基于并行工程的电动汽车锂电池开发研究

谭 巍 徐克林



基于并行工程的电动汽车锂电池开发研究

谭 巍 徐克林

（同济大学 机械与能源学院工业工程所 上海 200092）

阐述了并行工程的发展和理论，比较了并行设计流程与串行设计流程的不同之处，提出实施并行工程在新产品开发过程中带来的成本优势和效率优势。结合F电动汽车企业的实际案例，梳理了电动汽车企业锂电池开发的现有流程并提出了基于并行工程的设计流程，定量比较实施并行工程前后锂电池设计周期的差别和设计成本的差别，得出并行工程在电动汽车锂电池开发中的优势，展望了并行工程理论在其他领域的应用价值和前景。

串行工程 并行工程 流程再造

从上个世纪八十年代以来，全球制造业商品市场发生了巨大的变化。全球经济模式逐步从卖方市场模式转变为买方市场模式，买方对产品种类、质量、价格提出了越来越高的要求，商品的生命周期变得越来越短。企业为了在剧烈的商品竞争中站稳脚跟赢得消费者，就必须面对提高产品质量，降低产品成本，扩展产品功能等问题。

要解决这些问题，就需要反思传统的商品开发模式，针对性的改变传统的商品开发模式。

传统的商品开发模式基本上是一种串行的模式，如图1所示。也就是先进行市场分析，找出市场需求，将分析结果交给设计部门，设计部门进行产品设计，然后将设计的图纸提交给制造部门进行工艺分析和加工设备的准备，采购部门需要根据制造部的采购要求买入满足要求的生产设备，最后才进行加工制造和产品的测试工作。

图1 传统串行开发模式流程

如果发现产品不满足客户要求，就必须更改设计图纸和工艺路线，重新制造和测试，直到客户满意。在这种串行的产品开发模式下，制造单位里面各个部门是独立开展工作而缺乏沟通，尤其在设计阶段，设计人员可能考虑工艺可行性和工装成本的内容较少，往往设计人员设计的图纸在制造部门无法生产或者需要费用昂贵的工装设计。

最后为了满足生产而造成设计方案和图纸的大幅度修改，严重影响产品的开发周期、产品质量和开发成本。

1 并行工程理论

人们对并行工程的研究从上个世纪八十年代就开始了，对并行工程的定义也有好多说法，但最终为大家所公认的对并行工程的定义是在1988年由美国国家防御分析研究所（The Institute for Defense Analysis : IDA）提出的。

IDA提出的并行工程的定义是：集成地、并行地设计产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）的系统方法。此方法要求产品开发人员从一开始就考虑产品整个生命周期中产品从概念设计一直到产品寿命终止的所有相关因素，包括开发进度、质量、成本和客户要求等等。应用并行工程的宗旨是提高产品质量、降低开发成本、缩短开发周期。

并行工程的具体实施方法是：在产品开发的初期阶段就组织一个能够协同各个职能部门共同工作的项目组，要求项目组中的有关人员从一开始就了解新产品的信息和技术要求，并认真研究涉及本部门的工作，使许多细节问题和产品要求在开发早期就得到重视，保证了后期设计的质量；在产品的设计阶段，需要把概念设计、结构设计、工艺标准、客户要求等结合起来，要求产品设计各项工作由各责任部门完成，做到分工明确，部门成员各自安排好自己的工作，但又要求各责任部门之间以及责任部门内部成员之间能够时时交流，互相协调，了解其他成员和其他责任部门之间的工作内容和工作进度[1]。

并行工程的核心内容是并行设计，并行设计必须考虑的因素包括：市场因素、制造工艺、装配过程、产品维护等等。并行设计目的就是减小产品的设计周期，进一步压缩开发成本，提供可靠的产品和优质的服务。并行工程充分利用集成环境和各种协同工具，应用现代信息管理技术，从全局优化的角度，使产品生命周期内各环节的设计任务尽可能并行，侧重产品全生命周期的研究[2]。基于并行工程的产品开发流程如图2所示。

