大規模定制模式下動力鋰電池生產計劃策略與算法研究

李 凡，何 山，車晉偉，王 鵬，李文博

（北京機械工業自動化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

隨著市場經濟的不斷成熟和發展，企業生產模式逐漸從以產品為中心轉變為以客戶為中心，產品市場也逐漸由供方市場轉變為買方市場。為了適應市場形勢的變化，許多企業紛紛轉型，生產模式由傳統面向庫存的大批量生產轉變為面向客戶訂單的大規模定制。大規模定制（Mass Customization，MC）是指以接近大批量生產的成本和速度，提供定制的個性化產品和服務的生產模式，把大規模生產與定制化生產兩種模式進行有機結合，既能夠保證大規模生產低成本和交期短的優點，又能夠滿足客戶的個性化需求。

動力鋰電池組作為新能源汽車核心部件，近年來隨著我國新能源汽車市場和政策利好因素迅速得到了井噴式發展，產品市場需求旺盛。動力鋰電池生產制造過程一般包含電芯生產、模組組裝和PACK總裝三個工藝階段。電池制造企業提前生產電芯備貨，并根據客戶主機廠的特定產品需求，選擇對應型號電芯裝配成模組、PACK系統進行交付。動力鋰電池產品生產批量大、訂單交期時間短、客戶個性化需求高，是一種典型的大規模定制化生產過程。

大規模定制方式基于其在交期、成本、定制化等方面的優勢得以迅速發展，但同時也對企業產品模塊化與標準化、生產計劃排程體系提出了更高的要求。近年來，許多專家學者針對大規模定制模式下的生產計劃體系進行諸多研究和探索，徐建萍等人基于延遲區分策略建立了大規模定制模式下的雙重MPS計劃管理模式[1]，翟麗麗等人應用模塊化方法基于產品族結構模型構建了雙層柔性主生產計劃模型[2]，張澤華等人基于MTA和ATO方案提出了兼顧可得性和定制化的大規模定制化生產方案[3]，孫德廣等人基于針對客車生產提出了面向訂單裝配的工廠層、車間層、工序層三層計劃結構模型[4]，劉艷梅等人基于目標追蹤法和工程深度指示對大規模定制模式下的訂單裝配產品同步問題進行了研究[5]。本文基于客戶訂單分離點CODP，建立了MTS與ATO混合的大規模定制模式下主生產計劃、車間生產計劃和生產線作業計劃三層結構計劃體系模型，并基于生產比倒數法和工程深度指示算法，對最終產品投產裝配順序和安全提前期進行優化。

1 大規模定制模式下生產計劃模型

傳統的生產制造型企業，根據產品市場需求特征和企業生產組織特點的不同，可以劃分為備貨生產和按單生產兩種生產類型，其中按單生產根據客戶訂單分離點在產品生產工藝上下游的位置不同，又可進一步劃分為按單設計、按單生產和按單裝配三種類型。備貨型生產（MTS）主要是基于市場預測和庫存水平進行計劃排產，一般對應產品類型單一的大批量流水作業；按單設計（ETO）根據客戶產品訂單的特定需求，從產品設計工藝開始一直到成品產出進行完全定制化生產，一般對應項目型生產；按單生產（MTO）一般擁有一定的工藝設計標準化模板，根據客戶訂單要求，進行半成品、成品定制化生產，一般對應多品種變批量生產；按單裝配（ATO）一般擁有標準化模塊化的半成品，根據客戶訂單要求選擇對應辦成品進行成品組裝，一般對應大規模定制生產。各生產類型提前期對比如圖1所示。

圖1 MTS、ATO、MTO和ETO四種生產模式下提前期比較

大規模定制因按訂單生產，其需求數量不穩定，企業為了充分利用生產能力，及時供貨和均衡生產，通常在顧客訂單到來之前，通過MTS方式進行部分通用零部件的提前生產；顧客訂單確定后，再針對具體的客戶需求采用ATO方式完成其余定制零部件和最終產品的生產裝配。

客戶訂單分離點（CODP）是企業生產活動中由基于預測的庫存生產轉向響應客戶需求的定制生產的轉換點。在客戶訂單分離點之前是基于預測的庫存生產，采用PUSH推式生產，以預先根據提前期和批量政策制訂好的生產計劃為核心，由計劃驅動各級生產活動；在客戶訂單分離點之后是面向訂單的定制生產，采用PULL拉式生產，以客戶實際需求為核心，由下游實際需求驅動上游生產活動。

