基于并行工程的電動汽車鋰電池開發(fā)研究

譚 巍 徐克林

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基于并行工程的電動汽車鋰電池開發(fā)研究

譚 巍 徐克林

（同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源學(xué)院工業(yè)工程所 上海 200092）

闡述了并行工程的發(fā)展和理論，比較了并行設(shè)計流程與串行設(shè)計流程的不同之處，提出實施并行工程在新產(chǎn)品開發(fā)過程中帶來的成本優(yōu)勢和效率優(yōu)勢。結(jié)合F電動汽車企業(yè)的實際案例，梳理了電動汽車企業(yè)鋰電池開發(fā)的現(xiàn)有流程并提出了基于并行工程的設(shè)計流程，定量比較實施并行工程前后鋰電池設(shè)計周期的差別和設(shè)計成本的差別，得出并行工程在電動汽車鋰電池開發(fā)中的優(yōu)勢，展望了并行工程理論在其他領(lǐng)域的應(yīng)用價值和前景。

串行工程 并行工程 流程再造

從上個世紀(jì)八十年代以來，全球制造業(yè)商品市場發(fā)生了巨大的變化。全球經(jīng)濟(jì)模式逐步從賣方市場模式轉(zhuǎn)變?yōu)橘I方市場模式，買方對產(chǎn)品種類、質(zhì)量、價格提出了越來越高的要求，商品的生命周期變得越來越短。企業(yè)為了在劇烈的商品競爭中站穩(wěn)腳跟贏得消費者，就必須面對提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本，擴(kuò)展產(chǎn)品功能等問題。

要解決這些問題，就需要反思傳統(tǒng)的商品開發(fā)模式，針對性的改變傳統(tǒng)的商品開發(fā)模式。

傳統(tǒng)的商品開發(fā)模式基本上是一種串行的模式，如圖1所示。也就是先進(jìn)行市場分析，找出市場需求，將分析結(jié)果交給設(shè)計部門，設(shè)計部門進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計，然后將設(shè)計的圖紙?zhí)峤唤o制造部門進(jìn)行工藝分析和加工設(shè)備的準(zhǔn)備，采購部門需要根據(jù)制造部的采購要求買入滿足要求的生產(chǎn)設(shè)備，最后才進(jìn)行加工制造和產(chǎn)品的測試工作。

圖1 傳統(tǒng)串行開發(fā)模式流程

如果發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品不滿足客戶要求，就必須更改設(shè)計圖紙和工藝路線，重新制造和測試，直到客戶滿意。在這種串行的產(chǎn)品開發(fā)模式下，制造單位里面各個部門是獨立開展工作而缺乏溝通，尤其在設(shè)計階段，設(shè)計人員可能考慮工藝可行性和工裝成本的內(nèi)容較少，往往設(shè)計人員設(shè)計的圖紙在制造部門無法生產(chǎn)或者需要費用昂貴的工裝設(shè)計。

最后為了滿足生產(chǎn)而造成設(shè)計方案和圖紙的大幅度修改，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的開發(fā)周期、產(chǎn)品質(zhì)量和開發(fā)成本。

1 并行工程理論

人們對并行工程的研究從上個世紀(jì)八十年代就開始了，對并行工程的定義也有好多說法，但最終為大家所公認(rèn)的對并行工程的定義是在1988年由美國國家防御分析研究所（The Institute for Defense Analysis : IDA）提出的。

IDA提出的并行工程的定義是：集成地、并行地設(shè)計產(chǎn)品及其相關(guān)過程（包括制造過程和支持過程）的系統(tǒng)方法。此方法要求產(chǎn)品開發(fā)人員從一開始就考慮產(chǎn)品整個生命周期中產(chǎn)品從概念設(shè)計一直到產(chǎn)品壽命終止的所有相關(guān)因素，包括開發(fā)進(jìn)度、質(zhì)量、成本和客戶要求等等。應(yīng)用并行工程的宗旨是提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低開發(fā)成本、縮短開發(fā)周期。

并行工程的具體實施方法是：在產(chǎn)品開發(fā)的初期階段就組織一個能夠協(xié)同各個職能部門共同工作的項目組，要求項目組中的有關(guān)人員從一開始就了解新產(chǎn)品的信息和技術(shù)要求，并認(rèn)真研究涉及本部門的工作，使許多細(xì)節(jié)問題和產(chǎn)品要求在開發(fā)早期就得到重視，保證了后期設(shè)計的質(zhì)量；在產(chǎn)品的設(shè)計階段，需要把概念設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝標(biāo)準(zhǔn)、客戶要求等結(jié)合起來，要求產(chǎn)品設(shè)計各項工作由各責(zé)任部門完成，做到分工明確，部門成員各自安排好自己的工作，但又要求各責(zé)任部門之間以及責(zé)任部門內(nèi)部成員之間能夠時時交流，互相協(xié)調(diào)，了解其他成員和其他責(zé)任部門之間的工作內(nèi)容和工作進(jìn)度[1]。

