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

（同濟大學 機械與能源學院工業(yè)工程所 上海 200092）

闡述了并行工程的發(fā)展和理論，比較了并行設計流程與串行設計流程的不同之處，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計流程，定量比較實施并行工程前后鋰電池設計周期的差別和設計成本的差別，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域的應用價值和前景。

串行工程 并行工程 流程再造

從上個世紀八十年代以來，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。也就是先進行市場分析，找出市場需求，將分析結(jié)果交給設計部門，設計部門進行產(chǎn)品設計，然后將設計的圖紙?zhí)峤唤o制造部門進行工藝分析和加工設備的準備，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)設備，最后才進行加工制造和產(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，尤其在設計階段，設計人員可能考慮工藝可行性和工裝成本的內(nèi)容較少，往往設計人員設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計。

最后為了滿足生產(chǎn)而造成設計方案和圖紙的大幅度修改，嚴重影響產(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、并行地設計產(chǎn)品及其相關過程（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)品從概念設計一直到產(chǎn)品壽命終止的所有相關因素，包括開發(fā)進度、質(zhì)量、成本和客戶要求等等。應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人員從一開始就了解新產(chǎn)品的信息和技術要求，并認真研究涉及本部門的工作，使許多細節(jié)問題和產(chǎn)品要求在開發(fā)早期就得到重視，保證了后期設計的質(zhì)量；在產(chǎn)品的設計階段，需要把概念設計、結(jié)構(gòu)設計、工藝標準、客戶要求等結(jié)合起來，要求產(chǎn)品設計各項工作由各責任部門完成，做到分工明確，部門成員各自安排好自己的工作，但又要求各責任部門之間以及責任部門內(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任部門之間的工作內(nèi)容和工作進度[1]。

并行工程的核心內(nèi)容是并行設計，并行設計必須考慮的因素包括：市場因素、制造工藝、裝配過程、產(chǎn)品維護等等。并行設計目的就是減小產(chǎn)品的設計周期，進一步壓縮開發(fā)成本，提供可靠的產(chǎn)品和優(yōu)質(zhì)的服務。并行工程充分利用集成環(huán)境和各種協(xié)同工具，應用現(xiàn)代信息管理技術，從全局優(yōu)化的角度，使產(chǎn)品生命周期內(nèi)各環(huán)節(jié)的設計任務盡可能并行，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)展和應用

2.1 并行工程在國外的發(fā)展和應用

并行工程自從上個世紀八十年代提出以來，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)單位也開始進行有關技術的研究，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、機械等領域的國際知名企業(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)高空領域防御”的新型導彈開發(fā)工作，LMSC公司的導彈開發(fā)一般需要花費5年的時間，而采用并行工程的方法，LMSC公司最終將導彈開發(fā)時間縮短了60%。LMSC公司具體的實行方法是改進產(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)高空領域防御”新興導彈開發(fā)中的各個過程和環(huán)節(jié)進行分析，找出可以并行工作的環(huán)節(jié)，對開發(fā)過程進行重組和流程再造。產(chǎn)品在設計和實驗階段，實施信息集成與信息共享，要求設計參數(shù)、工程變更、試驗數(shù)據(jù)等所有相關的數(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設備的開發(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”的團隊和技術中心；（2）采用一種新的設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；（4）過程控制，其過程控制軟件可以獲得每個通過設計中心的設計文件的歷史資料而且可以記錄每一次設計變更；（5）采用一個在線系統(tǒng)要求責任工程師對設計變更寫出詳細原因；（6）將測試作為產(chǎn)品設計工作的一部分，將產(chǎn)品設計小組和產(chǎn)品測試小組合并為數(shù)字小組，共同負責產(chǎn)品的開發(fā)及測試[4]。

