賴美珍，周軍，項(xiàng)良順*，相佳媛

（1.杭州南都動(dòng)力科技有限公司，浙江 杭州 311199；2.浙江南都電源動(dòng)力股份有限公司，浙江 杭州 311300）

近年來(lái)，在國(guó)家“雙碳”目標(biāo)的引領(lǐng)下，新能源行業(yè)蓬勃發(fā)展。鋰離子電池作為一種重要的綠色能源，在電動(dòng)汽車、通信基站、儲(chǔ)能電站、數(shù)據(jù)中心、民用動(dòng)力等領(lǐng)域得到大規(guī)模應(yīng)用。在新能源汽車中，鋰離子電池為汽車提供動(dòng)力，鋰離子電池的質(zhì)量關(guān)系到整車的安全。在高能量密度和低成本的需求驅(qū)動(dòng)下，鋰離子電池安全事故時(shí)有報(bào)道[1-5]，相關(guān)研究大都聚焦在電池制造的質(zhì)量管理[6-10]。從鋰離子電池研發(fā)人員的角度，結(jié)合鋰離子電池全生命周期以及應(yīng)用實(shí)踐展開的質(zhì)量管理文獻(xiàn)報(bào)道較少。

本文運(yùn)用質(zhì)量管理理論，結(jié)合作者多年的電池開發(fā)實(shí)踐，對(duì)關(guān)鍵的鋰離子電池設(shè)計(jì)階段的質(zhì)量管理進(jìn)行闡述，以期達(dá)到提升產(chǎn)品質(zhì)量、縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)成本的目的，提升我國(guó)新能源電池的質(zhì)量和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 電池設(shè)計(jì)階段質(zhì)量管理的意義

設(shè)計(jì)階段的質(zhì)量影響最終成品電池的固有性能和成本，并且傳遞到產(chǎn)品制造和后期使用過(guò)程。鋰離子電池的開發(fā)，一般經(jīng)歷立項(xiàng)、設(shè)計(jì)、小試、批試和量產(chǎn)等幾個(gè)階段。其中，立項(xiàng)和設(shè)計(jì)階段的固定成本相對(duì)較低，只需要投入策劃人員。小試和批試階段成本較高，需要導(dǎo)入生產(chǎn)線及工裝模具等固定資產(chǎn)，同時(shí)，還需要配備試制物料。圖1 為鋰離子電池開發(fā)質(zhì)量杠桿圖，在整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)的生命周期中，問(wèn)題越在早期解決，需要付出的代價(jià)越小，越到后期，糾偏浪費(fèi)的各種資源越多。因此，鋰離子電池設(shè)計(jì)階段的質(zhì)量管理，可以最高效地節(jié)約產(chǎn)品開發(fā)成本。

圖1 鋰離子電池開發(fā)質(zhì)量杠桿圖

項(xiàng)目最大的不確定性往往是在項(xiàng)目早期，對(duì)早期階段的高質(zhì)量要求，是項(xiàng)目順利開展的前提。事實(shí)上，對(duì)于一款新的電芯開發(fā)，由于設(shè)計(jì)質(zhì)量不佳導(dǎo)致的項(xiàng)目進(jìn)度延期、開發(fā)資源浪費(fèi)經(jīng)常發(fā)生。設(shè)計(jì)階段的質(zhì)量管理，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品開發(fā)的目標(biāo)、方案、進(jìn)度和風(fēng)險(xiǎn)等進(jìn)行系統(tǒng)管控，提升產(chǎn)品的交付質(zhì)量，是電池廠商產(chǎn)品質(zhì)量保證的基石。

2 電池設(shè)計(jì)階段質(zhì)量管理的實(shí)施

2.1 對(duì)目標(biāo)的質(zhì)量管理

產(chǎn)品的開發(fā)目標(biāo)是客戶需求的具體體現(xiàn)，正確和全面地識(shí)別客戶需求是設(shè)計(jì)目標(biāo)質(zhì)量管理的關(guān)鍵。然而，客戶的需求往往不容易收集，一方面是需求來(lái)源的相關(guān)方有偏差，因?yàn)檠邪l(fā)人員收到的電芯的需求通常由項(xiàng)目經(jīng)理傳達(dá)；另一方面是客戶也可能未表達(dá)清楚真實(shí)需求，因?yàn)榭蛻舻拿枋龇绞讲灰欢芡耆_地轉(zhuǎn)化為研發(fā)人員需要的技術(shù)指標(biāo)。