图2 基于并行工程的产品开发流程

2 并行工程在国内外的发展和应用

2.1 并行工程在国外的发展和应用

并行工程自从上个世纪八十年代提出以来，美国、欧洲和日本等国家均给予了高度重视，并成立了研究中心，开展了一系列以并行工程为基础的政府支持计划。DARPA（美国国防高级研究项目局）在1988年发出了并行工程倡议，在美国西弗吉尼亚大学投资了4~5亿美元建立并行工程研究中心。美国的其它许多高校、软件开发单位也开始进行有关技术的研究，并且从90年代以后，并行工程已从理论层面向实用化层面发展，越来越多的涉及航空、航天、汽车、电子、机械等领域的国际知名企业，通过实施并行工程已经取得了显著的效益。比如，美国洛克希德导弹与空间公司 (LMSC) 在1992年10月接受了美国国防部用于“战区高空领域防御”的新型导弹开发工作，LMSC公司的导弹开发一般需要花费5年的时间，而采用并行工程的方法，LMSC公司最终将导弹开发时间缩短了60%。LMSC公司具体的实行方法是改进产品开发流程，在项目开发的前期阶段就投入大量的精力，对“战区高空领域防御”新兴导弹开发中的各个过程和环节进行分析，找出可以并行工作的环节，对开发过程进行重组和流程再造。产品在设计和实验阶段，实施信息集成与信息共享，要求设计参数、工程变更、试验数据等所有相关的数据都必须录入数据库，并要求各系统之间必须做到有效的信息集成与共享[3]。又比如，西门子对于重型雷达设备的开发也采用并行工程的方法来提高产品质量及缩短开发时间，西门子基于并行工程的产品开发有六个方面的要求：（1）建立“一次开发成功”的团队和技术中心；（2）采用一种新的设计过程控制工具来跟踪循环中的时间延迟，消除无效的等待时间；（3）引入IDEF建模系统，让工程师在建模过程中能够及时发现问题并改进；（4）过程控制，其过程控制软件可以获得每个通过设计中心的设计文件的历史资料而且可以记录每一次设计变更；（5）采用一个在线系统要求责任工程师对设计变更写出详细原因；（6）将测试作为产品设计工作的一部分，将产品设计小组和产品测试小组合并为数字小组，共同负责产品的开发及测试[4]。

2.2 并行工程在国内的发展与应用

并行工程在中国的研究与应用分为以下阶段：

（1）1992年前是并行工程的预研阶段， 863/CIMS(计算机集成制造系统) 年度计划和国家自然科学基金资助了一些并行工程相关技术的研究课题，如面向产品设计的智能DFM ，并行设计方法研究，产品开发过程建模与仿真技术研究等。1993年，863/CIMS 主题组织清华大学、北航、上海交大、华工和航天204所等单位，组成并行工程可行性论证小组，提出在CIMS实验工程的基础上开展并行工程的攻关研究。1995年5月，863/CIMS 主题重大关键技术攻关项目“并行工程”正式立项，投入大量资金开展并行工程方法、关键技术和应用实施的研究。1995年5月~1997年12月，进行了“并行工程”项目的攻关研究。

（2）1998年至今，“并行工程”已有攻关成果并进一步深入研究，应用于航天、电子、汽车、机械等领域。这里重点介绍并行工程在汽车行业应用的经验。

3 电动汽车锂电池开发并行研究

以F电动汽车公司锂电池开发流程为例，梳理该电动汽车公司锂电池开发的现有流程并提出了基于并行工程的设计流程改造，并定量比较实施并行工程前后锂电池设计周期的差别和设计成本的差别，得出并行工程在电动汽车锂电池开发中的带来的优势和效益。

经过梳理和分析，发现该电动汽车公司锂电池开发基本上是一套串行的流程，前后有五大设计阶段，这五大设计阶段分别是设计输入阶段、方案可行性分析阶段、3D设计和仿真阶段、样品制作和测试阶段、产品输出和验证阶段。在设计输入阶段，需要输入的数据包括锂电池电性能要求、锂电池尺寸要求、锂电池散热要求、锂电池结构强度要求。在方案可行性分析阶段主要有以下几项工作内容：电化学分析、初步结构设计、电池尺寸校核、CFD初步计算。这几个设计环节是串行的设计流程，是电动汽车锂电池现有开发流程，如图3所示。

基于以上设计流程，需要详细说明的是：在上述设计流程的五大阶段中，方案可行性分析阶段、3D设计和仿真阶段、样品制作和测试阶段是锂电池设计的重点设计环节，它们会占据整个开发周期的80%以上时间。然而目前的设计流程中，这三个阶段的工作都是串行开发的过程，比如在方案可行性分析阶段，工作的前后过程是先进行电化学分析判断需要的电池单体类型和数量，再进行初步的结构布置，然后进行电池系统边界尺寸的初步校核，最后进行初步的CFD计算、判断结构布置能否满足散热效果。在3D设计和仿真阶段，先进行电池系统的结构设计再进行电池系统的散热设计，然后对电池系统进行CFD散热仿真和CAE结构强度仿真。在样品制作和测试阶段，首先是完成电池包样品的制作和组装，然后依次进行电池包的电性能测试、机械强度测试和散热测试。

