浅谈APQP在动力电池系统研发中的应用

葛瑞226200) (江苏海四达电源股份有限公司,启东 ISO/TS 16949 APQP)5摘要:通过探究 中先期产品质量策划( 个阶段的输入及输出,分析了APQP项目管理方法在动力电池系统研发流程中的应用情况。结果表明,动力电池系统产品的APQP APQP研发中采用 进行项目策划和过程控制使得产品设计开发流程更加规范化。 以文件的方式将整个项目分阶段列出流程表,保证了产品质量、数量、交期能够满足客户的要求。ISO/TS 16949 IATF 16949 APQP关键词:动力电池系统 项目研发U469

Automobile Technology & Material - - Workshop Solution -

1 前言

关服务件的组织应用ISO/TS 16949(质量管理体系—汽车生产件及相ISO9001:2008的特殊要求[1])发布和实施是为了促进汽车行业管理优化、合理利用资源、提高管理绩效、降低企业成本、满足顾客要求,从ISO/TS而持16949续推动全球汽车行业不断发展。在国内, 认证早已成为汽车行业的通用体系要求,大部分的汽车主机厂对其零部件供应商的要求是一定要通过ISO/TS 16949的认证。

和新技术的发展,新能源汽车已成为汽车行业内新目前,随着国家政策的扶持、社会需求的提升兴的朝阳产业。ISO/TS 16949作为汽车行业质量管理体系要求的通用基础要求,其在新能源汽车行业的推广和应用同样具有重要的指导性意义。本文重点阐述了ISO/TS 16949质量管理体系中APQP质量工具在新能源汽车核心动力来源——动力电 池系统研发中的运用情况及重要意义。

2 动力电池系统总成分析

动力电池系统对于电动汽车而言,是车辆的重要能量来源或唯一能量来源,它的应用性能会直接影响到电动汽车的使用情况。动力电池系统是一个复杂的多部件集成系统,其内部除了作为能量载体的动力电池之外,还包括电池管理系BMS) /统( 、热管理系统、高低压线束连接器、开关器件(继电器、保险丝、MSD等)、安装组件(压杆、螺栓等)、箱体、辅助组件(橡胶垫、密封胶、扎带)等[2]。动力电池系统产品在研发过程中涉及众多领域及学科,如电子、电气、软件工程、电化学、机械工程、传热学等。动力电池系统在整个生命周期里跟随电动汽车可能要一起经历严寒酷暑、风霜雨雪、涉水浸泡、各种外力作用(如振动、撞击等各种情况)以及一些使用不当的滥用情况。所以,一个动力电池系统产品要想在其整个生命周期内正常的、安全的使用,必须在其质量方面进行严格把控。

1988—),作者简介:葛瑞( 男,工学学士,从事动力电池结构及热管理系统设计研究。

3 APQP在动力电池系统研发中的应用

3.1 先期产品质量策划( Apqp,advanced Prod⁃ uct Quality Planning)

ISO/TS 16949在推行 质量管理体系标准过程中,通常使用5大工具进行质量管理,包括APQP、潜FMEA)在失效模式及后果分析( 、统计过程控制( SPC)、生产件批准程序( PPAP)和测量系统分析( MSA)[ 3]。其中, APQP是产品设计开发中最常用、最重要的应用工具。在正确获取客户需求的前提APQP下, 以架构化的形式确保在规定时间内完成项目并完全达到顾客满意,其贯穿产品的设计、开发、制造所有过程[4]。

APQP规定项目确定、产品设计开发阶段、产品制造阶段的实施进度。在新产品开发过程中, APQP是“框架”,其他质量工具应用于APQP整个APQP 5流程中的各个阶段。 通常分为 个阶段,第1 2阶段是项目的计划和确认,第阶段是产品设计3 4和开发,第阶段是过程设计和开发,第 阶段产5品和过程确认和验证,第 阶段是反馈、评价和改1善纠正,如图 所示。

