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[电池材料] 电动汽车电池热管理集成产品的模块化工作评价研究

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发表于 2021-9-15 11:56:26 | 显示全部楼层 |阅读模式
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钱柯浙1 ,顾 复1,2,顾新建2
(1.浙江大学 工程师学院,浙江 杭州 310027;2.浙江大学 机械工程学院,浙江 杭州 310027)
摘 要: 介绍了电动汽车电池热管理集成产品的模块化工作评价体系。从研发效率提升率、品质效益提升率、可靠性提升率、总成本减少率、客户效益提升率、绿色效益提升率六方面进行了电动汽车电池热管理集成产品的模块化工作效益评价。分别从模块选用率、标准件比例、通用件比例、产品标准化率四方面,对产品的模块化水平进行了综合评价。针对A公司的某款电动汽车热管理集成产品开展了模块化工作评价实践。
关键词: 电动汽车;电池热管理;模块化工作;模块化评价

A公司根据已有的产品数据,从提升研发效率、提高产品过程质量、降低产品成本、满足客户个性化需求等目标出发,提出并实践了电动汽车电池热管理集成产品的模块化工作战略。经过产品模块化分析,划分产品的结构主模块,建立电动汽车电池热管理集成产品编码与零部件命名规则等过程,搭建了电动汽车电池热管理集成产品模块化工作平台。实践证明:运用模块化工作方法,能够快速设计满足个性化和多样化要求的电动汽车电池热管理集成产品;能够加快产品的研发速度,在市场竞争中占据先机;能够降低研发成本,提高产品质量,促进新产品的开发。

产品模块化工作是由效益驱动的,但其本身要耗费大量的人力,并不是所有工业产品都可采用模块化工作方法。因此,产品模块化工作的效益如何,需要定量分析。这就是产品模块化工作评价,是产品模块化工作完成后的一个重要环节。产品模块化工作评价指标一般可分为产品模块化工作效益评价指标和产品模块化水平评价指标[1]。产品模块化工作既是方法也是目的。模块化工作评价方法在机电产品中应用较多。胡光忠等在线切割机床的模块化评价中,基于灰色关联分析法对线切割机床进行模块化分析,在得出设计重点的基础上进行了产品设计,并结合模糊综合评价法进行了模块化工作的满意度评价[2]。尚锐等基于可重构模块化的现代设计思想,在立式三四边封袋包装机可重构模块化工作的基础上,研究模块化工作评价问题,解决了模块组合不匹配、模块安装精度不统一的问题,提高了产品设计的可靠性与精度[3]。许洁等将TRIZ方法与模块化效益法结合起来,构建了电梯生命周期评价指标体系,从电梯质量、电梯成本、用户满意度以及电梯的过程环境友好性四方面逐级细化分析了模块化的效益[4]。田楚楚等从机械产品模块化效益综合评价的需求出发,建立了模块化效益评价的一般模型。从产品全生命周期内的时间、成本、质量、用户满意度、环境友好性五方面,对机械产品模块化效益进行了综合评价,并以豆浆机为例对评价方法进行了可行性验证[5]。

本文针对电动汽车电池热管理集成产品进行模块化工作评价的研究。电动汽车电池热管理集成产品属于汽车零部件产品,因此在对其进行模块化工作评价时,需要考虑汽车行业专有的一些评价指标,如IPTV(每千辆车故障率)、PPM(百万分之不良品比例)、0公里故障率等。

1 产品模块化工作评价体系的结构

产品的模块化工作评价具有双目标、多维度的特点,可从模块化工作效益与模块化水平两方面进行评价[5]。电动汽车电池热管理集成产品模块化工作评价体系的结构如图1所示。

图1 电动汽车电池热管理集成产品模块化工作评价体系的结构

2 产品模块化工作效益评价2.1 研发效率提升率

电动汽车电池热管理集成产品模块化工作的研发效率提升率主要体现在产品研发周期的缩短上。研发周期包括原型样机设计、产品设计及验证、过程设计、制造过程实现4个阶段(图2)。

图2 电动汽车电池热管理集成产品研发周期

电动汽车电池热管理集成产品研发效率提升率是指开展模块化工作后研发周期的缩短率。它是对产品开发各阶段时间缩短率进行加权平均得到的值。

研发周期的缩短率为:

r=0.20r1+0.40r2+0.30r3+0.10r4

(1)

