影响电动汽车设计和开发的 5 大挑战

我们的汽车工程专家分享了他们对电动汽车设计和开发挑战的见解。

---

您考虑过购买电动汽车作为下一辆汽车吗？您有这样的机会。尽管存在经济危机，但北美、欧洲和中国市场对电动汽车的需求不断上升。制造商对此需求做出了应对。与以往相比，有更多的电气化汽车 (xEV) 车型和品牌可供选择。新参与者要与老牌汽车制造商竞争以获取市场份额。

影响电动汽车设计和开发的 5 大挑战是什么？

汽车电气化已重置了游戏规则。特斯拉品牌令人惊叹的商业成功表明，电动汽车 (xEV) 市场能够让移动出行梦想成真，但过程并不容易。在这个竞争激烈的市场中取得成功需要奉献精神、知识、想象力、协同合作等等。除了部署正确的商业战略之外，市场参与者还需要反思他们的工程方法和流程，加快创新步伐。

汽车电气化趋势在工程方面发生了哪些变化？工程师在电动汽车设计和开发中遇到了哪些挑战？

我们向汽车业务拓展总监史蒂文·多姆 (Steven Dom) 和动力总成业务开发总监沃伦·西利 (Warren Seeley) 提出了这个问题。他们提出了汽车工程师现今需要解决的 5 大工程挑战。从本文中获取他们的专家见解，并在下方的评论中分享您自己的见解。

挑战 #1：选择“正确”的车辆架构

史蒂文·多姆 (Steven Dom)：“对于电动汽车，关于车辆既定样式的设想并不存在。传统内燃机汽车的构思均围绕着一个核心元素：动力总成。电动汽车为设计工程师赋予了更多自由空间。这个视角既令人兴奋又令人担心。一方面，见证新老企业提出大量创新设计是件令人兴奋的事。有些设计之所以能够得以实施，是得益于电动汽车架构的灵活性。另一方面，它改变了设计工程师的工作，让工作变得比以往更加苛刻。

工程师如何确保其选择更合适、更优化的架构，简而言之，满足所有性能需求的“理想”架构？尝试所有方案并不可行。首先，因为可选的方案实在是太多了。其次，因为上市时间也是一个紧迫的问题。设计工程师不仅需要选择理想的架构，还需要快速做出选择"。

从创成式设计到设计优化，现有的几种工具可以帮助工程师探索电动汽车设计的未知领域。

挑战 #2：采用以人为本的设计和工程方法

史蒂文·多姆 (Steven Dom)：“设想一下，未来的电动交通方式将如何改变人们的生活，而不仅仅是移动出行。 一个多世纪以来，汽车已不再单纯地扮演一种交通工具的角色。汽车改变了个人移动出行方面的游戏规则。汽车重塑了人类住宅和城市的面貌。汽车为其爱好者和赛车迷带来了快乐。

汽车无疑有助于加速工业和经济转型。我们的世界日新月异。碳排放对气候变化的影响以及化石资源的日渐稀缺推动了经济和社会的转变。人们的心态在不断发生变化。毫无疑问，功能强大的汽车曾经是事业成功的象征和自豪感的源泉。但是，消费者如今对车辆的首要要求是安全、舒适和环保，而不是享受 V12 发动机加速时的轰鸣声"。

以不同的方式处理电动汽车设计

“电动汽车不同于其他汽车。它们本质上更安静。电动汽车的声音并非来自发动机的轰鸣声、活塞的敲缸声以及进气和排气的声音。我们有空间添加由艺术家和音乐作曲家精心设计的曲调。其目标不仅是满足对行人警报系统的需求，还要表达车型和品牌的个性。

电动汽车的车身还采用了丰富的创新设计。豪华远程豪华轿车的形状通常时尚而纤细，因为减少空气动力阻力已成为重中之重。对于城市移动出行解决方案而言，内部空间至关重要，要将共享汽车解决方案转变为共享办公室或移动客厅。设计方面的可能性无穷无尽。 制造商如何才能充分意识到开放式设计带来的机遇？"

解决消费者的担忧

尽管消费者的接受度越来越高，广泛采用电动汽车技术仍然存在重大障碍。制造商需要突破障碍，以提供可满足消费者需求的车辆为宗旨。他们需要平衡行驶里程、成本、电池充电容量和充电时间等特性。多姆和西利对消费者不断增长的期望感到疑惑。尽管电动汽车技术领域已经取得了大量进展，但似乎永远不够。消费者是否会对续航里程可与内燃机汽车媲美或相比更高的车辆感到满意？咨询公司德勤对此持乐观态度：

“在接下来的几年里，我们预计一些障碍将会被完全打破。电动汽车的行驶里程已经与内燃机汽车相当；如果考虑各个市场的补贴和总体拥有成本，价格已达到持平；此外，推出的车型的数量还在不断增加"。

