实用的方法是将每个电池制造步骤建模为一个独立的环境核算单元。 在 ASTM E3012-16 等单元制造过程 (UMP) 框架下，浆料混合、涂布、辊压、注液和电池组装被表示为具有明确输入、输出、运行条件和资源消耗的离散过程。这使得环境影响可以在单个步骤层面进行计算，而不是在整个生产线上进行平均。
UMP 模型将设备级数据与可衡量的环境结果联系起来。通过将能源、材料、公用设施、成品率损失和废料分配给每个工艺步骤，制造商可以识别影响发生的环节，并对其进行改进，而不会将其掩盖在全厂平均值中。
UMP 建模如何定义评估边界
将每个步骤视为一个可衡量的过程
UMP 代表一个具有明确起点和终点的转换过程。例如，涂布 UMP 可能始于准备好的浆料进入涂布设备，终于涂布后的电极材料离开设备进入干燥或后续处理阶段。
这种边界使得一致地分配输入和输出，并比较不同生产线、产品或运行条件下的同一过程成为可能。
区分产品、副产品和废料
每个 UMP 都应识别其预期的功能性产出以及非产品产出。这些可能包括可用的电极材料、溶剂损耗、废弃涂层、切边、受污染材料和其他废料。
区分这些流向至关重要，因为如果一个过程产生大量材料浪费，即使其直接能源使用量较低，也可能具有显著的环境负担。
定义功能性基础
环境结果应归一化为有意义的生产基础，例如：
- 每千克涂布电极
- 每平方米成品电极
- 每只组装电池
- 每千瓦时电池容量
正确的基准取决于工艺和所支持的决策。对于设备分析，比较每平方米的涂布性能可能更为合适；而对于产品级的碳足迹核算，比较每千瓦时的电池总产量则更有用。
每个 UMP 应捕获的数据
电能和热能
模型应记录设备消耗的电能，以及在相关情况下用于干燥、加热、固化或环境控制的热能。
设备级的测量优于按产量分配全厂能源。它们揭示了由周期时间、空转运行、配方设置、批次大小和设备效率引起的差异。
原材料和工艺化学品
材料输入应与消耗它们的特定 UMP 相关联。对于浆料混合，这可能包括活性材料、粘结剂、导电添加剂和溶剂。
对于注液或电池组装，输入可能包括电解液、隔膜、集流体、外壳组件、极耳和其他消耗品。材料数量应区分哪些成为功能性电池的一部分，哪些是损失或被剔除的。
公用设施和辅助资源
相关的公用设施可包括压缩空气、工艺用水、真空、惰性气体、冷却和其他设备服务。
当工装和生产资源对评估有实质性贡献时，也应将其考虑在内。必须一致地定义其处理方式，特别是当一种工具在多种产品上使用或使用寿命较长时。
工艺参数和运行条件
当环境数据与导致其产生的参数相关联时，数据会变得更有用。重要的变量可能包括批次大小、搅拌速度、涂布速度、干燥温度、压力、生产线利用率、周期时间和运行状态。
成品率、返工和废料
UMP 模型应记录生产数量、合格数量、返工、停机相关损失和废弃材料。
成品率是一个环境变量，而不仅仅是一个质量指标。如果一个过程消耗相同的资源但生产的合格电池较少，那么每个功能性电池的环境影响就会增加。
将模型应用于单个电池步骤
浆料混合
混合 UMP 可以捕获每种配方成分的质量、搅拌机用电量、搅拌时间、压缩空气、加热或冷却，以及废弃或不合格的浆料。
模型随后可以计算每千克可用浆料的环境负担。它还可以揭示配方顺序、粘度控制、批次大小和搅拌持续时间对能源使用和材料损耗的影响。
电极涂布和干燥
涂布 UMP 应记录泵、涂布头、驱动器、控制器和通风系统使用的电能，以及干燥所需的热能。
它还应跟踪浆料输入、涂布电极输出、溶剂或工艺损耗、切边、涂布缺陷和废弃卷材。由于干燥过程可能非常耗能，将涂布与干燥分开处理可能比将其视为一个未分化的操作更能提供可操作的结果。
电极辊压
辊压 UMP 可以包括辊压机用电、压缩空气、辊筒或工装资源、电极吞吐量，以及因厚度、密度或表面缺陷而被剔除的材料。
将能源消耗与电极面积或质量联系起来，可以评估更高的吞吐量、不同的辊压设置或减少返工是否改善了环境结果。
电池组装和注液
电池组装应在可行的情况下建模为一组定义明确的操作，例如叠片或卷绕、极耳焊接、封装、注液、密封和检测。
模型应捕获组件材料、电能、惰性气体、真空、压缩空气、电解液损耗、废弃电池和返工。注液过程值得特别关注，因为不准确的剂量或泄漏既会造成材料损失，也会导致下游质量故障。
化成和电池成品化
化成和成品化操作可以通过其充放电电能、热管理需求、测试持续时间和废弃电池数量来表示。
其环境影响应分配给适当的功能性产出，例如通过化成并达到指定容量或健康状态的电池。
将 UMP 数据转化为环境结果
建立单元级生命周期清单
第一个分析产出是每个 UMP 的生命周期清单 (LCI)。LCI 列出了进出过程的量化流，包括能源、材料、公用设施、产品、副产品和废弃物。
这些数据集可以以 ISO 14048 下的 ecoSpold2 等格式表示，从而使其能够被生命周期评估软件使用并连接到更广泛的产品模型中。
将 UMP 连接到上游数据集
仅凭设备测量无法产生完整的环境影响结果。电能必须与适当的电力数据集相关联，材料必须与其上游生产数据集相关联。
例如，UMP 记录消耗的溶剂或活性材料数量，而 LCA 系统将这些数量与其上游环境负担联系起来。
