jù)。少數(shù)頭部企業(yè)通過上線研發(fā)試驗(yàn)管理系統(tǒng)（LIMS）來提高研發(fā)數(shù)據(jù)管理水平，保證測試數(shù)據(jù)的可追溯性和可重用性。

在部分電池企業(yè)，這類管理系統(tǒng)會覆蓋電池常規(guī)測試、電池表征測試、電池失效分析等方面。寧德時(shí)代、國軒高科、中創(chuàng)新航和蜂巢能源等企業(yè)的試驗(yàn)中心都已獲得CNAS認(rèn)證，在研發(fā)測試能力建設(shè)上實(shí)現(xiàn)了重要一步。

數(shù)據(jù)分析平臺：

在實(shí)現(xiàn)測試數(shù)據(jù)和流程的基本管理的基礎(chǔ)上，企業(yè)需要建立電池表征管理和電化學(xué)參數(shù)庫，實(shí)現(xiàn)電池測試數(shù)據(jù)和材料數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化存儲，搭建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理分析平臺，實(shí)現(xiàn)電池研發(fā)數(shù)據(jù)的全過程追溯，這也可以為之后將測試和仿真結(jié)合起來打好基礎(chǔ)。

進(jìn)一步的，企業(yè)可以通過建立數(shù)據(jù)平臺對測試過程數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和規(guī)律挖掘，盡可能地運(yùn)用AI等技術(shù)提煉出電池內(nèi)部機(jī)理規(guī)律。

在數(shù)據(jù)分析這方面，一家名為Voltaiq的美國創(chuàng)業(yè)公司值得關(guān)注。該公司開發(fā)了一個(gè)EBI（EnterpriseBatteryIntelligence）平臺，該平臺可以從電池測試實(shí)驗(yàn)室、生產(chǎn)線和實(shí)際工況下的電池組自動(dòng)化地收集大量電池?cái)?shù)據(jù)，后續(xù)整個(gè)分析過程是基于云服務(wù)的。

Voltaiq的技術(shù)解決方案可以幫助電池制造商和車企等電池價(jià)值鏈上的所有相關(guān)主體快速準(zhǔn)確地獲取、分析電池全生命周期中性能和質(zhì)量數(shù)據(jù)，平臺可以覆蓋電池研發(fā)、制造、使用以及回收的全流程，從而使電池企業(yè)和車企等更有效地設(shè)計(jì)、開發(fā)、制造和使用電池產(chǎn)品。

Voltaiq平臺的功能主要集中在測試數(shù)據(jù)的分析方面，下面我們來逐一介紹其平臺的主要功能：

數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一，這涉及到元數(shù)據(jù)的治理。Voltaiq會將從測試設(shè)備中采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為通用格式，工程師可以對整組電池、電池測試、性能日志和序列號和批次/批號、材料、化學(xué)成分等元數(shù)據(jù)進(jìn)行快速搜索

交互式繪圖分析：可以讓工程師使用30多個(gè)時(shí)間序列數(shù)據(jù)字段和70多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。平臺可以快速無縫地將測試過程中的各個(gè)數(shù)據(jù)文件“拼接”在一起，保證工程師可以快速查詢電池的整個(gè)生命周期性能數(shù)據(jù)，評估累積KPI（循環(huán)次數(shù)、容量、能量），相比傳統(tǒng)EXCEL可以節(jié)省大量時(shí)間。

多種電化學(xué)分析功能：用戶可以在平臺上進(jìn)行循環(huán)壽命分析、HPPC測試分析、放電速率分析、dQ/dV曲線（微分容量曲線）分析，甚至還包括電池模組的EOL測試。幫助企業(yè)減少測試循環(huán)和分析時(shí)間。

測試通道的管理和資源分配，也會便于測試人員知曉電池位置和狀態(tài)。

AI技術(shù)：Voltaiq提供電池?cái)?shù)據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)的開發(fā)環(huán)境與原型預(yù)測機(jī)器學(xué)習(xí)算法，用戶可以在系統(tǒng)中構(gòu)建并運(yùn)行Python或Matlab分析，并根據(jù)實(shí)際電池性能驗(yàn)證模型

