鋰離子動力電池生產物流系統仿真優化

梁子財，唐小琦,2，宋 寶，羅小軍

（1.華中科技大學 中歐清潔與可再生能源學院，湖北 武漢 430074；2.華中科技大學 機械科學與工程學院，湖北 武漢 430074；3.廣東拓斯達科技股份有限公司，廣東 東莞 523822）

1 引言

隨著新能源汽車市場的擴大[1]，鋰離子動力電池作為新能源汽車的心臟越來越受到國家和企業的重視。對于日益強烈的市場競爭[2]，有效降低電池生產成本、提高電池質量是電池生產廠家占領新能源汽車產業鏈制高點的關鍵。

王輝[3]應用Flexsim仿真軟件，以生產線平衡和物流優化設計為理論基礎對F 公司生產線提出改進方案并驗證改進方案的優化效果。李琦等[4]利用Flexsim軟件對壓裝生產線進行模擬仿真，針對生產系統中出現的設備利用率、人員利用率及瓶頸工序等問題進行分析，并提出優化方案。張如杰等[5]利用eMPlant 軟件對機車預裝生產線進行物流仿真，找出生產線存在的缺陷并提出優化方案。羅佳[6]采用Auto-Mod平臺對某床墊制造企業的床墊生產線建模仿真，針對瓶頸問題進行優化改進，最終提高產量。

本文通過Plant Simulation 仿真平臺對某鋰離子動力電池生產物流系統進行建模和仿真，以產能最大化為優化目標并建立目標函數，以改目標函數分析系統缺陷，研究制定優化方案并實驗驗證優化效果，為企業改善生產物流系統提供依據，最終實現提高設備利用率、降低資源損耗，從而提高企業的行業競爭力。

2 生產物流系統描述及問題

2.1 生產物流系統描述

鋰離子動力電池生產物流系統中電芯制作部分設備較多，生產速率快，是整個生產系統的關鍵部分，因此本文以電芯制作部分為對象進行仿真優化。

電芯制作部分的加工工藝流程如圖1 所示。極片制作部分產生的正極片、負極片和隔膜進入卷繞機卷繞之后生成電芯，之后依次進行熱壓、X-Ray 檢測、超聲波焊接、軟連接焊接、裝支架、包Mylar、入殼、預焊、滿焊、前氦檢等工序，之后流入化成分容部分，其先后次序如圖1所示。

圖1 電芯制造部分加工工藝流程

2.2 系統問題分析

按照初始規劃，設定鋰離子動力電池生產系統的電芯制作部分各個設備的生產節拍如表1 所示。其中節拍最大的預焊為瓶頸工序。

表1 設備生產節拍

根據上述節拍分布，可得該生產物流系統的生產線平衡率為：

該鋰離子動力電池生產系統的平衡率只有51.72%，小于80%，可知不同設備之間的節拍匹配程度低。此外，由于設備經常出現故障而導致生產線生產停滯。因此，鋰離子動力電池生產系統由于生產線節拍匹配度低、設備頻繁故障而造成設備利用率低，堵塞率、等待率高、產能低等問題。

3 生產物流系統仿真

3.1 仿真優化目標函數

由于該生產物流系統是串行流水線，因而其產能受限于瓶頸工序的生產能力[7]。因此，可確定本文的優化目標函數的值為瓶頸工序的設備理論最大產能值，具體函數定義為：

其中：

式中：n為生產系統設備總數；workingi為第i臺設備的設備利用率；Ttotal為總時間；Ti為第i臺設備的的生產節拍；Oi為第i臺設備的有效率；idlei為第i臺設備的空閑率；blockedi為第i臺設備的堵塞率；Pi,i+1為第i臺與第i+1 臺設備的節拍匹配度；g()Pi,i+1,Oi,Oi+1為idlei與Pi,i+1、Oi、Oi+1的不確定系數的數學關系；f()Pi,i+1,Oi,Oi+1為blockedi與Pi,i+1、Oi、Oi+1的不確定系數的數學關系。

