Uwe WIEDEMANN：以安全和經(jīng)濟適用為目標的電池組優(yōu)化研發(fā)——以特斯拉的S型及雷諾的ZOE型為例
圖為AVL公司Uwe WIEDEMANN博士
Uwe WIEDEMANN：今天我要討論一下安全和成本最優(yōu)化的一個(gè)電池包和電池組的發(fā)展方向。
我想我們今天已經(jīng)談了很多安全的問(wèn)題，大家都關(guān)注安全，但是沒(méi)有人愿意為了安全而買(mǎi)單，這個(gè)是一個(gè)內在的矛盾。
我先介紹一下我們的AVL公司，是世界上行業(yè)領(lǐng)域最大的，我們差不多有1萬(wàn)人的電池業(yè)務(wù)單元的工作人員。我們可以看到如圖所示的一個(gè)動(dòng)力傳送組織，在我們的電池方面基本上擁有所有的相應的板塊去發(fā)展它的業(yè)務(wù)和技術(shù)。
當然，您需要的應該是一個(gè)全面的工具鏈，我們可以提供這一系列的相應的監測，擁有相應的方法論，相應的模擬實(shí)驗的方法，還有相應的工具去幫助我們去驗證和開(kāi)發(fā)一些相應的技術(shù)。
我們不斷發(fā)展研發(fā)的動(dòng)力是什么？特別是這個(gè)成本優(yōu)化方面，大家都知道，我們的銷(xiāo)售成本在逐漸下降，這是一張統計圖表，從2010年到2015年，我們來(lái)看整體的成本是一直在不斷下降的。2013年基本上每一度相當于是4000人民幣。實(shí)際上，我們看到的價(jià)格是處在這個(gè)空間的。
銷(xiāo)售成本下降的非?？焖?，比大家所預計的速度還要快。也就是說(shuō)，我們的制造成本、電池包的成本也必須快速的下降，才能跟得上我們的盈利能力。
我們來(lái)看一下純電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)，當達到損益平衡的時(shí)候，這一點(diǎn)我們就開(kāi)始要看到一個(gè)千瓦時(shí)的一個(gè)價(jià)格的下降。
我們每一度的這個(gè)價(jià)格在200到300美元，我們的整體價(jià)格都需要繼續下降。大家都會(huì )覺(jué)得，內燃機將會(huì )被EV取代。我們還要看一下一些重要的因素，比如說(shuō)安全性、投放市場(chǎng)的時(shí)間、能源密度、熱性能、電氣性能。他們實(shí)際上也有互相沖突的地方。我們要做一些基準的標準，要做一些研究和分析。
今天我們可以看到，有一些領(lǐng)域，像這個(gè)特斯拉公司還有雷諾ZOE這兩家公司的產(chǎn)品進(jìn)行了比較，它們都是電動(dòng)車(chē)，它們也實(shí)現了量產(chǎn)。但是它們使用了完全不一樣的方法去做量產(chǎn)的工作。
我們現在有不同的目標，這些目標又是在自相矛盾的，我們怎么樣可以滿(mǎn)足這種目標呢？我們提到了單個(gè)電池的隔緣，但是這些成本都比較高，很多客戶(hù)都不愿意為這些高的成本買(mǎi)單，我們沒(méi)有足夠的空間去做絕緣的工作，我們需要單個(gè)電池里面有更多的電片。
特斯拉公司也有自己不喜歡的地方，我要有高的電氣包括性能，我們的車(chē)要有很高的性能，這是我們品牌的重點(diǎn)。所以，你要了解客戶(hù)的標準。有的時(shí)候你會(huì )在安全性上要做一些妥協(xié)，但是性能要得到提高。我們背后有不同的衡量指標，一個(gè)目標如何去影響其他的發(fā)展目標？比如說(shuō)耐用性，或者是熱性能、能量的密度也會(huì )受到影響。各個(gè)因素之間是有一種互相影響的關(guān)系。我們成本的這些目標可能很難實(shí)現，我們要有更好的部件、更好的材料，你要提升性能，又不增加成本，所以有的時(shí)候是有一些自相矛盾的情況。每一個(gè)目標，如果是說(shuō)要是改變，也會(huì )影響其他目標的實(shí)現。所以說(shuō)這幾個(gè)目標不是獨立的。
