Ansys博客
March 1, 2024
什么是电动交通？工程师如何设计电动汽车？
什么是电动交通？
电动交通（或者电动汽车）是指将电动汽车用于交通运输目的。电动交通工具包括汽车、公共汽车、卡车或任何其他全电动或部分电动（如混合动力）的车辆。
Ansys行业市场营销总监Sandeep Sovani表示：“电动汽车已经成为一种日益普及的趋势和潮流。在大城市乘坐交通工具时，您都能在道路上发现电动或混合动力汽车。而在这一趋势背后，有诸多驱动因素，比如清洁能源、汽油成本以及对气候变化的担忧等。”
电动汽车激励措施是电动交通趋势的有力证明。
民众、政府、车企和整个社会都在积极参与其中——比如，专门的电动汽车停车位、税收减免和多种车辆选择等不断加码的激励措施，便是良好例证。
但是，还存在一些工程挑战，在阻止电动汽车全面覆盖运输系统。这些挑战是什么呢？
电动交通的最大障碍是什么？
电动交通面临的最大挑战在于储能、充电和成本。
Sovani指出：“对于现在的汽车而言，人们通常理所当然地认为它应该具有两项重要功能。首先，续航里程应达到大约400英里。其次，需要可以在任何加油站，在大约5分钟内对其进行充电”。
储能和电池充电是电动汽车面临的一些
最大挑战。
目前，电动汽车电池技术还无法完全满足这些期望，尤其是寒冷的气候会影响汽车性能。
此外，在价格方面，大多数电动汽车都属于奢侈品之列。考虑到成本和差旅限制，它们尚未占据市场主导地位也就不足为奇了。
但是，我们对此并非束手无策。工程师需要找到解决方案来应对这些挑战，以助力电动汽车占据主导地位。
Sovani预测道：“大多数消费者并不关心汽车采用的是哪种燃料，我们需要做的是为消费者提供能够满足续航里程和充电期望的燃料。一旦工程师开发出满足这些期望的电气解决方案，汽油和柴油将被逐步淘汰。”
电动汽车将会普及吗？
纵观历史，电动汽车曾多次受到公众的关注。然而，尽管早在20世纪90年代就已经有了电动汽车的现代概念，而且特斯拉在2006年就推出了其电动跑车，至今，电动汽车仍未占据市场主导地位。目前，它们还是属于部分人的选择，但其受欢迎程度足以使《美国新闻与世界报道》等主要出版物认为有必要对市场上的顶级电动车车型进行排名。
Volkswagen I.D.R电动汽车打破了世界各地的速度
纪录。
不过，其实电动汽车已经在赛车世界大显身手。Volkswagen I.D.R电动汽车最近打破了派克峰和纽博格林诺德施莱夫赛道的记录。Sovani指出，在这些赛道上，与传统内燃机汽车相比，电池供电的汽车具有诸多优势。
首先，其电动传动系统不需要氧气即可运行，因此，它可以在派克峰的高海拔地区保持最高效率。其次，电池只需运行8分钟即可完成整个赛程。因此，工程师可以使用更轻的电池，使其达到热容量和能量容量的双重极限。
Sovani表示：“派克峰的比赛成果是电动汽车获得的一大胜利。此次记录比之前创下的记录快了近一分钟，这是一个令人难以置信的壮举，因为各参赛团队通常需要竭尽全力才能将这些记录提高几秒钟。这实在是令人振奋。这也让公众对电动汽车有了更深刻的印象。之前人们可能没有特别的理由去购买电动汽车，但我认为，这次赛事结果可以帮助他们更好地做出购买决定。”
Ansys的大陆集团技术客户经理Marco Oswald表示：“赛车运动是电动传动系统的一个极致示例。原始设备制造商（OEM）和一级供应商正在努力研究将内燃机与电动汽车连接起来的大众市场技术。系统仿真有助于优化这些汽车的成本、功耗和效率。”
如何设计电动传动系统
系统仿真是设计最佳电动传动系统的最重要工具。
Oswald表示：“最近，我们发现汽车工程师从优化组件转变为优化系统和系统集成。他们意识到，必须将每个组件视为系统的一部分，并考虑其所涵盖的所有多物理场。”
系统仿真对于设计最佳电动传动系统至关重要。
例如，通过对赛车系统及其对赛道的反应进行建模，大众汽车赛车运动部能够针对派克峰优化其电动汽车，而不会过度设计电池的重量。
然而，对于电动汽车而言，赛道上的设计标准与公路上的设计标准有所不同。例如，消费级电池需要使用10到15年，每次充电的续航里程应达数百英里，每个生命周期的行驶里程应达数十万英里。这与完成派克峰的8分钟赛程相去甚远。
不过，即使目标发生了变化，系统仿真仍然可以应用于商用汽车的设计。工程师并不针对8分钟的赛道进行系统优化，而是对汽车整个使用寿命中的工作周期进行优化。
为了深入了解汽车的工作周期，工程师需要使用数字孪生。Ansys的大陆集团企业客户经理Wolfram Schloter解释道：“系统仿真距离数字孪生构建只有一步之遥。通过系统仿真，您可以观察系统的行为方式，并将其与现实世界中的运行方式进行比较。”
通过数字孪生，工程师则可以收集有关汽车性能和载荷的信息。利用数字孪生，他们可以将这些数据输入到系统仿真，以深入了解从维护周期到进一步设计改进的各个方面。
展望电动交通的未来
为了成功设计电动汽车，企业需要专注于系统工程。否则，耗时且昂贵的物理原型将让他们止步不前。
电池和制动器，是首先需要处理的复杂系统。考虑到它们是电动传动系统的子系统，这类工作就会变得更加复杂。
Oswald表示：“通过使用系统仿真，我们可以对不同场景、天气和驾驶条件下每个子系统发生的情况进行建模。然后，您可以深入了解当所有子系统一起运行时，整个系统的行为方式。”
工程师致力于优化电池系统。但为了
在整体环境中优化这个子系统，工程师需要系统仿真
或昂贵的物理原型。
尽管系统仿真极具潜力，但一些企业还未采用这一新的设计方法。
他补充道：“许多企业仍然遵循着以前的固有业务模式。如果一直这样，他们很难保持竞争力。因为，他们的产品上市进程会减慢，相比之下，同类竞争对手不仅将领先一步，而且还能够针对不同情况对其产品的每个系统进行优化。这些都无法通过对系统逐个进行优化的方式来实现。通过将系统仿真集成到设计周期中，企业可以减少迭代循环，从而节省时间和资金。”
Schloter赞同道：“工程师第一次看到使用系统仿真的效果时，他们就会满怀信心。企业采用系统仿真的主要原因是，这能够使其在竞争中占据领先地位。”
如需了解如何对电动汽车电池系统进行仿真，欢迎观看网络研讨会：大众汽车赛车运动部案例分享：电池仿真——助力I.D.R打破纽博格林赛道和派克峰纪录的重要工具。