底特律遊民
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摘要: 2022 年 11 月 16 日，第四十四屆通用汽車“凱特林老板”獎授予了我們對通用汽車氣型轉電的最大貢獻。它展示了我們在電池模塊硬件疲勞壽命預測方麵的卓越創新。
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。 我們獲得了通用汽車最負盛名的創新獎“凱特林老板”獎。 盡管這是我們第二次獲得這一殊榮，但我們感到這是自從今年9 月份從通用汽車公司退休以來，所得到的最榮幸、感激和興奮的收獲。 我們很榮幸能作為其中的一員參與通用汽車從內燃機轉電氣化包括電動汽車的轉型曆史性革命。我們很感激在我們的一生中與這麽多最有才華的人一起工作。 我們很高興收到通用汽車公司對我們所做的工作以及對我們在二十多年來為其做出傑出貢獻的認可。
“凱特林老板”獎是以傳奇人物查理斯·伊·凱特林“老板”的名字命名的。他在 1920 年組織了通用汽車的研發工作，並致力於“深入研究汽車行業未來的問題”。 凱特林是通用汽車公司研究實驗室的第一任負責人，也是一百四十多項專利的獲得者。 1976 年，通用汽車公司在查爾斯·伊·凱特林一百歲生日之際設立了“凱特林老板”獎，以表彰在開發技術創新方麵為通用汽車的成功做出了大膽的新想法和貢獻的研究人員、科學家和工程師。 從那時起，“凱特林老板”獎 一直頒發給在產品開發、製造解決方案、衝壓和噴漆工藝、車輛可製造性和新安全係統等特定領域幫助確保通用汽車處於領先地位的團隊和個人。 所有獲獎者都是同類中的佼佼者，代表了對行業的傑出貢獻。 當然，今天全球通用創新者正在解決的問題並不是凱特林“老板”所能預料到的問題。但多年來，“凱特林老板”獎的宗旨始終如一——鼓勵創造力和創新，以表彰員工對通用汽車技術領先地位做出的貢獻。
此次慶典的最亮點之一是電池模塊硬件疲勞壽命預測獎。 所開發的方法是把電池膨脹作為充電狀態的函數，並且電池膨脹也作為循環壽命的函數，以此確定由於電池體積變化導致的電池中模塊組件的疲勞損傷累積和相關疲勞壽命。 這與隨機振動疲勞引起的疲勞損傷累積相結合，得出了對總疲勞損傷的綜合指數。 它還確保滿足設計要求並加快產品開發周期，並在此過程中確定模塊通過電氣化產品組合機械疲勞壽命要求的可能性。團隊一共十個人，包括西蒙·王博士和我這個電池結構的技術專業人士。
西蒙·王博士和我是 2008 年成立的用計算機分析方法設計、驗證的電池工程團隊先驅者。2009 年，西蒙·王博士和我開發了一維電池膨脹模擬和分析方法。 它從標稱設計開始，再包含涉及的所有公差和誤差，包括幾何誤差（例如尺寸誤差）、材料特性誤差（例如電池芯片和泡沫海綿的壓縮力/位移曲線的誤差）以及載荷誤差（例如 PSD 曲線輪廓的誤差）。 該方法論是電池結構團隊成立後十二年工作經驗和知識的積累。 該方法不僅經過了模擬驗證，而且與多年來進行的硬件測試具有良好的吻合性。 這些測試是通過與位於沃倫的通用汽車電池係統實驗室和位於布朗斯敦的通用汽車電池組裝廠的廣泛合作完成的。使用泰克斯岡傳感器、加速度計、應變計等工具來測量電池膨脹行為的靜態和動態的響應以及隨機振動疲勞的行為。
自2009年以來，電池結構分析團隊的這種一維分析電池芯膨脹能力一直專用於通用汽車的所有電池設計、開發、驗證和組裝。 這是電池領域最關鍵的能力之一，也是對通用汽車最有利的能力之一。 對於任何給定的新電池項目，都需要進行模塊設計和開發， 模塊設計和開發的首要任務之一是定模塊大小。 如何進行模塊尺寸調整，其一就是使用我們的一維電池芯膨脹來評估模塊結構是否能夠承受電池芯膨脹載荷。 在早期，通用汽車使用 LG 的軟包電池，其膨脹率為約百分之五。 由於如前所述現實生活中的所有變化，結構團隊進行了一維電池芯膨脹模擬，並根據每百萬件進行預測。 這將為設計團隊提供當前設計的最壞情況。 作為回報，結構團隊還提供了替代設計方案，包括不同泡沫海綿的機械性能及其公差、泡沫海綿和其他組件的尺寸公差以及不同的負載路徑。 這被證明是通用汽車公司在電池早期設計和開發方麵最成功的能力之一。 後來這也被應用於電池組裝廠的製造過程的模擬。