挖掘客戶的真實(shí)需求可以采取以下方式：（1）頭腦風(fēng)暴、小組會(huì)議，組織相關(guān)方進(jìn)行焦點(diǎn)討論，以防需求的缺漏和偏差；（2）競(jìng)品分析、行業(yè)對(duì)標(biāo)，鋰離子電池的設(shè)計(jì)目標(biāo)主要涉及電池尺寸（結(jié)構(gòu)）、性能和成本等，這些指標(biāo)可以結(jié)合行業(yè)標(biāo)桿產(chǎn)品進(jìn)行確定，以便產(chǎn)品有高的附加值和競(jìng)爭(zhēng)力。

對(duì)目標(biāo)的質(zhì)量管理，除了上述的識(shí)別正確和全面，還應(yīng)該符合以下五個(gè)維度的目標(biāo)管理原則：（1）具體的（目標(biāo)必須清晰明確）；（2）可衡量（能數(shù)量化，驗(yàn)證這些績(jī)效指標(biāo)的數(shù)據(jù)是可以獲得的，且能夠給出明確判斷的）；（3）可實(shí)現(xiàn)（目標(biāo)應(yīng)該是可達(dá)到的，避免設(shè)立過(guò)高的目標(biāo)）；（4）相關(guān)的（目標(biāo)必須與其他目標(biāo)具有一定的相關(guān)性）；（5）有時(shí)間節(jié)點(diǎn)（目標(biāo)必須具有明確的截止期限）。圖2 為某款戶外移動(dòng)儲(chǔ)能電芯的開發(fā)目標(biāo)。只有反復(fù)溝通、明確設(shè)計(jì)目標(biāo)，才能減少目標(biāo)的變更，提升項(xiàng)目開發(fā)質(zhì)量。

圖2 鋰離子電池目標(biāo)制定輸出的表單

2.2 對(duì)方案的質(zhì)量管理

在確定鋰離子電池設(shè)計(jì)目標(biāo)后，需要進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案的準(zhǔn)備。該階段的質(zhì)量管理主要是對(duì)設(shè)計(jì)方案的可行性進(jìn)行評(píng)估。為了提升設(shè)計(jì)方案的質(zhì)量，可以根據(jù)產(chǎn)品功能和性能的要求采用質(zhì)量功能展開（quality function deployment，QFD）[11]的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的制定。QFD 是一種客戶需求驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)理論，將提取的用戶需求轉(zhuǎn)換成產(chǎn)品開發(fā)各個(gè)階段的對(duì)應(yīng)技術(shù)需求信息，達(dá)到圍繞客戶需求調(diào)整產(chǎn)品開發(fā)方案的目的，從而提高新產(chǎn)品開發(fā)的成功率。此外，還要結(jié)合類似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)資料、法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范等。

高質(zhì)量的設(shè)計(jì)方案首先要滿足可制造性，在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下的鋰電行業(yè)，原材料價(jià)格信息透明，提升制造良率可有效增加公司利潤(rùn)，因此，面向可制造的設(shè)計(jì)方案尤其重要。其次，方案中的電池體系、配方、技術(shù)參數(shù)等工程規(guī)格需要滿足電池可靠性要求，這個(gè)階段應(yīng)采用設(shè)計(jì)失效模式及后果分析方法（design failure mode and effects analysis，DFMEA），針對(duì)某些功能失效的影響后果確定其潛在失效模式，一般每種失效影響會(huì)對(duì)應(yīng)多種失效模式；失效的潛在起因是針對(duì)失效模式而言的，其導(dǎo)致的后果就是失效模式，同時(shí)又是后面提出建議和糾正措施的依據(jù)；而失效根本原因的挖掘是為了能有效地制定相應(yīng)的故障預(yù)防措施。圖3 是運(yùn)用DFMEA 方法分析鋰離子電池容量和功率損失[12-19]。

