底特律游民
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摘要: 2022 年 11 月 16 日，第四十四届通用汽车“凯特林老板”奖授予了我们对通用汽车气型转电的最大贡献。它展示了我们在电池模块硬件疲劳寿命预测方面的卓越创新。
2022 年 11 月 16 日是我最好的同事西蒙·王博士和我自己最重要的日子之一。 我们获得了通用汽车最负盛名的创新奖“凯特林老板”奖。 尽管这是我们第二次获得这一殊荣，但我们感到这是自从今年9 月份从通用汽车公司退休以来，所得到的最荣幸、感激和兴奋的收获。 我们很荣幸能作为其中的一员参与通用汽车从内燃机转电气化包括电动汽车的转型历史性革命。我们很感激在我们的一生中与这么多最有才华的人一起工作。 我们很高兴收到通用汽车公司对我们所做的工作以及对我们在二十多年来为其做出杰出贡献的认可。
“凯特林老板”奖是以传奇人物查理斯·伊·凯特林“老板”的名字命名的。他在 1920 年组织了通用汽车的研发工作，并致力于“深入研究汽车行业未来的问题”。 凯特林是通用汽车公司研究实验室的第一任负责人，也是一百四十多项专利的获得者。 1976 年，通用汽车公司在查尔斯·伊·凯特林一百岁生日之际设立了“凯特林老板”奖，以表彰在开发技术创新方面为通用汽车的成功做出了大胆的新想法和贡献的研究人员、科学家和工程师。 从那时起，“凯特林老板”奖 一直颁发给在产品开发、制造解决方案、冲压和喷漆工艺、车辆可制造性和新安全系统等特定领域帮助确保通用汽车处于领先地位的团队和个人。 所有获奖者都是同类中的佼佼者，代表了对行业的杰出贡献。 当然，今天全球通用创新者正在解决的问题并不是凯特林“老板”所能预料到的问题。但多年来，“凯特林老板”奖的宗旨始终如一——鼓励创造力和创新，以表彰员工对通用汽车技术领先地位做出的贡献。
此次庆典的最亮点之一是电池模块硬件疲劳寿命预测奖。 所开发的方法是把电池膨胀作为充电状态的函数，并且电池膨胀也作为循环寿命的函数，以此确定由于电池体积变化导致的电池中模块组件的疲劳损伤累积和相关疲劳寿命。 这与随机振动疲劳引起的疲劳损伤累积相结合，得出了对总疲劳损伤的综合指数。 它还确保满足设计要求并加快产品开发周期，并在此过程中确定模块通过电气化产品组合机械疲劳寿命要求的可能性。团队一共十个人，包括西蒙·王博士和我这个电池结构的技术专业人士。
西蒙·王博士和我是 2008 年成立的用计算机分析方法设计、验证的电池工程团队先驱者。2009 年，西蒙·王博士和我开发了一维电池膨胀模拟和分析方法。 它从标称设计开始，再包含涉及的所有公差和误差，包括几何误差（例如尺寸误差）、材料特性误差（例如电池芯片和泡沫海绵的压缩力/位移曲线的误差）以及载荷误差（例如 PSD 曲线轮廓的误差）。 该方法论是电池结构团队成立后十二年工作经验和知识的积累。 该方法不仅经过了模拟验证，而且与多年来进行的硬件测试具有良好的吻合性。 这些测试是通过与位于沃伦的通用汽车电池系统实验室和位于布朗斯敦的通用汽车电池组装厂的广泛合作完成的。使用泰克斯冈传感器、加速度计、应变计等工具来测量电池膨胀行为的静态和动态的响应以及随机振动疲劳的行为。
自2009年以来，电池结构分析团队的这种一维分析电池芯膨胀能力一直专用于通用汽车的所有电池设计、开发、验证和组装。 这是电池领域最关键的能力之一，也是对通用汽车最有利的能力之一。 对于任何给定的新电池项目，都需要进行模块设计和开发， 模块设计和开发的首要任务之一是定模块大小。 如何进行模块尺寸调整，其一就是使用我们的一维电池芯膨胀来评估模块结构是否能够承受电池芯膨胀载荷。 在早期，通用汽车使用 LG 的软包电池，其膨胀率为约百分之五。 由于如前所述现实生活中的所有变化，结构团队进行了一维电池芯膨胀模拟，并根据每百万件进行预测。 这将为设计团队提供当前设计的最坏情况。 作为回报，结构团队还提供了替代设计方案，包括不同泡沫海绵的机械性能及其公差、泡沫海绵和其他组件的尺寸公差以及不同的负载路径。 这被证明是通用汽车公司在电池早期设计和开发方面最成功的能力之一。 后来这也被应用于电池组装厂的制造过程的模拟。