并行工程的核心內(nèi)容是并行設(shè)計，并行設(shè)計必須考慮的因素包括：市場因素、制造工藝、裝配過程、產(chǎn)品維護(hù)等等。并行設(shè)計目的就是減小產(chǎn)品的設(shè)計周期，進(jìn)一步壓縮開發(fā)成本，提供可靠的產(chǎn)品和優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。并行工程充分利用集成環(huán)境和各種協(xié)同工具，應(yīng)用現(xiàn)代信息管理技術(shù)，從全局優(yōu)化的角度，使產(chǎn)品生命周期內(nèi)各環(huán)節(jié)的設(shè)計任務(wù)盡可能并行，側(cè)重產(chǎn)品全生命周期的研究[2]?；诓⑿泄こ痰漠a(chǎn)品開發(fā)流程如圖2所示。

圖2 基于并行工程的產(chǎn)品開發(fā)流程

2 并行工程在國內(nèi)外的發(fā)展和應(yīng)用

2.1 并行工程在國外的發(fā)展和應(yīng)用

并行工程自從上個世紀(jì)八十年代提出以來，美國、歐洲和日本等國家均給予了高度重視，并成立了研究中心，開展了一系列以并行工程為基礎(chǔ)的政府支持計劃。DARPA（美國國防高級研究項目局）在1988年發(fā)出了并行工程倡議，在美國西弗吉尼亞大學(xué)投資了4~5億美元建立并行工程研究中心。美國的其它許多高校、軟件開發(fā)單位也開始進(jìn)行有關(guān)技術(shù)的研究，并且從90年代以后，并行工程已從理論層面向?qū)嵱没瘜用姘l(fā)展，越來越多的涉及航空、航天、汽車、電子、機(jī)械等領(lǐng)域的國際知名企業(yè)，通過實施并行工程已經(jīng)取得了顯著的效益。比如，美國洛克希德導(dǎo)彈與空間公司 (LMSC) 在1992年10月接受了美國國防部用于“戰(zhàn)區(qū)高空領(lǐng)域防御”的新型導(dǎo)彈開發(fā)工作，LMSC公司的導(dǎo)彈開發(fā)一般需要花費5年的時間，而采用并行工程的方法，LMSC公司最終將導(dǎo)彈開發(fā)時間縮短了60%。LMSC公司具體的實行方法是改進(jìn)產(chǎn)品開發(fā)流程，在項目開發(fā)的前期階段就投入大量的精力，對“戰(zhàn)區(qū)高空領(lǐng)域防御”新興導(dǎo)彈開發(fā)中的各個過程和環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，找出可以并行工作的環(huán)節(jié)，對開發(fā)過程進(jìn)行重組和流程再造。產(chǎn)品在設(shè)計和實驗階段，實施信息集成與信息共享，要求設(shè)計參數(shù)、工程變更、試驗數(shù)據(jù)等所有相關(guān)的數(shù)據(jù)都必須錄入數(shù)據(jù)庫，并要求各系統(tǒng)之間必須做到有效的信息集成與共享[3]。又比如，西門子對于重型雷達(dá)設(shè)備的開發(fā)也采用并行工程的方法來提高產(chǎn)品質(zhì)量及縮短開發(fā)時間，西門子基于并行工程的產(chǎn)品開發(fā)有六個方面的要求：（1）建立“一次開發(fā)成功”的團(tuán)隊和技術(shù)中心；（2）采用一種新的設(shè)計過程控制工具來跟蹤循環(huán)中的時間延遲，消除無效的等待時間；（3）引入IDEF建模系統(tǒng)，讓工程師在建模過程中能夠及時發(fā)現(xiàn)問題并改進(jìn)；（4）過程控制，其過程控制軟件可以獲得每個通過設(shè)計中心的設(shè)計文件的歷史資料而且可以記錄每一次設(shè)計變更；（5）采用一個在線系統(tǒng)要求責(zé)任工程師對設(shè)計變更寫出詳細(xì)原因；（6）將測試作為產(chǎn)品設(shè)計工作的一部分，將產(chǎn)品設(shè)計小組和產(chǎn)品測試小組合并為數(shù)字小組，共同負(fù)責(zé)產(chǎn)品的開發(fā)及測試[4]。