图3 F电动汽车公司传统锂电池开发流程

由于三大重要设计阶段的开发工作基本都是串行的工作模式，上一步工作完成之后才能进行下一步的工作，下游部门或下游工程师将花费很多时间等待，导致设计效率低下而延长开发周期很长，更重要的是上游设计环节的错误，会造成后面设计环节的一系列错误，被放大的设计失误可能颠覆整个设计方案，会造成设计成本和开发周期的极大化。经过分析，在方案可行性分析阶段，上述设计流程中有的设计环节是可以并行进行的，其中“初步结构设计”过程中的“模组排布”环节和“电池尺寸校核”中的“电池排布尺寸校核”可以同时进行，不用安排在上下游设计环节。另外“初步结构设计”过程中的“散热结构初步设计”环节和“电池尺寸校核”中的“电池散热空间校核”可以并行进行，不用安排在上下游设计环节。也就是说“初步结构设计”过程和“电池尺寸校核”过程的工作可以合并。方案可行性分析阶段设计流程在进行并行再造之后如图4所示。

图4 方案可行性分析阶段设计流程并行再造

经过分析，在3D设计阶段进行电池系统结构设计的同时就可以进行初步的CAE仿真，以指导电池结构设计，以免在最后进行CAE仿真时才发现一些重大结构设计缺陷而造成颠覆性的设计返工。这些工作由机械工程师完成，而最终的CAE仿真在电池系统结构设计和电池初步CAE仿真工作之后进行，由专业CAE工程师完成，是对结构设计和初步CAE仿真结果的一个验证。

在进行电池系统散热设计的同时，就可以进行初步的CFD仿真，以指导电池散热设计，以免在最后进行CFD仿真时才发现一些重大散热设计缺陷而造成颠覆性的设计返工。

这些工作由机械工程师完成，而最终的CAE仿真在电池系统结构设计和电池初步CAE仿真工作之后进行，由专业CFD工程师完成，是对结构设计和初步CFD仿真结果的一个验证。3D设计和仿真阶段设计流程在进行并行再造之后如图5所示。

样品制作和测试阶段主要有：电池系统样品制作和组装、电池系统电化学测试、电池系统机械测试、电池系统散热测试，目前这几个测试过程也是串行的过程。经过分析，我们发现电池系统结构测试和电池系统散热测试的工作可以同时进行，可以大大缩短整个电池系统测试时间。样品制作和测试阶段设计流程在进行并行再造之后如图6所示。

图5 3D设计和仿真阶段设计流程并行再造

图6 样品制作和测试阶段设计流程并行再造

将X型锂电池整个设计过程实施并行设计前后所需的设计时间量进行汇总比较，得出表1结果。

表1 X型锂电池串行与并行设计周期对比表 单位：天

由表1可以看出：如果采用改进的并行设计流程，相比当前的串行设计流程，总的设计周期能够缩短90个工作日。将锂电池整个设计过程的设计成本进行对比汇总，得到下表2结果[5]。

表2 X型锂电池串行与并行设计成本对比表 单位：元

由表2可以看出，相比串行设计流程，由设计周期缩短而带来的单个锂电池项目人工成本能够减少32万元。

4 结语

本文就新能源汽车核心零部件锂电池的开发流程进行了分析，梳理了串行锂电池设计流程，提出了基于并行工程的锂电池设计流程，并通过定量计算得出并行工程下的设计流程比串行设计流程能够缩减大量的设计成本和设计周期。相信不光在汽车行业，在其它行业得到应用，在周期和成本上也会带来巨大的效益。

[1] 潘雪增.并行工程原理及应用[M].北京：清华大学出版社,1997.

[2] 徐文胜,常天庆.并行工程基于实例的冲突解决的研究[J].中国机械工程,1999,10(4):384-386.

[3] 吴祚宝,吴澄.基于产品数据管理的产品和开发过程集成方法[J].清华大学学报,2000,40(4):88-91.

[4] Mayer R J,Crump J W.Information intention for Concurrent Engineering compendium of methods report[J].KnowledgeBasedSystems,1995,(6):89-90.

[5] 王红.成本控制与业绩评价的有效方法[J].胜利油田职工大学学报,2003,17(1):34-36.