圖3 鋰離子電池容量和功率衰減失效分析

方案的確定還可以采用全面質(zhì)量管理學(xué)中PDCA[20]循環(huán)思想，其中P 階段是策劃階段，該階段的主要工作是改進(jìn)機(jī)會(huì)的識(shí)別，制定改進(jìn)目標(biāo)以及達(dá)到這些目標(biāo)的措施和方法；D 階段是實(shí)施階段，主要任務(wù)是實(shí)施改進(jìn)計(jì)劃；C 階段是檢查階段，質(zhì)量改進(jìn)追求效果，而改進(jìn)的效果需要檢查分析才能做出判斷；A 階段是處理階段，這個(gè)階段主要進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，鞏固改進(jìn)效果以及將遺留問(wèn)題轉(zhuǎn)入下一個(gè)循環(huán)。設(shè)計(jì)方案不是僅靠一次工作循環(huán)就可以完成，而是需要經(jīng)過(guò)多次循環(huán)，不斷改迸。在這個(gè)過(guò)程，考慮電池全生命周期，明確主要失效模式，反哺設(shè)計(jì)方案，也可以為產(chǎn)品和過(guò)程特殊特性清單的制定提供依據(jù)。如圖4所示，分析循環(huán)后期的磷酸鐵鋰電池體系，失效模式主要為負(fù)極固體電解質(zhì)界面（SEI）膜的增厚消耗活性鋰離子以及石墨材料的克容量損失?；谏鲜鲅邪l(fā)經(jīng)驗(yàn)，提升設(shè)計(jì)方案的質(zhì)量，可以重點(diǎn)管控設(shè)計(jì)方案中關(guān)于SEI 膜性能優(yōu)化和石墨材料的循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)化。

圖4 磷酸鐵鋰電芯循環(huán)失效模式定量分析

2.3 對(duì)進(jìn)度的質(zhì)量管理

目標(biāo)和方案確定后，設(shè)計(jì)階段需要制定后續(xù)各項(xiàng)活動(dòng)的時(shí)間進(jìn)度，使整個(gè)開發(fā)過(guò)程在受控狀態(tài)下進(jìn)行。設(shè)計(jì)階段進(jìn)度的質(zhì)量管理，主要考慮進(jìn)度里程碑節(jié)點(diǎn)設(shè)置是否合理，相應(yīng)節(jié)點(diǎn)下輸出的項(xiàng)目資料是否完善。常見引發(fā)進(jìn)度問(wèn)題的原因有：目標(biāo)和方案頻繁變更、進(jìn)度延誤、項(xiàng)目混亂；跨部門考核機(jī)制不完善、溝通困難、項(xiàng)目推進(jìn)緩慢。進(jìn)度的質(zhì)量管理最佳實(shí)踐包括：（1）根據(jù)溝通計(jì)劃，與項(xiàng)目相關(guān)人員進(jìn)行有效溝通；（2）嚴(yán)格監(jiān)控項(xiàng)目進(jìn)度，提前預(yù)警、及時(shí)糾偏；（3）重點(diǎn)跟蹤監(jiān)控高風(fēng)險(xiǎn)任務(wù)，并采取防范措施。

此外，在進(jìn)度的制定上，明確關(guān)鍵路徑即耗時(shí)最長(zhǎng)的任務(wù)，良好的進(jìn)度管理是向關(guān)鍵路徑要時(shí)間、向非關(guān)鍵路徑要資源。鋰離子電池的開發(fā)，關(guān)鍵路徑有物料采購(gòu)（新型物料需要供應(yīng)商開模）、新產(chǎn)品試制調(diào)試、產(chǎn)品測(cè)試（儲(chǔ)存和循環(huán)等可靠性測(cè)試周期長(zhǎng)）等，在這些關(guān)鍵路徑的進(jìn)度管理上要明確真正的資源日歷，而不是簡(jiǎn)單的自然日歷去推算。

將進(jìn)度做到可視化，可以提高進(jìn)度管理質(zhì)量。甘特圖是將任務(wù)列表和時(shí)間周期可視化的較好的工具，通過(guò)活動(dòng)列表和時(shí)間刻度表示出特定項(xiàng)目的順序與持續(xù)時(shí)間，一條線條圖，橫軸表示時(shí)間，縱軸表示項(xiàng)目，線條表示期間計(jì)劃和實(shí)際完成情況，直觀表明計(jì)劃何時(shí)進(jìn)行、進(jìn)展與要求的對(duì)比。