2.2 并行工程在國內(nèi)的發(fā)展與應(yīng)用

并行工程在中國的研究與應(yīng)用分為以下階段：

（1）1992年前是并行工程的預(yù)研階段， 863/CIMS(計算機(jī)集成制造系統(tǒng)) 年度計劃和國家自然科學(xué)基金資助了一些并行工程相關(guān)技術(shù)的研究課題，如面向產(chǎn)品設(shè)計的智能DFM ，并行設(shè)計方法研究，產(chǎn)品開發(fā)過程建模與仿真技術(shù)研究等。1993年，863/CIMS 主題組織清華大學(xué)、北航、上海交大、華工和航天204所等單位，組成并行工程可行性論證小組，提出在CIMS實驗工程的基礎(chǔ)上開展并行工程的攻關(guān)研究。1995年5月，863/CIMS 主題重大關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)項目“并行工程”正式立項，投入大量資金開展并行工程方法、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用實施的研究。1995年5月~1997年12月，進(jìn)行了“并行工程”項目的攻關(guān)研究。

（2）1998年至今，“并行工程”已有攻關(guān)成果并進(jìn)一步深入研究，應(yīng)用于航天、電子、汽車、機(jī)械等領(lǐng)域。這里重點介紹并行工程在汽車行業(yè)應(yīng)用的經(jīng)驗。

3 電動汽車鋰電池開發(fā)并行研究

以F電動汽車公司鋰電池開發(fā)流程為例，梳理該電動汽車公司鋰電池開發(fā)的現(xiàn)有流程并提出了基于并行工程的設(shè)計流程改造，并定量比較實施并行工程前后鋰電池設(shè)計周期的差別和設(shè)計成本的差別，得出并行工程在電動汽車鋰電池開發(fā)中的帶來的優(yōu)勢和效益。

經(jīng)過梳理和分析，發(fā)現(xiàn)該電動汽車公司鋰電池開發(fā)基本上是一套串行的流程，前后有五大設(shè)計階段，這五大設(shè)計階段分別是設(shè)計輸入階段、方案可行性分析階段、3D設(shè)計和仿真階段、樣品制作和測試階段、產(chǎn)品輸出和驗證階段。在設(shè)計輸入階段，需要輸入的數(shù)據(jù)包括鋰電池電性能要求、鋰電池尺寸要求、鋰電池散熱要求、鋰電池結(jié)構(gòu)強度要求。在方案可行性分析階段主要有以下幾項工作內(nèi)容：電化學(xué)分析、初步結(jié)構(gòu)設(shè)計、電池尺寸校核、CFD初步計算。這幾個設(shè)計環(huán)節(jié)是串行的設(shè)計流程，是電動汽車鋰電池現(xiàn)有開發(fā)流程，如圖3所示。

基于以上設(shè)計流程，需要詳細(xì)說明的是：在上述設(shè)計流程的五大階段中，方案可行性分析階段、3D設(shè)計和仿真階段、樣品制作和測試階段是鋰電池設(shè)計的重點設(shè)計環(huán)節(jié)，它們會占據(jù)整個開發(fā)周期的80%以上時間。然而目前的設(shè)計流程中，這三個階段的工作都是串行開發(fā)的過程，比如在方案可行性分析階段，工作的前后過程是先進(jìn)行電化學(xué)分析判斷需要的電池單體類型和數(shù)量，再進(jìn)行初步的結(jié)構(gòu)布置，然后進(jìn)行電池系統(tǒng)邊界尺寸的初步校核，最后進(jìn)行初步的CFD計算、判斷結(jié)構(gòu)布置能否滿足散熱效果。在3D設(shè)計和仿真階段，先進(jìn)行電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計再進(jìn)行電池系統(tǒng)的散熱設(shè)計，然后對電池系統(tǒng)進(jìn)行CFD散熱仿真和CAE結(jié)構(gòu)強度仿真。在樣品制作和測試階段，首先是完成電池包樣品的制作和組裝，然后依次進(jìn)行電池包的電性能測試、機(jī)械強度測試和散熱測試。