Voltaiq希望通過新的電池?cái)?shù)據(jù)分析平臺來幫助電池企業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的測試數(shù)據(jù)存儲管理與分析，改變原先手動(dòng)的基于EXCEL的數(shù)據(jù)處理方法，并提供AI技術(shù)應(yīng)用的開發(fā)環(huán)境，以加速新材料、化學(xué)制品和制造工藝的測試與分析，從數(shù)據(jù)中獲取技術(shù)洞察，縮短電池新產(chǎn)品開發(fā)周期。

Voltaiq已經(jīng)為車企、電池企業(yè)以及電池材料企業(yè)提供服務(wù)，包括梅賽德斯奔馳、ForgeNano等。

其中ForgeNano主要通過原子層沉積(ALD)來制造精密納米涂層，創(chuàng)建核殼結(jié)構(gòu)來保護(hù)活性材料的顆粒，實(shí)現(xiàn)較低的內(nèi)阻，從而顯著提高電池性能，增加電極容量，提高循環(huán)壽命，實(shí)現(xiàn)更快充電。

ForgeNano使用VoltaiqBatteryIntelligence平臺可以更加快速地分析電池材料性能指標(biāo)數(shù)據(jù)，以加快研發(fā)其新一代電池材料加工包覆技術(shù)。

國外類似的電池?cái)?shù)據(jù)分析平臺還包括Astrolabe、Batalyse、Galvanalyser、PyBaMM、BEEP、BatteryArchive等。

國內(nèi)電池企業(yè)也同樣注重研發(fā)過程中實(shí)驗(yàn)測試和仿真的數(shù)據(jù)積累和分析，例如弗迪電池在開發(fā)高功率電池時(shí)需要考慮鋰枝晶的問題，弗迪電池通過積累沉淀的300多種DOE數(shù)據(jù)庫，結(jié)合電化學(xué)機(jī)理提出更為精確的鋰枝晶模型，為高功率電池的研發(fā)提供了重要安全保障。

國軒高科在部署LIMS、PLM等研發(fā)管理系統(tǒng)的同時(shí)，也注重研發(fā)協(xié)同平臺的建設(shè)，目的是打造“研發(fā)大腦”。

電池研發(fā)整合既需要從微觀尺度到宏觀尺度的仿真技術(shù)，也需要包含打通設(shè)計(jì)、測試、仿真的綜合數(shù)據(jù)平臺，以此實(shí)現(xiàn)電池研發(fā)數(shù)據(jù)的全過程追溯，以及跨部門、跨組織的研發(fā)協(xié)同。比如電池仿真技術(shù)公司易來科得開發(fā)的仿真平臺，覆蓋了電芯研發(fā)測試全流程，可以幫助電池企業(yè)建立更加高效的研發(fā)體系，加速新型號電池開發(fā)。

2、電池研發(fā)體系發(fā)展趨勢

就電池研發(fā)體系本身而言，未來重要的轉(zhuǎn)變一是結(jié)合材料計(jì)算、電化學(xué)仿真等技術(shù)進(jìn)行正向產(chǎn)品設(shè)計(jì)，盡可能減少制樣測試的次數(shù)，避免盲目試錯(cuò)。二是運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)提高研發(fā)效率，特別是要實(shí)現(xiàn)研發(fā)高效協(xié)同。

而從研發(fā)體系出發(fā)延伸開來，研發(fā)設(shè)計(jì)與制造的融合趨勢變得愈發(fā)重要。

更進(jìn)一步的，研發(fā)整合甚至需要囊括設(shè)計(jì)-仿真/測試-制造-使用全流程，制造工藝與設(shè)計(jì)仿真相協(xié)同，綜合考慮制造可行性和設(shè)計(jì)可行性，優(yōu)化工藝參數(shù)，確定工藝窗口，加快新產(chǎn)品進(jìn)入大規(guī)模制造環(huán)節(jié)的速度。