2.2 并行工程在國內(nèi)的發(fā)展與應用

并行工程在中國的研究與應用分為以下階段：

（1）1992年前是并行工程的預研階段， 863/CIMS(計算機集成制造系統(tǒng)) 年度計劃和國家自然科學基金資助了一些并行工程相關技術的研究課題，如面向產(chǎn)品設計的智能DFM ，并行設計方法研究，產(chǎn)品開發(fā)過程建模與仿真技術研究等。1993年，863/CIMS 主題組織清華大學、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實驗工程的基礎上開展并行工程的攻關研究。1995年5月，863/CIMS 主題重大關鍵技術攻關項目“并行工程”正式立項，投入大量資金開展并行工程方法、關鍵技術和應用實施的研究。1995年5月~1997年12月，進行了“并行工程”項目的攻關研究。

（2）1998年至今，“并行工程”已有攻關成果并進一步深入研究，應用于航天、電子、汽車、機械等領域。這里重點介紹并行工程在汽車行業(yè)應用的經(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計流程改造，并定量比較實施并行工程前后鋰電池設計周期的差別和設計成本的差別，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，前后有五大設計階段，這五大設計階段分別是設計輸入階段、方案可行性分析階段、3D設計和仿真階段、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：電化學分析、初步結(jié)構(gòu)設計、電池尺寸校核、CFD初步計算。這幾個設計環(huán)節(jié)是串行的設計流程，是電動汽車鋰電池現(xiàn)有開發(fā)流程，如圖3所示。

基于以上設計流程，需要詳細說明的是：在上述設計流程的五大階段中，方案可行性分析階段、3D設計和仿真階段、樣品制作和測試階段是鋰電池設計的重點設計環(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行電化學分析判斷需要的電池單體類型和數(shù)量，再進行初步的結(jié)構(gòu)布置，然后進行電池系統(tǒng)邊界尺寸的初步校核，最后進行初步的CFD計算、判斷結(jié)構(gòu)布置能否滿足散熱效果。在3D設計和仿真階段，先進行電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計再進行電池系統(tǒng)的散熱設計，然后對電池系統(tǒng)進行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，然后依次進行電池包的電性能測試、機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，導致設計效率低下而延長開發(fā)周期很長，更重要的是上游設計環(huán)節(jié)的錯誤，會造成后面設計環(huán)節(jié)的一系列錯誤，被放大的設計失誤可能顛覆整個設計方案，會造成設計成本和開發(fā)周期的極大化。經(jīng)過分析，在方案可行性分析階段，上述設計流程中有的設計環(huán)節(jié)是可以并行進行的，其中“初步結(jié)構(gòu)設計”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”可以同時進行，不用安排在上下游設計環(huán)節(jié)。另外“初步結(jié)構(gòu)設計”過程中的“散熱結(jié)構(gòu)初步設計”環(huán)節(jié)和“電池尺寸校核”中的“電池散熱空間校核”可以并行進行，不用安排在上下游設計環(huán)節(jié)。也就是說“初步結(jié)構(gòu)設計”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計流程在進行并行再造之后如圖4所示。

圖4 方案可行性分析階段設計流程并行再造

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

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

這些工作由機械工程師完成，而最終的CAE仿真在電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計和電池初步CAE仿真工作之后進行，由專業(yè)CFD工程師完成，是對結(jié)構(gòu)設計和初步CFD仿真結(jié)果的一個驗證。3D設計和仿真階段設計流程在進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)電化學測試、電池系統(tǒng)機械測試、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計流程在進行并行再造之后如圖6所示。

圖5 3D設計和仿真階段設計流程并行再造

圖6 樣品制作和測試階段設計流程并行再造

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

表1 X型鋰電池串行與并行設計周期對比表 單位：天

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

表2 X型鋰電池串行與并行設計成本對比表 單位：元

由表2可以看出，相比串行設計流程，由設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)流程進行了分析，梳理了串行鋰電池設計流程，提出了基于并行工程的鋰電池設計流程，并通過定量計算得出并行工程下的設計流程比串行設計流程能夠縮減大量的設計成本和設計周期。相信不光在汽車行業(yè)，在其它行業(yè)得到應用，在周期和成本上也會帶來巨大的效益。

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