研发周期缩短率指标和相应权重如表1所示。

表1 研发周期缩短率指标和相应权重
注:权重由A公司组建的专家委员会根据电动汽车电池热管理集成产品开发与制造过程中各阶段的工作量、时间和难度来确定。

2.1.1 原型样机设计时间缩短率

在汽车零部件行业,原型样机用于验证产品原理是否成立。原型样机能够实现基本功能即可,不需要考虑寿命、强度、耐久性等因素。开展电动汽车电池热管理集成产品的模块化工作后,各模块间接口基本统一,在原型样机设计阶段即可大量选用通用模块,或简单改造通用模块来满足功能要求。这大大缩短了原型样机设计的时间。

原型样机设计时间缩短率为:


(2)

式中:T′1为开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作前的原型样机设计阶段平均时间;T1为开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作后的原型样机设计阶段平均时间。

2.1.2 产品设计及验证时间缩短率

产品设计及验证阶段需要考虑产品寿命、强度、耐久性和客户情况。在开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作后,可从客户个性化需求出发,优先使用通用模块,通过变形设计和参数化设计快速完成零部件与模块的设计,以满足不同客户的个性化需求。

产品设计及验证时间缩短率为:


(3)

式中:T′2为开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作前产品设计及验证阶段的平均时间;T2为开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作后产品设计及验证阶段的平均时间。

2.1.3 过程设计时间缩短率

开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作后,在产品过程设计阶段,对于通用模块,可选用已有的工艺、原规格制造设备和加工刀具进行制造;对于需要变形设计和参数化设计的零部件,可采用派生式工艺流程,以缩短工艺编制时间,减少工艺编制的工作量。

过程设计时间缩短率为:


(4)

式中:T′3为开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作前的过程设计阶段平均时间;T3为开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作后过程设计阶段的平均时间。

2.1.4 制造过程实现时间缩短率

制造过程实现阶段的任务是通过小批量生产验证工艺、设备、工装的稳定性与可靠性。对于未开展模块化工作的产品,需要在工装设备调试、工艺验证上花费较多的时间;对于已开展模块化工作的产品,由于其大部分零件为通用模块,部分零件因基于变形设计与参数化设计,其工艺、工装设备与已有零件相似,仅有一小部分零件为全新零件,因此相应的制造过程实现速度会大幅度提升。

制造过程实现时间缩短率为:


(5)

式中:T′4为开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作前制造过程实现阶段的平均时间;T4为开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作后制造过程实现阶段的平均时间。

2.2 品质效益提升率

品质效益提升率主要体现在三方面,即研发品质、制造品质、客户反馈品质的效益提升上。品质效益提升率指标和相应权重如表2所示。

表2 品质效益提升率指标和相应权重
注:权重由A公司组建的专家委员会根据电动汽车电池热管理集成产品开发与制造过程中各阶段的品质重要程度、工作量、品质对公司效益的影响程度来确定。

指标的权重主要反映指标对公司效益的影响程度。从对公司效益的影响程度而言,客户反馈要大于研发品质与制造品质。

品质效益提升率为:

p=0.35p1+0.20p2+0.45p3

(6)

2.2.1 研发品质提升率

对于DV(Design Verification)试验项目,产品容易在技术评审与设计验证中出现问题。问题发生后,通常要进行方案变更或新的试验验证,而汽车行业的产品设计变更是一项非常谨慎与繁琐的工作,过多的设计变更容易导致产品研发成本的大幅增加。

研发品质提升率为:


(7)

式中:P′1为开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作前技术评审与设计验证所产生问题的平均数;P1为开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作后技术评审与设计验证所产生问题的平均数。统计期限为1年。

2.2.2 制造品质提升率

在生产过程中,企业一旦在产品测试、启动检、过程检、成品检环节发现问题,将会根据相关规定进行返工或拆废处理。

制造品质提升率为:


(8)

式中:P′2为开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作前生产过程中产生问题的平均数;P2为开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作后生产过程中产生问题的平均数。统计期限为1年。

2.2.3 客户反馈减少率

产品在整车装配客户端和整车最终消费者手中出现质量问题,会造成客户抱怨和索赔,以及对整车的维修甚至批量召回等,对企业效益产生严重影响。

客户反馈减少率为:


(9)

式中:P′3为开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作前客户投诉(它包括车厂内发出的投诉和最终用户发出的投诉)的平均次数;P3为开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作后客户投诉的平均次数。统计期限为1年。

2.3 产品可靠性提升率

2.3.1 DV试验可靠性

DV试验可靠性为:


(10)

式中,vi为i个电动汽车电池热管理集成产品在DV试验中失效的试验项目数量;wi为i个电动汽车电池热管理集成产品进行DV试验的试验项目总数。

2.3.2 售后产品可靠性

售后产品可靠性为:


(11)

式中:fi为售后出现反馈的产品数量;Wi为产品售出的总数量。通常PPM以每售出100万件所发生的产品故障数表示。

2.4 总成本减少率

开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作所产生的成本效益主要体现为设计成本、试验成本、制造成本、采购成本、仓储物流成本的下降,以及模块化工作导致的人员与工装设备费用的增加。总成本减少率指标和相应权重如表3所示。

表3 总成本减少率指标和相应权重
注:权重根据各项成本占产品研发项目总成本的比例来确定。

总成本减少率为:

c=0.30c1+0.10c2+0.20c3+0.25c4+0.05c5-0.10c6

(12)

2.4.1 设计成本减少率

在开展模块化工作之前,电动汽车电池热管理集成产品的大量零部件需要根据客户要求来定制开发,结构工程师要在新零件、新部件的设计和出图方面花费大量的时间,且要进行多次设计验证;工艺工程师要设计全新的零部件工艺方案,且要进行多次优化。在开展模块化工作后,标准件和通用件在全部零部件中占比(以下简称所占比例)大幅提高,仅有少部分是用于满足客户特殊需要的新增零件,使设计成本大为降低。

设计成本减少率为:


(13)

式中:C′1为开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作前的工程师综合成本;C1为开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作后的工程师综合成本。工程师综合成本包括:人员薪资和开发软件、购置办公设备、培训的费用。统计期限为1年。

2.4.2 试验成本减少率

在开展模块化工作之前,新设计的电动汽车电池热管理集成产品中大量零件需进行新的设计,且未进行模块层级划分,从部件到总成均需进行试验。在开展模块化工作后,大量使用通用件和标准件,标准模块比例大大提高。这些模块都经过了大量的设计验证,可靠性非常高,无需再做试验。

试验成本减少率为:


(14)

式中:C′2为开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作前的试验成本;C2为开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作后的试验成本。试验成本包括:试验人员薪资、试验设备投入、试验消耗品投入、试验能耗的价值等。统计期限为1年。

2.4.3 制造成本减少率

在开展模块化工作之前,供给各整车厂的电池热管理集成产品大部分是定制开发的,各产品之间的零件重用率较低,无法在实际生产过程中形成大的批量;在开展模块化工作后,标准件与通用件所占比例大幅提高,可进行大批量制造,以降低装备购置成本和工时成本。

工时成本减少率为:


(15)

式中:C′31为开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作前的生产线工时成本;C31为开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作后的生产线工时成本。

装备购置成本减少率为:


(16)

式中:C′32为开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作前的工装设备购置成本;C32为开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作后的工装设备购置成本。

制造成本减少率为:

c3=0.40c31+0.60c32

(17)

2.4.4 采购成本减少率

在开展模块化工作之前,电动汽车电池热管理集成产品中存在大量的新增零件,需要采购部门针对这些新零件需求寻找新的供应商,要求设计和生产等部门做好报价、出样、跟踪、小批量生产等工作。在开展模块化工作后,标准件与通用件所占比例大幅提高,仅有少部分零件需要采购、重新选择供应商,而且,供应商能对批量大的通用件进行大批量制造。因此外购成本得以降低。

外购成本减少率为:


(18)

式中:C′41为开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作前的外购件成本;C41为开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作后的外购件成本。

外协成本减少率为:


(19)

式中:C′42为开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作前的外协成本;C42为开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作后的外协成本。

采购成本减少率为:

c4=0.80c41+0.20c42

(20)

统计期限为1年。

2.4.5 仓储物流成本减少率

在开展模块化工作之前,通用件与标准件所占比例较低,大量的专用零件需要备库,仓储成本很高;同时,因为零件种类繁多,计划部门需要向内部有关部门下达大量的制造和采购指令,物流成本也很高。在开展模块化工作后,大量使用通用件和标准件,仓储物流成本有一定下降。

仓储物流成本减少率为:


(21)

式中:C′5为开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作前的仓储物流成本;C5为开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作后的仓储物流成本。统计期限为1年。

2.4.6 模块化工作成本增加率

开展产品模块化工作,需要兼顾所有客户的要求,为便于变形设计与参数化设计,各模块的结构中会留出一些调整设计的空间。这就会造成材料成本的增加。此外,搭建模块化平台也会产生一定的费用。