有一些目標實(shí)際上也可以幫助其他的目標得到實(shí)現，比如說(shuō)更加好的熱性能會(huì )讓你延長(cháng)壽命，如果是有很好的冷卻系統，也可以減緩這種老化現象的發(fā)生。
溫度的話(huà)，我們看到對于這個(gè)電池的老化有很大的影響，如果有比較好的制冷系統、冷卻系統的話(huà)，就可以防止或者是減緩這種老化的現象。
要怎么樣去防止老化或者是減緩老化，也有其他的因素可以幫你們去實(shí)現這些目標，但是有的時(shí)候也會(huì )增加成本。所以做材料開(kāi)發(fā)的時(shí)候要做好熱性能的感覺(jué)，還要實(shí)現其他的目標。
有不同的被動(dòng)制冷，還有開(kāi)環(huán)制冷，還有封閉的空氣制冷、水制冷，直接的冷凍制冷。不同的制冷方案的成本也是不一樣的。
雷諾ZOE對性能的要求不是很高，所以，它們可以用更加便宜的制冷系統。每一個(gè)廠(chǎng)家的要求是不一樣的，所以成本也不一樣，可能選擇也會(huì )不一樣。
我們看看這個(gè)安全性，也是非常重要的一個(gè)指標，開(kāi)始的時(shí)候我們要看看怎么樣能夠減低這個(gè)電池組的成本。
每一項要求都要仔細看，從一開(kāi)始的時(shí)候要做好結構的設計，然后你就可以減低成本了。出了問(wèn)題之后，測試沒(méi)有通過(guò)之后才去做調整，這個(gè)時(shí)候是更加昂貴的，你可能要完全放棄一些原理研發(fā)的一些部件。一開(kāi)始要做好這種早期的研究工作，還有一些測試的工作。
我們做了一些模擬的測試和實(shí)驗室的測試。我們看看這個(gè)模組，有一塊模組有這種生動(dòng)的績(jì)效，這種情況是不可以被接受的。如果是說(shuō)用一些高強度的材料的話(huà)，是會(huì )有一些額外成本的。在這里的話(huà)，如果增加一些額外的一些部件，是可以解決這種崩潰或者是松動(dòng)的情況。
做設計的時(shí)候要優(yōu)化，你不想用過(guò)多的材料，材料用的過(guò)，成本就更高，空間的使用也要達到優(yōu)化才可以。
在撞擊的時(shí)候如果出現了這種故障的情況，你要預計到你的產(chǎn)品是否能夠應對這種情況。
我們看看不同的公司他的電池設計的要求也是不一樣的。我們舉兩個(gè)例子，雷諾ZOE是不希望有這種擠出的現象的（在碰擊的時(shí)候）。在這方面它的這個(gè)電池是不受影響的，它的這個(gè)包裝的方法也是完全不一樣的。在電池組里面沒(méi)有采取一些防止熱傳遞的措施。我們看看特斯拉的電池組，我們看看它的電池組和汽車(chē)之間的這種和諧做的是比較好的，他們已經(jīng)使用了一些毛博士描述的一些措施去處理這些熱失控的現象。
在這里我們可以看到，有這種熱隔緣的措施，用的材料也非常好，是來(lái)自瑞士一些供應商的材料，我們也用了我們自己的一些設計。它的熱設計是非常好的。里面又有一些絕緣的措施。一邊達到500度，10分鐘都不會(huì )有問(wèn)題，另外一邊熱失控的溫度可能是100度左右。如果這個(gè)電池之間的間距比較好的話(huà)，還有一些額外隔緣的措施的話(huà)，這個(gè)汽車(chē)至少在10分鐘之內是安全的，就是給開(kāi)車(chē)的人有充足的時(shí)間逃離的。雷諾是不允許有這種事情發(fā)生的，所以他用的方法也會(huì )不一樣，側重點(diǎn)也會(huì )不一樣。
如果充電的功率提升的話(huà)，這ZOE的做法，那邊是特斯拉的一些做法。