3.2 APQP应用

根据政策的指引和技术的发展,市场对电动汽车使用要求也越来越高,随之对动力电池系统的性能提出了新的挑战。通常在客户下订单后,公司内部发布开发通知书,项目正式开始。随着项目的开始,项目小组随即成立;项目小组由参与项目开发, /的所有部门组成即项目经理、生产生产技术、质量管理、物流、采购、销售、研发、试验部分的相关人员组成。整个动力电池系统研发过程所涉及的任务 并不是一个独立的人或组织能够单独完成的,它需要多个部门的配合和合作才能够完成。3.2.1

项目计划和确认在确认项目和计划开始后,首先与客户确认动力电池系统产品开发背景信息,包括电动车辆车型、目标销售区域、目标用户群体、典型工况、整车1重量、尺寸空间、安装位置、开发计划等要求,表 为某整车厂提供的电动汽车整车要求参数例表。从1表 中可以看出,动力电池系统产品电压及电量要满足整车其他主要部件的功率及电压要求,保证整车的核心部件具有良好的匹配度。并且根据电动汽车的电压电量、工作温度、循环次数和充放电要求选择合适的电池类型、成组方式及辅助设计等。

其次,项目正式进入开发阶段后,应先确立开发日程,在梳理项目开发日程计划时,在满足客户日程前提下,应充分考虑公司内部各流程开发的周期。其中,需要重点考虑的方面有客户要求动力电池系统公告时间、整车装车时间、整车测试时间及整车公告时间,产品样件开发和组装进度要

确保与整车开发计划相匹配;产品批量生产时间和需要量要与企业产线制造进度及产能匹配;如需第三方认证要求提早准备认证手续。在该阶段2主要输出物见表 。

3.2.2 产品设计与开发

动力电池系统被特定的环境和边界所包围,内部子系统包括电芯、电池管理系统、热管理系统、高低压电气组件以及相关的结构组件;系统与外部的接口包括高压接口、低压和通讯接口、冷却接口、安装接口,以上这些子系统有机结合在一起构成了一个完整的动力电池系统。动力电池系统产品的开发需要遵循汽车级产品开发的基本步骤V”和过程,按照汽车及产品“模型开发模式从系统级需求描述和分析开始,逐步迭代到子系统、零部件、分层分级进行设计、分析、验证到整车确认,确保开发的产品完整性、可靠性、安全性等。

3.2.2.1动力电池系统的额定电压及电压范围必须与

动力电池系统产品参数匹配性分析整车所选用的电机和电机控制器工作电压相匹配,选择合适的单体电池规格(化学体系、额定电压、容量规格)并确定单体电池的串并联形式、系统额定电压及工作电压范围。而从整车车重、设定的典型工况出发,根据续驶里程、整车性能(最高车速、爬坡度、加速时间等)要求,可以计算出汽

车行驶所需搭载的总能量要求。

3.2.2.2 结构设计分析

动力电池系统及电池包的外形和结构要根据安装位置、整车预留空间以及典型行驶工况来综合考虑,要尽可能地在有限的预留空间内,布置更多电量,这样才可能达到更大的续驶里程,减小充电频次。

电池包的结构设计,是根据整车对于电池包的产品功能要求、性能要求、包络尺寸要求、重量要求、挂点要求、接口要求、防护要求等,确定合适的箱体设计和电池包内部的电池模组设计、电连接设计、紧固设计等。

3.2.2.3 电子电气设计

动力电池系统电气设计主要指高低压线束、连接器、汇流排、端子、继电器、保险丝等电器件的设计与选型,需要量的因素主要有载流能力、接触阻抗、耐压等级、机械特性、阻燃等级、老化特性、耐腐蚀、绝缘防护、接触防护、密封要求、连接工艺、制造和加工成本等。

统( BMS)动力电池系统电子设计主要是指电池管理系的设计,包含硬件设计和软件设计两个部分。BMS作为电池包系统的控制核心,需要完成数据采集、计算、上下电控制、能量管理、通信、数据存储、故障诊断、警告、保护等多重功能。