新能源汽車動力鋰電池生產制造過程一般包含電芯生產、模組組裝和PACK總裝三個工藝階段。電芯是鋰電池的最小單元模塊；多個電芯選配后，通過串聯、并聯組合，組裝成電池模組；多個電池模組通過與電池管理系統、熱管理系統、電氣及機械系統的進一步裝配形成動力鋰電池PACK系統，其基本工藝過程如圖2所示。

動力鋰電池電芯、模組及PACK生產是一種MTS和ATO混合的大規模定制生產模式。電芯產品一般為行業或企業標準產品，規格型號相對較少且較為穩定，工藝過程相對固定，多采用專用流水線生產，各生產設備的自動化水平很高，是一種基于預測的大批量生產模式。模組、PACK產品規格型號多樣，產品生產工藝過程以機器或人工裝配作業為主，多采用混流裝配生產線進行產品組裝，不同型號產品切換時間短，是一種面向訂單裝配的大規模定制模式。動力鋰電池組電芯及PACK生產的客戶訂單分離點為電芯生產完成下線時點，客戶訂單分離點之前的電芯生產采用PUSH推式生產，客戶訂單分離點之后的模組及PACK組裝采用PULL拉式生產。動力鋰電池大規模定制生產模型如圖3所示。

大規模定制生產模式下的動力鋰電池采用三層結構計劃體系，分別為主生產計劃、車間生產計劃與生產線日計劃。主生產計劃確定最終產品模組及PACK系統的主生產計劃（即最終裝配計劃），模組及PACK系統生產是一種面向客戶訂單裝配（ATO）的大規模定制生產模式，基于客戶實際訂單需求驅動進行PULL拉式按單裝配生產。車間生產計劃確定與模組及PACK組裝計劃相協同的電芯產品的生產計劃，電芯生產是一種面向庫存（MTS）的大批量生產模式，基于預測驅動進行PUSH推式備貨生產。生產線日計劃確定模組、PACK組裝和電芯生產的車間工序級生產線作業計劃。計劃結構體系模型如圖4所示。

圖2 鋰電池電芯、模組及PACK系統生產工藝過程

圖3 動力鋰電池大規模定制生產模型

2 基于生產比倒數法的產品裝配順序優化

本文采用生產比倒數法對面向市場響應的訂單產品裝配順序優化問題進行求解。生產比倒數法適用于多訂單且訂單數量不均衡情況下的產品混流生產線投產順序計劃平準化，實現面向市場需求動態擾動情況下的訂單投產順序優化。通過基于生產比倒數法的產品裝配順序優化，使生產線訂單產品裝配上線投產順序均衡優化。

生產比倒數法的基本出發點是防止同一種產品大量連續重復投入而引起的產品投產不均衡。生產比倒數法基于各訂單產品之間的生產比倒數值，控制同一種產品連續重復投入。生產比倒數法以各產品數量比值的倒數（生產比倒數）作為衡量產品裝配投產順序優化的準則，產品產量在總產量中的比重越大，產品對應的生產比倒數越小，則越先進行投產，投產后剩余訂單產品重新滾動進行生產比倒數比計算下一投產順序，直至完成所有訂單產品裝配投產順序計算。其具體求解過程如下：

1）計算各型號產品的投產比，并確定一個最小生產循環單元制造周期中的產品數量；

2）計算投產比倒數；

3）按計算過程的順序逐行從所有投產的產品中選出投產比倒數值最小的產品先投，并對被選出的型號產品進行標識：如果有幾種型號的產品的投產比倒數相等且都為最小，則取較晚被標識的產品先投，即第二次投產的產品各級型號應盡量與前一次的不同，避免出現某一型號的產品被連續投入；

4）更新投產比倒數值，選定下一個投入生產線的產品。在已經選定的產品的投產比倒數上，加上一個該型號產品的原始投產比倒數，形成該型號產品新的值。并將該新的值與其他型號產品的值進行比較，按以上規則確定新投入的產品型號。以此類推，逐行進行計算，直到將一個最小生產循環單元制造周期內的所有型號產品全部排序完成。

3 基于工程深度指示的生產計劃協同優化

圖4 大規模定制模式計劃結構體系模型

基于工程深度指示的生產計劃將車間生產某零部件的最大日產能和每日可用工作時間視為車間有限的生產能力約束，基于該約束條件，根據車間每日可用工作時間和各零部件實際測算的標準作業加工時間和流轉時間，考慮工序線下存量后，得到各零部件在對應各個工序的安全存量，該安全存量即為車間零部件生產作業最小投產任務量。所有工序安全存量數據會匯總后除以車間每日工作時間，得到各零部件的生產提前期，以實現協同生產。