在這邊這個(gè)部件的大小是更大的，這個(gè)大小可能會(huì )增加30%，如果是用一些比較大的車(chē)的話(huà)，除此之外還有包裝的空間，不同的包裝它里面的空間是不一樣的。我們還要看這個(gè)冷卻的情況。
這些電氣的一些部件都要進(jìn)行冷卻，如果這個(gè)溫度比較高的話(huà)，你就要用很好的冷卻系統才可以防止老化或者是防止這些電氣部件出現問(wèn)題。
到比較高壓的水平的時(shí)候，我們也看一下800伏的情況，將會(huì )是未來(lái)一些高壓電池新的標準，我覺(jué)得也有這個(gè)潛力，我們也看一些相關(guān)的技術(shù)或者是相關(guān)的一些部件，我覺(jué)得在2020年之前會(huì )有新的這種產(chǎn)能出現。
有一些OEM已經(jīng)宣布他們以后將會(huì )生產(chǎn)800伏這些規格的一些產(chǎn)品，包括像比亞迪這些公司，這樣我們就可以節省很多的重量，或者是空間。
比亞迪昨天也談到了他們的一些工程的做法，我覺(jué)得是非常重要的。首先，在開(kāi)發(fā)的時(shí)候我們獲得了很多的信息，很難去面面俱到，比如說(shuō)測試、結果，各種信息都很多。
我們有我們自己開(kāi)發(fā)的過(guò)程和流程。首先我們要了解客戶(hù)的要求，了解各方面的限制性，我們會(huì )生成一個(gè)數據庫。我們有全電池的模型，我們看看不同的部件的要求，還有它的性能的要求是什么。在這里我們都會(huì )有紀錄。
這是我們開(kāi)發(fā)工程師信息的來(lái)源，他們是使用同一數據庫，同樣的信息、同樣的數據。比如說(shuō)做部件開(kāi)發(fā)的，或者是做模擬的，他們使用的數據都是一樣的，或者是做測試的，做驗證的技術(shù)人員，他們都是用同一數據庫的。這樣就可以確保我們在開(kāi)發(fā)的時(shí)候有一致性了，可以保證一個(gè)比較高的質(zhì)量了。
我們在這個(gè)系統進(jìn)行整合，然后跟客戶(hù)不停地溝通，看看我們所做的事情是否能夠滿(mǎn)足他們的預期。我們確認之后，我們會(huì )做各種模擬，我們會(huì )用工具去做一些模擬的測試。我們也會(huì )看看這個(gè)開(kāi)發(fā)是否會(huì )滿(mǎn)足客戶(hù)的要求，然后還會(huì )做進(jìn)一步的測試。這個(gè)測試的結果我們會(huì )檢查是否滿(mǎn)足我們最早期的一些預期，如果滿(mǎn)足了這些要求的話(huà)，我們會(huì )把這些信息在這個(gè)系統里面進(jìn)行一些整合，然后我們最終會(huì )走向一個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)的一個(gè)階段。
這種特性的工程是非常重要的，很多的OEEM他們出售一些有專(zhuān)門(mén)特性的產(chǎn)品，包括電池系統，比如說(shuō)我們的電池系統有什么樣的特性，或者是屬性。所以說(shuō)這種特性、屬性的工程設計是非常好的，比如說(shuō)安全性、成本，各個(gè)因素都是我們需要考慮的因素。
有一些車(chē)廠(chǎng)，比如說(shuō)沃爾沃，它的安全性很好，特斯拉的性能很好，每一個(gè)公司都會(huì )有的賣(mài)點(diǎn)，他們用自己的賣(mài)點(diǎn)去銷(xiāo)售更多的車(chē)輛。
我們現在以模型為基礎的這種電池開(kāi)發(fā)，我們可以有一個(gè)數據庫，我們這個(gè)模擬測試都是使用這些數據的，我們看這個(gè)冷卻系統是否有效，然后我們會(huì )看一些相關(guān)的參數來(lái)做一些模擬的測試，然后給客戶(hù)反饋，給他們提供一個(gè)模型，讓他們看一下。所有這些過(guò)程都是自動(dòng)化的過(guò)程。