本文中設備的有效率Oi固定不變，此外生產線節拍匹配度Pi,i+1越高、設備故障導致生產線停滯時間越短就越小。因此通過式（1）、（2）、（3）與（4），可知可以通過匹配生產物流系統的節拍以及設置緩沖區減輕因設備故障導致生產線停工的影響，從而降低空閑率idlei和堵塞率blockedi，提高workingi，提高各個設備的理論最大產能從而提高目標函數F的值，最終提高生產系統產量。

3.2 構建仿真模型

利用Plant Simulation平臺建模之前，對本生產系統模型做出如下假設：

（1）設定模型每天運行24h，仿真運行90d。

（2）根據實際加工設備的特性，將各個設備都簡化為仿真平臺的框架對象或者并行處理對象。每個工序的操作時間簡化為加工時間，并且根據實際情況設置相應設備的有效率與MTTR參數。

（3）假設仿真運行過程中各工位原材料充足，成品及時送出，并且不考慮次品出現的情況。

因此，仿真系統的模型定義見表2。

表2 仿真模型定義表

生產系統的傳輸帶采用線對象進行建模，根據實際情況設置傳輸速度為18m/min。最終建立完成的仿真模型如圖2所示。

3.3 運行仿真模型及仿真結果分析

仿真運行90d之后，利用圖表對象來顯示各個設備的資源統計信息。電芯制作部分的各個設備的資源統計及設備理論最大產能見表3。由統計結果可知，該鋰離子動力電池生產系統的電芯制作部分各個設備的利用率較低，前面的設備堵塞率非常高，后面的設備等待率高，目標函數F的值等于瓶頸工序卷繞機的設備理論最大產能124 582個。此外，通過統計電芯制作部分流出的電池數量，得出仿真90d之后電芯制作部分的實際產能只有122 272個電池，產能較小。

表3 各個設備詳細仿真數據

4 生產物流系統仿真優化

4.1 基于節拍匹配的優化

系統的設計節拍是0.083 3min,即電芯制作部分的理想節拍為每生產1 個電池要耗費0.083 3min，因此以此標準進行節拍匹配。根據前面的分析，節拍匹配的原則是使得前后設備的生產節拍盡量接近，增 大Pi,i+1，從 而 減 小g(Pi,i+1,Oi,Oi+1) 和f(Pi,i+1,Oi,Oi+1) ，同時兼顧設備的實際工作情況，需要匹配的設備經過調整后的設備節拍如表4所示。

此時生產物流系統的生產線平衡率為93.64%,生產線平衡達到優。

4.2 提高設備有效率

由于電芯組裝工序段（從熱壓機到前氦檢）生產節拍小（生產速率快），極易因為設備故障導致堵塞，對產能影響特別大。由式（2）可得，設備故障率會影響設備利用率，最終影響設備的理論最大產能，還會影響前后設備的生產能力。因此需要提高熱壓機、X-ray檢測機、超聲波焊接機、軟連接焊接機、裝支架機的有效率，縮短生產線停滯時間，從而減小g(Pi,i+1,Oi,Oi+1) 和f(Pi,i+1,Oi,Oi+1) 。

圖2 電芯制造部分仿真模型

表4 調整前后各個設備生產節拍

針對設備有效率低的問題，可以通過更換新設備或者制定設備維護制度，從而提高設備有效率。本次仿真的設備有效率提高目標見表5。

表5 需要提高有效率的設備數據

4.3 驗證仿真效果

經過節拍匹配與提高部分設備有效率，重新運行仿真模型90d，電芯制作部分的各個設備的資源統計及設備理論最大產能見表6。

對比優化前后的設備資源統計信息，發現優化后的設備資源利用率有明顯提高并且各個設備的利用率較為均勻，并且各個設備的理論最大產能都比優化之前有很大的提高。生產系統產能從原來的122 272個電池增加到145 248個電池，增長18.8%。

表6 優化后各個設備詳細仿真數據

5 總結

本文通過對某鋰離子動力電池生產物流系統使用Plant Simulation仿真平臺進行仿真構建，并通過仿真結果分析生產物流系統存在的問題。針對生產系統設備利用率低、堵塞嚴重、產能低等問題，通過進行節拍匹配與提高部分設備有效率進行優化，仿真結果表明優化后物流系統的生產線平衡率、產能都比優化前有顯著提高，達到了預期目標。