圖3 F電動汽車公司傳統(tǒng)鋰電池開發(fā)流程

由于三大重要設(shè)計階段的開發(fā)工作基本都是串行的工作模式，上一步工作完成之后才能進(jìn)行下一步的工作，下游部門或下游工程師將花費很多時間等待，導(dǎo)致設(shè)計效率低下而延長開發(fā)周期很長，更重要的是上游設(shè)計環(huán)節(jié)的錯誤，會造成后面設(shè)計環(huán)節(jié)的一系列錯誤，被放大的設(shè)計失誤可能顛覆整個設(shè)計方案，會造成設(shè)計成本和開發(fā)周期的極大化。經(jīng)過分析，在方案可行性分析階段，上述設(shè)計流程中有的設(shè)計環(huán)節(jié)是可以并行進(jìn)行的，其中“初步結(jié)構(gòu)設(shè)計”過程中的“模組排布”環(huán)節(jié)和“電池尺寸校核”中的“電池排布尺寸校核”可以同時進(jìn)行，不用安排在上下游設(shè)計環(huán)節(jié)。另外“初步結(jié)構(gòu)設(shè)計”過程中的“散熱結(jié)構(gòu)初步設(shè)計”環(huán)節(jié)和“電池尺寸校核”中的“電池散熱空間校核”可以并行進(jìn)行，不用安排在上下游設(shè)計環(huán)節(jié)。也就是說“初步結(jié)構(gòu)設(shè)計”過程和“電池尺寸校核”過程的工作可以合并。方案可行性分析階段設(shè)計流程在進(jìn)行并行再造之后如圖4所示。

圖4 方案可行性分析階段設(shè)計流程并行再造

經(jīng)過分析，在3D設(shè)計階段進(jìn)行電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的同時就可以進(jìn)行初步的CAE仿真，以指導(dǎo)電池結(jié)構(gòu)設(shè)計，以免在最后進(jìn)行CAE仿真時才發(fā)現(xiàn)一些重大結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷而造成顛覆性的設(shè)計返工。這些工作由機(jī)械工程師完成，而最終的CAE仿真在電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和電池初步CAE仿真工作之后進(jìn)行，由專業(yè)CAE工程師完成，是對結(jié)構(gòu)設(shè)計和初步CAE仿真結(jié)果的一個驗證。

在進(jìn)行電池系統(tǒng)散熱設(shè)計的同時，就可以進(jìn)行初步的CFD仿真，以指導(dǎo)電池散熱設(shè)計，以免在最后進(jìn)行CFD仿真時才發(fā)現(xiàn)一些重大散熱設(shè)計缺陷而造成顛覆性的設(shè)計返工。

這些工作由機(jī)械工程師完成，而最終的CAE仿真在電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和電池初步CAE仿真工作之后進(jìn)行，由專業(yè)CFD工程師完成，是對結(jié)構(gòu)設(shè)計和初步CFD仿真結(jié)果的一個驗證。3D設(shè)計和仿真階段設(shè)計流程在進(jìn)行并行再造之后如圖5所示。

樣品制作和測試階段主要有：電池系統(tǒng)樣品制作和組裝、電池系統(tǒng)電化學(xué)測試、電池系統(tǒng)機(jī)械測試、電池系統(tǒng)散熱測試，目前這幾個測試過程也是串行的過程。經(jīng)過分析，我們發(fā)現(xiàn)電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)測試和電池系統(tǒng)散熱測試的工作可以同時進(jìn)行，可以大大縮短整個電池系統(tǒng)測試時間。樣品制作和測試階段設(shè)計流程在進(jìn)行并行再造之后如圖6所示。

圖5 3D設(shè)計和仿真階段設(shè)計流程并行再造

圖6 樣品制作和測試階段設(shè)計流程并行再造

將X型鋰電池整個設(shè)計過程實施并行設(shè)計前后所需的設(shè)計時間量進(jìn)行匯總比較，得出表1結(jié)果。

表1 X型鋰電池串行與并行設(shè)計周期對比表 單位：天

由表1可以看出：如果采用改進(jìn)的并行設(shè)計流程，相比當(dāng)前的串行設(shè)計流程，總的設(shè)計周期能夠縮短90個工作日。將鋰電池整個設(shè)計過程的設(shè)計成本進(jìn)行對比匯總，得到下表2結(jié)果[5]。

表2 X型鋰電池串行與并行設(shè)計成本對比表 單位：元

由表2可以看出，相比串行設(shè)計流程，由設(shè)計周期縮短而帶來的單個鋰電池項目人工成本能夠減少32萬元。

4 結(jié)語

本文就新能源汽車核心零部件鋰電池的開發(fā)流程進(jìn)行了分析，梳理了串行鋰電池設(shè)計流程，提出了基于并行工程的鋰電池設(shè)計流程，并通過定量計算得出并行工程下的設(shè)計流程比串行設(shè)計流程能夠縮減大量的設(shè)計成本和設(shè)計周期。相信不光在汽車行業(yè)，在其它行業(yè)得到應(yīng)用，在周期和成本上也會帶來巨大的效益。

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