将负担分配给功能性产出
过程负担必须分配给合格的产出，而不是简单地除以总输入。一个实用的计算公式是：
每个功能单位的影响 = 总 UMP 影响 / 合格的功能性产出
这种方法纳入了过程成品率。如果废料或返工增加，分配给每个合格电极或电池的负担也会增加。
为不断变化的运营使用动态模型
静态 UMP 模型为特定运行条件提供了定义的清单。当评估需要表示批次、停机、队列、换产、爬坡或波动的成品率时，它可以扩展为动态离散事件模拟。
当环境绩效取决于生产线随时间的运行方式，而不是平均工艺配方时，动态建模非常有用。
通过过程控制提高数据质量
在爬坡阶段建立工艺
在爬坡阶段，制造商应识别有影响的工艺特征，并使用测量工具、数据记录器、过程可视化和实验设计来确定相关的运行参数。
这确立了 UMP 本质上稳定并在定义的公差范围内产生合格产出的条件。
稳定消耗和成品率
统计过程控制 (SPC) 可应用于质量和环境变量。可以监测每批次的能源、材料损耗、周期时间、压缩空气使用量和合格产出的异常波动。
纠正不稳定的参数可提高环境清单的可靠性。由不稳定生产构建的数据集可能会歪曲过程，并使改进结果难以验证。
一次优化一个过程
优化应隔离正在更改的参数，同时保持上游和下游条件受控。示例包括更改配方顺序、添加在线粘度测量或修改搅拌器组件以减少搅拌时间。
这种方法有助于将环境改善归因于正确的 UMP，而不是错误地将效益归因于不相关的过程更改。
集成机器和业务系统
AutomationML 等机器级结构可以组织设备信息，并将其与制造执行系统 (MES)、能源管理系统 (EMS) 和企业资源计划 (ERP) 系统连接起来。
ERP 数据对于生产总量和材料采购仍然有用，但它通常过于粗略，无法解释单个过程的行为。UMP 模型通过将设备和传感器数据纳入标准化结构来弥补这一差距。
理解权衡
更高的粒度需要更多的仪表
UMP 建模比工厂级分配更精确，但它需要可靠的测量。缺少子计量、传感器校准不一致或生产状态定义不清可能会产生虚假的精确度。
模型应区分测量值和估计值，并记录共享公用设施、工装、维护和废物处理的假设。
过程边界会改变结果
干燥是包含在涂布中、作为单独的 UMP 处理，还是分配给多个产品，都会实质性地影响报告结果。
边界应反映所做的决策，并在比较替代方案时保持一致。在场景之间更改边界可能会使表面上的改进变成一种会计假象。
优化可能会转移负担
减少一个步骤的能源可能会增加废料、清洁需求、溶剂使用或下游剔除。因此，环境评估必须跟踪直接的 UMP 影响以及对相关过程的影响。
最有用的分析是将资源数据与成品率和产品质量数据相结合。
静态平均值可能掩盖运行现实
单一的平均清单可能会掩盖启动损失、空转能源、换产、维护和低利用率时期。
动态建模要求更高，但当这些运行状态实质性地影响环境结果或模型将支持生产计划时，它是值得的。
环境数据并非自动可比
只有当两个 UMP 数据集使用兼容的功能单位、系统边界、分配规则、数据质量要求和背景数据集时，它们才具有直接可比性。
标准化提高了可比性，但它并不能消除检查每个清单是如何构建的必要性。
为您的目标做出正确的选择
从边界清晰的 UMP 开始，收集测量的资源和产出数据，通过稳定性验证过程，然后将清单连接到 LCA 或产品碳足迹计算中。
- 如果您的主要重点是步骤级的环境核算： 分别对每个主要的制造操作进行建模，并将其输入和输出归一化为合格的功能性生产。
- 如果您的主要重点是减少碳排放： 优先考虑干燥、化成和热调节等高能耗操作，同时将成品率损失计入计算。
- 如果您的主要重点是减少材料浪费： 在发生浪费的 UMP 边界处跟踪配方损耗、涂布缺陷、切边、电解液损耗、返工和废弃电池。
- 如果您的主要重点是过程优化： 将 UMP 环境数据与 SPC、实验设计和孤立的参数更改相结合，以便正确归因改进。
- 如果您的主要重点是自动化报告： 构建机器和传感器数据，使其能够通过 MES 和能源系统流入标准化的 LCI 和产品碳足迹数据集。
一个定义明确的 UMP 将电池制造从一个黑箱环境估计转变为一组可追溯的、可衡量的过程决策。
总结表：
| 制造步骤 | 需跟踪的关键输入 | 需跟踪的关键输出 | 影响指标 |
|---|---|---|---|
| 浆料混合 | 活性材料、粘结剂、溶剂、电能、冷却水 | 可用浆料、不合格浆料、溶剂损耗 | 每千克浆料能耗、材料效率 |
| 涂布与干燥 | 浆料、基材、电能、天然气（用于干燥） | 涂布电极、溶剂排放、切边、缺陷 | 每平方米涂布能耗、溶剂损耗率 |
| 辊压 | 电极、电能、压缩空气 | 辊压电极、缺陷废料 | 每千克电极能耗、废料率 |
| 电池组装 | 组件（隔膜、电解液、外壳）、电能、惰性气体 | 组装电池、废弃电池、电解液浪费 | 每只电池组装能耗、组件利用率 |
| 化成与成品化 | 组装电池、电能、冷却 | 成品电池、废弃电池、容量损失 | 每只可用电池能耗、成品率 |
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