3.2.2.4 电池系统热管理分析

通常根据整车使用的地域气候选择以及客户的具体要求选择是否设置热管理系统。一般根据外部环境温度、电池寿命要求来推导单体电池的工作极限和温差极限,需要根据系统运行工况、电/ /芯发热功率 散热效率、电器件发热功率 散热效率等来计算系统的换热系数,在综合考虑技术复杂度、电池包内部预留空间以及成本等多方面因素,选择合理的热管理系统方式。

在本阶段的研制过程中,项目小组根据上一阶段输入的文件输出顶层设计文件,主要输出物3见表 。

3.2.3 过程设计与开发

动力电池系统研发在该阶段属于详细设计阶段,包括系统的集成与验证。这一阶段主要是对制

造过程进行策划,为的是能够研发出满足客户供货量要求、质量要求、功能要求以及交期要求动力电池系统产品。在开发计划中,过程开发和产品开发通常并行进行,在进行产品设计的同时可以对模具工装等开始设计,这样可以显著缩短产品开发周期。2 3动力电池系统研发过程第 阶段、第 阶段主要输出3 4见表 、表 。 3.2.4 产品和过程确认和验证

2 3在第 、第阶段产品和过程的设计与开发过程中,始终需要对项目的产品和过程进行确认。要按照上阶段完成的过程流程图和试生产控制计划来实际生产,如果发现不合适要及时做出更改。动力电池系统在产品和过程确认阶段是配合整车参数进行小批量生产,以检查确认动力电池系统是否满足整车参数的要求。这阶段主要完成PPAP测量系统的评价和初始过程能力的研究,将生产件的批准提交顾客。本阶段具体主要输出物5见表 。

3.2.5 反馈、评价和纠正措施

第5阶段反馈、评定和纠正措施贯穿于整个动力电池系统的研发过程。从项目策划阶段至动力电池系统交付整车厂后的生产服务阶段,一旦变差,应及时与客户进行反馈、评定并给出纠正措6施。本阶段具体主要输出物见表 。

7 1表 为根据表 所示的某电动汽车参数要求,

APQP按照 项目管理开发流程研发的某动力电池7系统的参数表。从表 中可以看出,根据客户要求设计出的动力电池系统可以匹配电动汽车整车的技术参数。

2 7图 为以表 所示的参数例表设计研发的某动2a 2b APQP 2力电池系统,图 和图 为 第 阶段所完成2c的外观三维效果图与内部结构设计图,图 为APQP 3 4第 和 阶段完成的动力电池系统的实物外观2d图,图 为动力电池系统安装完成的整车实物图。APQP项目管理方法贯穿于动力电池系统的整个研发过程,从最开始的产品设计到最终的成品装车,保证了产品质量、数量、交期能够满足客户的要求。

4 结束语

APQP项目管理方法的核心是以质量为导向,以满足客户需求为宗旨,以发现问题和规避问题APQP为目的, 质量工具应用于动力电池系统整个研发的周期中使得研发流程更加科学化、规范化,可以有效的提升产品开发的成功率和产量制作的良率,不仅缩短了产品的开发周期而且还降低了项目成本,最终获得项目成功和客户认可。

参考文献:

[1] 弓冬青.浅谈汽车零部件企业实施ISO/TS 16949质量管理[J]. , 2007(5):62-62.体系的几点认识 农业装备与车辆工程

[2] 王芳,夏军,等.电动汽车动力电池系统设计与制造技[M]. 2017.术 北京:科学出版社,

[3] 李伟. TS16949质量体系在W汽车冲压零部件制造企[D]. , 2014.业的应用研究 浙江工业大学

[4] 郭丽尧, 王强, 李卫东. APQP方法在产品设计开发中的[J]. ( ), 2004, 6有效应用 辽宁工业大学学报 社会科学版(3):13-14.

d) ( 整车实物图 图2 某动力电池系统

b) ( 内部结构设计图

a) ( 外观三维效果图

c) ( 实物外观图

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