我們來(lái)看看成本優(yōu)化，我們在賣(mài)汽車(chē)的時(shí)候大家都說(shuō)，我賣(mài)汽車(chē)可以賣(mài)3、4萬(wàn)人民幣，或者是10萬(wàn)以?xún)榷伎梢越鉀Q。
大家是自上至下的一種方法，這是我想要賣(mài)的汽車(chē)，我可以賺多少錢(qián)。我們需要自下而上的一種方法，每一個(gè)元件的供應商都會(huì )說(shuō)，我需要多少錢(qián)的成本才可以幫你制造出這樣一個(gè)元件。所以，每一個(gè)開(kāi)發(fā)的生產(chǎn)就存在著(zhù)一種矛盾。這中間存在的一個(gè)價(jià)格期望值差怎么樣可以去減少？所以就會(huì )去到每一個(gè)具體部件進(jìn)行分析，這也是我們的一種方法，在特斯拉上，我們就幫他們做一系列的材料，我們要看生產(chǎn)的流程，還有計算成本、改善數據庫，真正幫助他們去到每一個(gè)具體細節元件的成本，然后去幫他們找進(jìn)一步節省的空間，然后整體節省它的生產(chǎn)成本。
我們可以看到我們兩種車(chē)輛他們開(kāi)發(fā)的目標是完全不同的。比如說(shuō)能量密度，特斯拉的能量密度是最大的，基本上比平均的市場(chǎng)水平要高很多，他們也接受一些新的標準。
現在很多新開(kāi)發(fā)的汽車(chē)都是80、90、1000千瓦時(shí)，其他的車(chē)輛就不需要這么高的標準了，這里是關(guān)于安全的要求又不一樣了。雷諾對于安全性的要求就會(huì )非常的高。因此，它們做的撞擊測試就會(huì )花費更多的成本。特斯拉他們關(guān)注的更多的是車(chē)輛的能量密度。
我們去看整體成本的分布，其實(shí)電池系統的成本占比比較容易下降、降低。只占到他們銷(xiāo)售成本的1/3。我們可以看到，其實(shí)這一塊的成本分布是可以很好的得到修整的，從而來(lái)降低每一塊的成本。雷諾和特斯拉他們因為不同的關(guān)注焦點(diǎn)，因此會(huì )去調整它的成本分布占比。
現在我來(lái)總結一下，重點(diǎn)信息就是要識別出整個(gè)開(kāi)發(fā)環(huán)節當中早期去識別出一個(gè)同質(zhì)化的目標，以及爭論的焦點(diǎn)和矛盾焦點(diǎn)在哪里的問(wèn)題。
我們重點(diǎn)的要求目標應該是要減少它的價(jià)格影響，如果你能夠找到客戶(hù)的關(guān)注焦點(diǎn)，在這一塊去做成本優(yōu)化，這樣就會(huì )具有更強的針對性。
在這一塊我們也可以看到，和客戶(hù)去保持緊密的討論，去證明他的車(chē)輛在目標市場(chǎng)上去銷(xiāo)售時(shí)候的一個(gè)整體銷(xiāo)售目標。
接下來(lái)是基于我們的一個(gè)模型整個(gè)開(kāi)發(fā)的一個(gè)模式，去優(yōu)化它的開(kāi)發(fā)，無(wú)論是研發(fā)還是生產(chǎn)制造階段的成本都去進(jìn)一步的降低。
接下來(lái)我們會(huì )做一個(gè)叫做直接與客戶(hù)對話(huà)的供應鏈條的一個(gè)關(guān)系。如果說(shuō)客戶(hù)對于成本有一些基本的要求，基本上在非?？焖俚臅r(shí)間就可以反饋給客戶(hù)，如果客戶(hù)想要改變A性質(zhì)，我們改變這個(gè)A性質(zhì)就需要花15歐元，你是否可以接受這個(gè)鏈條，這樣就可以幫我們節省時(shí)間和成本了。
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