资料来源：德勤

德勤发现消费者将缺乏充电基础设施视为当前亟待解决的首要问题，这反映出他们可能开始将电动汽车视为一个现实的选择，并且目前正在考虑购入的实用性。

超出消费者期望

但是，即使制造商成功地解决了未来车主或用户的各种担忧，仍要面临能否满足默认期望的问题。车辆自动化程度的不断提高迫使 NVH 工程师重新思考他们对舒适度的定义。尽管技术取得了一定进步，但 NVH 工程师仍要克服更大的挑战来回答这一问题：如何为驾驶员和乘员创造尽可能舒适的乘车体验？人类在与机器人出租车互动时，会期待安全、舒适和愉快的旅程。安全性是一个相当客观的标准，并且先进驾驶辅助系统 (ADAS) 能够积极满足这一标准，但相较之下，舒适度和驾驶乐趣的概念更难定义。

阅读博客文章对电动汽车声音工程采用以人为本的方法，了解有关该主题的更多见解。

挑战 #3：管理车辆热特性

沃伦·西利 (Warren Seeley)：“谈到舒适性，让我们来解决热舒适性这个错综复杂的问题。对于传统车辆而言，这个问题很容易回答：发动机产生的热量有助于预热驾驶舱或为挡风玻璃除霜。鉴于行驶里程从来都不是个问题，因此电池和电气系统可以在需要时用于加热座椅或吹冷气。但是，如何在不牺牲续航里程的情况下管理电动汽车的热舒适性呢？如何才能实现出色的热量分布，确保在乘客寒冷发抖时，电池不会过热？"

在车辆开发的概念阶段解决热特性问题对于品牌成功至关重要。西门子的全面数字孪生方法可平衡能量和热特性以及其他基本车辆性能属性，例如耐久性、NVH 和驾驶动力学。

如果您想要了解电动汽车可以在极端条件下行驶的论证，请观看此网络研讨会的重播：使用系统仿真和降阶建模技术快速验证系统性能。 它解决了在加利福尼亚死亡谷烈日炎炎的极端条件下电动汽车热管理各个方面的问题。

挑战 #4：掌握电池设计和集成

沃伦·西利 (Warren Seeley)：“电动汽车制造商应该掌握电池技术还是依赖供应商的专业知识？这个问题仍然悬而未决。大多数电动汽车制造商在很大程度上依赖各种汽车零件供应商，主要充当集成商的角色。虽然随着制造商寻求自主承担更大部分的车辆设计和开发，这种趋势往往会逆转，但电池设计和开发仍然是专业供应商的大本营。”

在近期与汽车战略计划副总裁埃德·贝尔纳顿 (Ed Bernardon) 的讨论中，菲斯克公司的创始人、董事长兼首席执行官亨里克·菲斯克 (Henrik Fisker) 解释说：“这一次对我来说，向其他人证明我可以制造汽车并不重要。我们将掌握许多我们认为重要的技术。[......]我不需要自主承担空调的开发，那是一种商品。

目前，我们做了大量电池研究，发现固态电池技术仍有很长的路要走，这是一项高难度技术，很难大规模量产。因此，我们意识到我们将长期采用锂离子电池，因此并不需要掌握电池制造技术。在不同的电池技术略有改进时，我更愿意保持开放的态度，同时，我还希望能够调整我的电池配置，这样一来，即便一家电池制造商能够提供足够的电池，我也可以使用其他制造商制造的产品"。

同样，部件集成，尤其是电池集成，是成功的关键。数字孪生有助于在早期评估和比较多种设置与配置中的电池性能。

在此处收听亨里克·菲斯克和埃德·贝尔纳顿的全集播客节目。

挑战 #5：适应不断变化的供应链环境

史蒂文·多姆 (Steven Dom)：“设计和制造电动汽车从根本上改变了主机厂与供应商的关系。首先，电机中仅包含约 200 个单个部件，而内燃机中至少包含 4000 个部件。零件数量的大幅减少为制造商带来了诸多优势。一方面，这可以显著降低成本。不仅购买零件的成本更低，而且当主机厂减少其零件采购供应商的数量时，电动汽车生产还可以实现规模经济。零件数量变少也会对维护和总体拥有成本产生影响。更换单个部件变得更加容易。

对于供应商而言，缺点是他们与主机厂的联系变得更紧密。例如，沃伦所应对的电池集成问题就是一个关键问题。数字孪生方法可推动或指导供应商的决策。他们几乎不得不依赖与主机厂相同的仿真工具。总而言之，如今，集成的重要性远超以往”。

当然，能解决所有这些挑战的方法不止一种。但西门子确信采用全面数字孪生方法将有助于应对未来的移动出行。与西门子合作，依靠工程服务进行技术转移并部署数字孪生方法，就可以离成功更近一步。

攻克电动汽车设计和开发的难题

阅读这本内容全面的白皮书，了解如何在电动汽车设计和工程流程中实施数字孪生方法：“依靠全面的数字孪生：
使用 Simcenter 掌握电动汽车性能工程复杂性”