假設某車間能夠生產m中型號零部件，其中生產第i種型號零部件的生產日產能為qi，i=1，2，…，m，車間每日工作時間為h。該零部件生產過程包含ni道加工工序，第j道工序的加工時間為aij，流轉時間為bij，j=1，2，3，…，n，如果工序零部件下線后立即進行下一序加工，則流轉時間bij=0，工序線下安全存量為wij，周轉批量為zij。基于工程深度指示的生產計劃同步算法計算過程如下：

1）計算工序安全存量時間tij=kij*（aij+bij）。根據工序加工時間aij和流轉時間bij，考慮安全存量系數kij后，可以計算出工序安全存量時間ts。kij為安全存量系數，kij≥1，其值取決于車間所能接受的工序間緩沖時間，理想情況下kij=1，表示工序作業完成后馬上流轉至下一工序，而實際生產作業加工過程中考慮到生產成本、物流成本等因素，大規模定制生產條件下很難實現一個流，通常工序作業完成后會有一定的等待時間，因此kij≥1。

2）計算工序安全存量sij=tij*qi/h+wij[按zij取整]，根據工序安全存量時間ts，結合車間單位時間產出，并考慮工序線下安全存量wij，則可以計算得出工序安全存量sij。由于安全存量sij的計算結果有可能是小數，因此需要根據零部件的周轉批量zij調整為其整數倍，從而使零部件以zij周轉批量進行周轉，降低生產成本和制造周期。

3）計算所有工序的安全庫量Si=∑sij，按前兩個步驟分別計算所有工序的安全存量時間和安全存量，所有工序的安全存量匯總求和后，即為車間該零部件生產過程中的全部安全存量。

4）計算安全提前期T=Si/qi，由該零部件所有工序安全存量除以該零部件的日產能，則得出該零部件生產的安全提前期。

4 應用實例

某鋰電池電芯及PACK系統生產制造企業進行電芯與PACK系統生產計劃排產，電芯作為PACK系統關鍵零部件，需要根據提前期測算進行提前投產，PACK系統根據客戶訂單要求進行面向訂單的大規模定制化裝配。假設PACK系統混流裝配生產線計劃生產120臺A型號產品，60臺B型號產品和40臺C型號產品。電芯車間生產某型號電芯日產能為10000，車間每日工作時間為20h，各工序作業加工時間、流轉時間、工序線下安全存量、周轉批量等參數如表1所示，安全存量系統取1。

表1 工序參數

首先應用生產比倒數法，進行鋰電池PACK系統產品裝配投產順序優化。根據假設，現有ABC三種型號產品訂單分別120、60、40臺，PACK系統采用混流裝配線進行裝配作業，基于生產比倒數法使生產線訂單產品裝配上線投產順序均衡優化。確定投產比為20，最終投產順序是：ABACABAACBA。具體投產順序優化過程如表2所示。

表2 投產順序優化過程

確定產品裝配投產順序后，為保證PACK系統裝配能夠按投產計劃是順利開工，投產前必須保證電芯零部件的齊套性，因此需要根據PACK系統的裝配投產計劃協同制定電芯產品生產計劃。電芯生產計劃需求來源于PACK系統裝配計劃，基于工程深度指示策略，確定電芯生產的各工序安全存量和安全提前期，并根據該期量政策，結合需求確定電芯投產日期和投產數量，確定安全提前期為4.55天，投產數量根據產品裝配計劃需求數量確定。具體計算過程如表3所示。

表3 計算過程

5 結語

本文研究分析了大規模定制模式下動力鋰電池組生產工藝過程及生產組織方式，并基于客戶訂單分離點CODP，以電芯生產下線點為CODP建立了動力鋰電池生產模型。基于該生產模型，構建了MTS與ATO混合的大規模定制模式下動力鋰電池生產主生產計劃、車間生產計劃和生產線作業計劃三層結構計劃體系模型。在此基礎上，利用生產比倒數法對產品裝配投產順序進行了優化，實現了最終產品混流生產線裝配投產均衡化，并進一步基于工程深度指示，對電芯投產安全提前期進行了測算，實現了電芯投產計劃與模組、PACK系統裝配計劃的協同。該計劃體系模型及算法在某鋰電池制造企業進行了實際應用，可行性和有效性得到了實際驗證。