再比如利用云端電池歷史數(shù)據(jù)，構(gòu)建電池孿生模型，一方面可以探索電池機(jī)理規(guī)律，反饋得到的衰減數(shù)據(jù)，可以用于加深對電池老化機(jī)理的理解，優(yōu)化電池設(shè)計(jì)。另一方面與傳統(tǒng)BMS技術(shù)相比，可以更有效地減少前期開發(fā)過程中的實(shí)驗(yàn)量，縮短BMS系統(tǒng)開發(fā)周期。

此外，由于動(dòng)力電池事關(guān)電動(dòng)汽車的整車性能，對于電動(dòng)車終端用戶感知體驗(yàn)十分重要，所以無論是電池企業(yè)，還是介入電池研發(fā)制造環(huán)節(jié)的車企，都需要更多從整車研發(fā)的角度來考慮動(dòng)力電池技術(shù)創(chuàng)新。

譬如中創(chuàng)新航對電池之于終端用戶體驗(yàn)的闡釋，底層也是最重要的就是安全，其次是成本和殘值，這里的成本包括直接購買成本和使用成本，成本特別是原材料價(jià)格其實(shí)也是推動(dòng)各家電池企業(yè)在今年瞄準(zhǔn)磷酸錳鐵鋰技術(shù)路線進(jìn)行量產(chǎn)的主要原因。

在第三層是普遍關(guān)注的續(xù)航、能量密度等因素，中創(chuàng)新航在這里還特別強(qiáng)調(diào)了NVH，因?yàn)殡姵噩F(xiàn)在已經(jīng)作為一種結(jié)構(gòu)件參與了整車的NVH（Noise/Vibration/Harshness），這一點(diǎn)就意味著，未來電池研發(fā)過程中需要從更多維度、從整車開發(fā)的系統(tǒng)層面去綜合考慮電池的材料創(chuàng)新以及結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。

同時(shí)，這也意味著整個(gè)電池研發(fā)體系需要和整車開發(fā)系統(tǒng)工程進(jìn)行有機(jī)的融合。

從技術(shù)創(chuàng)新上看，車輛電動(dòng)化過程中電池技術(shù)必須與整車技術(shù)深度綁定，比如從直接大模組電池包向電池底盤一體化、電池車身一體化等方向發(fā)展。電池開發(fā)已經(jīng)不是一個(gè)單純的零部件開發(fā)問題，而是整車開發(fā)的一大核心任務(wù)。

從研發(fā)架構(gòu)上看，未來電池研發(fā)體系會更加注重材料、電池、模組、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等各研發(fā)團(tuán)隊(duì)之間的協(xié)作。而電池研發(fā)更偏重“配方+材料”，生產(chǎn)工藝也更接近于流程行業(yè)，和整車研發(fā)以“零部件”為核心、生產(chǎn)以組裝為核心的離散制造方式有很大不同。

如何整合不同類別的產(chǎn)品研發(fā)體系將是未來的一大挑戰(zhàn)。這里也會涉及到MBSE的設(shè)計(jì)方法和技術(shù)，以后我們會繼續(xù)探討這部分內(nèi)容。

尾聲

公司是核心技術(shù)能力的有機(jī)組合，而非是產(chǎn)品或者業(yè)務(wù)的組合。公司就像是一棵樹，核心技術(shù)能力是提供養(yǎng)分、營養(yǎng)和穩(wěn)定性的根系，產(chǎn)品和業(yè)務(wù)則是由核心技術(shù)能力孕育出來的樹干、枝葉和果實(shí)。如果只關(guān)注企業(yè)的產(chǎn)品，就會看不到它的力量之源，就像只看到樹葉就感覺不到樹的力量一樣。

電池研發(fā)能力作為動(dòng)力電池企業(yè)核心競爭力來源之一，其背后的核心技術(shù)能力、研發(fā)流程及體系，以及由此孕育出來的研發(fā)工具軟件和平臺是具備更高戰(zhàn)略價(jià)值的。