2009 年初，電池設計和開發經理比爾·華萊士（後來成為電池部門主管）要求我們開發評估電池片膨脹所引起的機械效應的能力。 當時我們確實不知道它是怎麽回事，也許當時通用汽車公司就沒有人知道。我們是在 2008 年底因通用汽車在美國經濟衰退期間重組而進入電池部門的，那是通用汽車瀕臨破產的時候。 那時西蒙和我在汽車模擬分析方法組工作，突然之間，我們部門被要求縮小規模。我們部門有五十六名成員，三十六名八級工程師被降級為七級。 六名九級工程師中有五名被解雇。 我是被降級為七級工程師的人之一，但仍然保留做組長。 我們的經理瑪麗·夫貼爾帶領我們組的十一名成員來到新成立的電池部門，因為當時他們需要分析支持和幫助。 這就是我們如何進入通用汽車高壓電池大門的經曆，當時這是一個雙贏的局麵，而且其寓意深遠至今。
我們接下了比爾的任務。 我首先與另一位印度工程師帕文·卡布尼斯合作，用三維模擬和分析的方法，虛擬驗證了當時電池模塊的設計這一首要任務。 然而，為了在未來的新電池計劃中領先，需要開發一種新方法來預測模塊尺寸和強度。 它必須是全麵的，包括所有的公差和誤差。 因此，一個一維工具的概念就在畫麵中形成了。 一天，在一場無聊的會議中，我撕下了一張大型會議白紙，開始從基礎知識方麵研究電池模塊的機理。 我首先繪製了基於第一代電池模塊的模塊組裝的自由體受力圖。 然後應用了從大學學到的三個基本方程來解這三組方程。也就是力的平衡方程，幾何變形協調方程，以及材料特性的載荷與幾何變化之間關係的方程（或叫廣義胡克定律）。 一旦為模塊組件導出了它們的理論解決方案，就可以驗證具有線彈性材料行為的瞬時狀態下的標稱設計。這為以後的工作開展提供了可能性，也為以後的非線性解奠定了基礎。
西蒙·王博士驗證了方程式，並開始求解電池芯片和膨脹泡沫海綿的非線性行為。 他開發了一種獨特的數值解方法。用最小優化法得到最小的給定模塊總長度變化與基於導出方程的瞬時模塊總長度變化之間的誤差。 該方法的捷徑是將壓縮力與壓縮變形的材料曲線反轉為變形與力的關係。 這使我們能夠繪製出電池和泡沫海綿在任何給定力下的變形，而該力在整個電池堆中是相等的。這個小技巧使得非線性方程組迎刃而解。一旦根據我們預定的標準將錯誤最小化，就會對平衡和相容性進行雙重檢查和確認。 然後在最終狀態迭代時輸出電池模塊內部單元麵的壓力。最後西蒙·王博士通過Tcl/Tk將整個模擬分析的過程和步驟編碼，並以黑盒子的形式提供給整個團隊，達到一鍵到位得結果的神奇。這也是他工具箱中的工具之一。
西蒙·王博士多年來與我一起開發了很多工具。從我們加入電池部門之前支持油箱部門時的油箱工具，到噪音振動舒適專家軟件，這是我們一起開發的另一個很棒的工具 。我們在支持噪聲和振動部門時還開了通用汽車大學課程教同僚們如何實現穩健設計。我們在支持底盤部門時創造的結構疲勞奇才工具，在此僅舉幾例。 雙王在通用汽車共事二十多年，為通用汽車的成功做出了巨大貢獻，包括獲得多項發明和2016年獲得的“凱特林老板”獎。
從那時起通用公司就一直使用這套一維電池片膨脹模擬分析工具， 它已用於所有電池產品項目中。 對於任何新的電池項目，在有圖紙出現之前它都會被用於電池模塊尺寸設計調整。 在電池項目的後期狀態，它會用於裝配廠的模塊堆疊過程的模擬。 這是工具箱中最關鍵的工具之一。
此次“凱特林老板”獎，展示了兩位中國大陸改革開放後華裔美國人的亮點之一。我們榮幸在全球最大的汽車公司的整個電氣化職業生涯中，憑借才華和聰明才智、奉獻與犧牲共同取得了巨大成功。 希望我們這第一代美籍華人的拚搏成功的經曆，能為未來年輕一代的美籍華人起到一點借鑒與參考的作用。