2.4 對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的質(zhì)量管理

項(xiàng)目不同階段會(huì)有不同的風(fēng)險(xiǎn)，隨著項(xiàng)目的進(jìn)行，不確定性隨之減少。設(shè)計(jì)階段是項(xiàng)目的早期階段，風(fēng)險(xiǎn)是不可避免的，關(guān)鍵在于對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別和管理。鋰離子電池開發(fā)設(shè)計(jì)階段的風(fēng)險(xiǎn)分類有外部不可預(yù)測(cè)的風(fēng)險(xiǎn)（客戶需求變更）、內(nèi)部非技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)（進(jìn)度拖延、成本超支、管理問(wèn)題等）、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)（現(xiàn)有設(shè)計(jì)下電池性能不足）、工藝風(fēng)險(xiǎn)（新型制備工藝）、法律風(fēng)險(xiǎn)（專利侵權(quán)）等。

對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別后，首先實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)定性分析，即分析風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率及風(fēng)險(xiǎn)帶來(lái)的影響，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的影響進(jìn)行評(píng)級(jí)；其次，規(guī)劃風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)策略，應(yīng)對(duì)策略有規(guī)避、轉(zhuǎn)移、減輕、接受等；最后進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控，執(zhí)行風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)計(jì)劃，細(xì)化到責(zé)任人和完成時(shí)間節(jié)點(diǎn)，有識(shí)別有跟蹤才能做到有效的風(fēng)險(xiǎn)管理。

在鋰離子電池設(shè)計(jì)階段的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)策略主要有規(guī)避和減輕，如圖5所示，在鋰離子電池可靠性設(shè)計(jì)時(shí)，從材料體系設(shè)計(jì)和電芯參數(shù)設(shè)計(jì)上進(jìn)行規(guī)避或者減輕風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 鋰離子電池可靠性設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避（減輕）措施

3 結(jié)語(yǔ)

隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)和儲(chǔ)能領(lǐng)域的大規(guī)模發(fā)展，鋰離子電池行業(yè)迎來(lái)了前所未有的機(jī)遇，同時(shí)也面臨著巨大的挑戰(zhàn)，提升鋰離子電池的質(zhì)量是提升其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的必經(jīng)之路。本文首先從質(zhì)量杠桿的角度論述了設(shè)計(jì)階段質(zhì)量管理的重要性，設(shè)計(jì)階段的質(zhì)量管理可以最高效地節(jié)約產(chǎn)品開發(fā)成本。其次，結(jié)合“SMART”目標(biāo)管理原則、QFD 方法、DFMEA、PDCA 循環(huán)思想等質(zhì)量管理理論對(duì)設(shè)計(jì)階段目標(biāo)、方案、進(jìn)度、風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行質(zhì)量管理的實(shí)施；同時(shí)，根據(jù)鋰離子電池開發(fā)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出對(duì)方案制定和風(fēng)險(xiǎn)管控上的質(zhì)量提升建議。

如今，鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的急劇擴(kuò)張、產(chǎn)能的迅速釋放、對(duì)產(chǎn)品成本的極致壓縮等，導(dǎo)致鋰離子電池質(zhì)量良莠不齊。因此，進(jìn)一步改進(jìn)鋰離子電池質(zhì)量是十分必要的；設(shè)計(jì)階段是鋰離子電池開發(fā)過(guò)程的基礎(chǔ)，研究設(shè)計(jì)階段的質(zhì)量管理極具意義。

結(jié)合上述對(duì)鋰離子電池開發(fā)過(guò)程中設(shè)計(jì)階段的質(zhì)量管理論述，提出對(duì)行業(yè)未來(lái)設(shè)計(jì)階段質(zhì)量提升的建議：一是鋰離子電池企業(yè)加強(qiáng)設(shè)計(jì)階段的重視程度，產(chǎn)品目標(biāo)的制定必須從應(yīng)用的角度出發(fā)，立足鋰離子電池全生命周期的可靠性設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品的性能底線；二是從微觀結(jié)構(gòu)、宏觀尺度，從電芯本體、模組層級(jí)等多維度系統(tǒng)解析鋰離子電池的失效特征，深入研究不同時(shí)空、工況條件下鋰離子電池健康安全狀態(tài)和電化學(xué)性能失效機(jī)制，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案提供理論依據(jù)；三是在競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的市場(chǎng)環(huán)境下，鋰離子電池行業(yè)同質(zhì)化現(xiàn)象已越發(fā)明顯，避免同質(zhì)化需要企業(yè)強(qiáng)化技術(shù)創(chuàng)新能力，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，不斷追求產(chǎn)品和服務(wù)的本質(zhì)創(chuàng)新。