2009 年初，电池设计和开发经理比尔·华莱士（后来成为电池部门主管）要求我们开发评估电池片膨胀所引起的机械效应的能力。 当时我们确实不知道它是怎么回事，也许当时通用汽车公司就没有人知道。我们是在 2008 年底因通用汽车在美国经济衰退期间重组而进入电池部门的，那是通用汽车濒临破产的时候。 那时西蒙和我在汽车模拟分析方法组工作，突然之间，我们部门被要求缩小规模。我们部门有五十六名成员，三十六名八级工程师被降级为七级。 六名九级工程师中有五名被解雇。 我是被降级为七级工程师的人之一，但仍然保留做组长。 我们的经理玛丽·夫贴尔带领我们组的十一名成员来到新成立的电池部门，因为当时他们需要分析支持和帮助。 这就是我们如何进入通用汽车高压电池大门的经历，当时这是一个双赢的局面，而且其寓意深远至今。
我们接下了比尔的任务。 我首先与另一位印度工程师帕文·卡布尼斯合作，用三维模拟和分析的方法，虚拟验证了当时电池模块的设计这一首要任务。 然而，为了在未来的新电池计划中领先，需要开发一种新方法来预测模块尺寸和强度。 它必须是全面的，包括所有的公差和误差。 因此，一个一维工具的概念就在画面中形成了。 一天，在一场无聊的会议中，我撕下了一张大型会议白纸，开始从基础知识方面研究电池模块的机理。 我首先绘制了基于第一代电池模块的模块组装的自由体受力图。 然后应用了从大学学到的三个基本方程来解这三组方程。也就是力的平衡方程，几何变形协调方程，以及材料特性的载荷与几何变化之间关系的方程（或叫广义胡克定律）。 一旦为模块组件导出了它们的理论解决方案，就可以验证具有线弹性材料行为的瞬时状态下的标称设计。这为以后的工作开展提供了可能性，也为以后的非线性解奠定了基础。
西蒙·王博士验证了方程式，并开始求解电池芯片和膨胀泡沫海绵的非线性行为。 他开发了一种独特的数值解方法。用最小优化法得到最小的给定模块总长度变化与基于导出方程的瞬时模块总长度变化之间的误差。 该方法的捷径是将压缩力与压缩变形的材料曲线反转为变形与力的关系。 这使我们能够绘制出电池和泡沫海绵在任何给定力下的变形，而该力在整个电池堆中是相等的。这个小技巧使得非线性方程组迎刃而解。一旦根据我们预定的标准将错误最小化，就会对平衡和相容性进行双重检查和确认。 然后在最终状态迭代时输出电池模块内部单元面的压力。最后西蒙·王博士通过Tcl/Tk将整个模拟分析的过程和步骤编码，并以黑盒子的形式提供给整个团队，达到一键到位得结果的神奇。这也是他工具箱中的工具之一。
西蒙·王博士多年来与我一起开发了很多工具。从我们加入电池部门之前支持油箱部门时的油箱工具，到噪音振动舒适专家软件，这是我们一起开发的另一个很棒的工具 。我们在支持噪声和振动部门时还开了通用汽车大学课程教同僚们如何实现稳健设计。我们在支持底盘部门时创造的结构疲劳奇才工具，在此仅举几例。 双王在通用汽车共事二十多年，为通用汽车的成功做出了巨大贡献，包括获得多项发明和2016年获得的“凯特林老板”奖。
从那时起通用公司就一直使用这套一维电池片膨胀模拟分析工具， 它已用于所有电池产品项目中。 对于任何新的电池项目，在有图纸出现之前它都会被用于电池模块尺寸设计调整。 在电池项目的后期状态，它会用于装配厂的模块堆叠过程的模拟。 这是工具箱中最关键的工具之一。
此次“凯特林老板”奖，展示了两位中国大陆改革开放后华裔美国人的亮点之一。我们荣幸在全球最大的汽车公司的整个电气化职业生涯中，凭借才华和聪明才智、奉献与牺牲共同取得了巨大成功。 希望我们这第一代美籍华人的拼搏成功的经历，能为未来年轻一代的美籍华人起到一点借鉴与参考的作用。