這些將支撐電池企業(yè)形成高效的電池新產(chǎn)品開發(fā)能力，這種能力還將不斷地轉(zhuǎn)換為巨大的競爭優(yōu)勢。假如某電池企業(yè)能夠基于更加高效的設(shè)計(jì)仿真-測試驗(yàn)證-制造的新產(chǎn)品開發(fā)循環(huán)，快于對手發(fā)布新一代性能更好或成本更優(yōu)的電池產(chǎn)品。首先，該企業(yè)將能夠在市場上享受一定的市場溢價(jià)，或是用更低的價(jià)格占據(jù)更高的市場份額，這種定價(jià)和市場份額策略是具備更強(qiáng)的靈活性的。

快速推出新產(chǎn)品的時(shí)間優(yōu)勢又是可以積累的，而對手有可能為了加快新產(chǎn)品開發(fā)的速度而忽視了研發(fā)體系的建設(shè)，盲目追趕很可能破壞了對自身研發(fā)和制造成本的控制，競爭格局上很可能進(jìn)一步滑向劣勢。

因此，可以看到高效的新產(chǎn)品開發(fā)體系將帶來三種競爭優(yōu)勢，為企業(yè)贏得戰(zhàn)略主動(dòng)：

更優(yōu)異的性能

更符合市場需求的產(chǎn)品

更加靈活的定價(jià)和市場策略

高科技企業(yè)競爭的勝敗不僅僅在于各個(gè)核心技術(shù)能力的強(qiáng)弱，更在于其整體研發(fā)體系的高效與否，在新產(chǎn)品研發(fā)體系和核心能力培育過程中，數(shù)字化技術(shù)對于研發(fā)整合的支撐作用至關(guān)重要。

從動(dòng)力電池企業(yè)技術(shù)和新產(chǎn)品開發(fā)戰(zhàn)略的角度出發(fā)，特別是在產(chǎn)業(yè)競爭愈發(fā)白熱化的形勢下，除去電池化學(xué)體系、技術(shù)路線的選擇外，構(gòu)建高效的動(dòng)力電池研發(fā)體系是至關(guān)重要的。

構(gòu)建過程中既要加強(qiáng)核心設(shè)計(jì)仿真技術(shù)等研發(fā)能力的培育，又要運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)融合新產(chǎn)品開發(fā)流程，使得各層組織具備集成性解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)問題的能力，而后重新重塑整個(gè)開發(fā)循環(huán)，這對于培育企業(yè)核心技術(shù)能力將帶來助力。

企業(yè)技術(shù)與創(chuàng)新戰(zhàn)略的核心目的是建立、培育自身核心技術(shù)能力，具體的戰(zhàn)略實(shí)施也都將圍繞著具體核心技術(shù)及研發(fā)整合來展開。

當(dāng)產(chǎn)業(yè)環(huán)境變化、技術(shù)演化趨勢變革、核心競爭要素改變時(shí)，企業(yè)要與時(shí)俱進(jìn)地圍繞新的核心能力構(gòu)建高效的新產(chǎn)品研發(fā)體系，從而在競爭中掌握戰(zhàn)略主動(dòng)。

參考資料

1.LiuX,ZhangL,YuH,etal.Bridging Multiscale Characterization Technologies and Digital Modeling to Evaluate Lithium Battery Full Lifecycle[J].Advanced Energy Materials,2022,Jun15:2200889.

2.中創(chuàng)新航招股說明書

3.寧德時(shí)代招股說明書

4.SolidPower：The Roadtoa Solid-State-Powered Future:Automotive Qualificationandthe“A-Sample”Cell

5.清華大學(xué)李哲副教授：動(dòng)力電池的先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)與研發(fā)模式變革

https://mp.weixin.qq.com/s/kcxjLOgook-0AQXIfVEtmQ

6.寧德時(shí)代-21C智算與數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)人-趙旭山：計(jì)算和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的新能源電池研發(fā)——“AI＋物理”材料創(chuàng)新研發(fā)生態(tài)

7.行業(yè)首發(fā)：中創(chuàng)新航OS高錳鐵鋰電池——面向TWh的又一次結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和材料創(chuàng)新

https://mp.weixin.qq.com/s/cplf-eBcV1bZfqdtQiApOw

8.Voltaiq官網(wǎng)

9.國軒高科數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型升級技術(shù)路線總體介紹

https://mp.weixin.qq.com/s/1Y30Cso9nqOoVTzGzhDNHQ

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