模块化工作成本增加率为:


(22)

式中:C′6为开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作前的材料成本;C6为开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作后的材料成本;C61为搭建模块化平台产生的费用。统计期限为1年。

2.5 客户效益提升率

开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作后的客户效益主要体现在三方面,即客户协同设计、客户配置设计和产品多样化。

2.5.1 客户协同设计提升率

目前,客户协同设计正在成为产品设计的一种发展趋势。它一方面能满足客户的体验需求,让客户参与标准模块的选型;另一方面使产品更容易获取并满足客户需求。模块化产品模块间的关系比较简单,且目前的接口均已标准化,因此客户参与产品设计已经比较方便[6]。

客户协同设计提升率为:


(23)

式中:S′1为开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作前的客户协同设计次数;S1为开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作后的客户协同设计次数。

2.5.2 客户个性配置程度提升率

开展模块化工作,能够在大批量定制的前提下尽量保证客户的个性化需求,显著提高模块的客户个性配置程度[7]。

客户个性配置程度提升率为:


(24)

式中:S′2为开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作前的客户个性配置程度;S2为开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作后的个性配置程度。

2.5.3 产品多样化水平

产品多样化水平是指从已有标准模块和零件能够演化出的产品类型数量。其数量越多,说明越能满足客户的多样化需求。产品多样化水平以不同模块间组合可产生的产品数量p做评价。其计算公式为:


(25)

式中:mi为模块i的数量;x为无应用意义的组合数。如调节能力为1 T的制冷剂比例调节模块与换热能力为6 000 W的换热芯体模块匹配就没有实际意义。这是因为,1 T调节能力约相当于3 517 W,两者匹配的情况下,换热芯体无法获得足量的制冷剂,根本无法达到原本设计的6 000 W换热能力。

2.6 绿色效益提升率

在开展模块化工作后,电动汽车电池热管理集成产品在材料种类与零件种类方面有所减少,产品重量减轻;提高了产品的可拆卸性,有利于零件的再利用、再制造和材料的回收利用。

2.6.1 材料种类减少率

开展模块化工作后,同一模块的零件应尽可能采用相同的材料,以减少材料种类,有利于材料的回收处理。

材料种类减少率为:


(26)

式中:E′1为开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作前的材料种类数;E1为开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作后的材料种类数。

2.6.2 零件种类减少率

通过模块化工作,对相似零件(如紧固件、密封件等)进行归并处理,从而减少产品中零件种类和专用件数量,有效地降低零件制造成本,方便产品的拆卸和回收处理。

零件种类减少率为:


(27)

式中:E′2为开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作前的零件种类数;E2为开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作后的零件种类数。

2.6.3 轻量化水平

在开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作前,单品模块间需用金属或橡胶管路连接,不但装配效率低,而且在整车布置时会挤占空间。在开展模块化工作后,原管路均用标准接口代替,使产品整体结构更紧凑,重量减轻,也节省了整车安装空间。

轻量化水平为:


(28)

式中:E′3为开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作前的零件质量;E3为开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作后的零件质量。

3 产品模块化水平评价

产品模块化水平评价是对模块化产品本身的评价。它能让企业了解产品在开展模块化工作后模块划分的合理程度,通用件、标准件的使用情况等;并能够根据量化指标,为模块化工作和模块化平台的优化指明方向[8]。

电动汽车电池热管理集成产品模块化水平评价一般可通过标准模块选用率、标准件比例、通用件比例和产品标准化率来表示。

3.1 模块选用率

标准模块选用率是指某个模块在不同电动汽车电池热管理集成产品中的使用率。使用率越高说明该模块通用度越高,标准化程度越高,可以满足不同客户的多种需求。

标准模块选用率以重用次数y1来评价。其计算公式为:


(29)

式中:N为不同产品中某模块使用的总数;n为该模块的种类数。重用次数y1越大,表示该模块通用性越强,模块化水平越高。

如电动汽车电池热管理集成产品中的“安装支架组件”模块共有7种,每种参数规格均有不同,它们被应用在28个产品中。则“安装支架组件”的重用次数为y1=28/ 7=4。它表示在所应用的机型中,平均每个安装支架组件被重用4次。

3.2 标准件比例

标准件比例为:


(30)

式中:a、b、c分别为用于评价的产品中标准件、通用件、专用件的数量。

3.3 通用件比例

通用件比例为:


(31)

电动汽车电池热管理集成产品中标准件、通用件和专用件的划分依据是零部件ABC分析法(重点选择法)。C1、B1值越大,表示模块化产品的标准化水平越高、通用性越强。

3.4 产品标准化率

产品标准化率为:


(32)

式中:zi为i机型的标准化率,为所评价的产品数量。

4 产品模块化工作评价案例

本文以A公司一款典型的电动汽车电池热管理集成产品为例,开展模块化工作评价。

4.1 电动汽车电池热管理集成产品模块化工作效益评价实践

针对电动汽车电池热管理集成产品,本文从研发效率提升率、品质效益提升率、产品可靠性提升率、总成本减少率、客户效益提升率、绿色效益提升率六方面,比较开展产品模块化工作前后的效益。

4.1.1 研发效率提升率

研发效率提升率根据式(1)来计算,各级指标根据式(2)—(5)进行对应计算,通过加权平均得出模块化后的研发效率提升率(表4)。

表4 研发效率提升率的计算结果

4.1.2 品质效益提升率

品质效益提升率根据式(6)来计算,各级指标根据式(7)—(9)进行对应计算,通过加权平均得出模块化前后的品质效益提升率(表5)。

表5 品质效益提升率的计算结果

4.1.3 产品可靠性提升率

电动汽车电池热管理集成产品可靠性包括DV试验可靠性和售后产品可靠性两方面。按式(10)、(11)计算可得:模块化前产品DV试验失效率为2.76%,模块化后的DV试验失效率为1.87%,产品DV试验可靠性提升了32.2%;模块化前售后产品可靠性PPM为100次,模块化后售后产品可靠性PPM为78次,售后产品可靠性提升了22%。

4.1.4 总成本减少率

总成本减少率根据式(12)来计算,各级指标根据式(13)—(22)进行计算,通过加权平均得出模块化后的总成本减少率(表6)。

表6 总成本减少率的计算结果

4.1.5 客户效益提升率

客户效益主要体现在客户协同设计和客户个性配置程度两方面。开展产品模块化工作后,根据式(23)、(24)计算可得,客户协同设计和客户个性配置程度分别提升了17.0%、23.0%。

此外,根据电动汽车电池热管理集成产品各模块数量,分析模块化后可组合产生的产品总数,剔除无法实际成立的方案,可行的电动汽车电池热管理集成产品达200多种,远远高于目前十几种的数量,极大地提高了产品多样化水平。产品多样化水平计算结果如表7所示。

表7 产品多样化水平计算结果 种

4.1.6 绿色效益提升率

绿色效益提升表现在材料种类减少、零件种类减少和轻量化水平提升三方面。开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作后,根据式(26)—(28)计算可得,材料种类减少率和零件种类减少率分别为17.0%、23.0%,产品安装空间平均减少58.0%。

4.2 电动汽车电池热管理集成产品模块化水平评价实践

4.2.1 模块选用率

开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作前后,多级模块平均重用次数y1发生了明显变化。模块选用情况统计结果如表8所示。

表8 模块选用情况统计结果

按照式(29)计算可得,所有模块选用率提升了37.2%。

4.2.2 标准件比例

标准件比例按式(30)来计算。经过计算,模块化前的标准件比例为29.0%,模块化后的标准件比例为33.0%,开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作后比之前的标准件比例提升了13.8%。

4.2.3 通用件比例

通用件比例按式(31)来计算。经过计算,模块化前的通用件比例为41.0%,模块化后的通用件比例为48.0%,开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作后比之前的通用件比例提升了17.1%。

4.2.4 产品标准化率

产品标准化率按式(32)来计算。经过计算,模块化前的产品标准化率为70.0%,模块化后的产品标准化率为81.0%,开展电动汽车电池热管理集成产品模块化工作后比之前的产品标准化率提升了15.7%。

5 结束语

本文介绍了电动汽车电池热管理集成产品的模块化工作评价体系(它包括模块化工作效益评价和模块化水平评价两方面);分别从研发效率提升率、品质效益提升率、产品可靠性提升率、总成本减少率、客户效益提升率、绿色效益提升率六方面进行了模块化工作效益评价;分别从模块选用率、标准件比例、通用件比例、产品标准化率四方面进行了模块化水平评价;以A公司某款电动汽车热管理集成产品为例,进行了模块化工作评价,为A公司模块化工作的效益评价提供了量化依据。



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