ANSYS 部落格
December 21, 2023
汽車製造商利用模擬來克服他們最大的挑戰
汽車產業是全球最大且最具影響力的市場之一。但這個產業最近面臨的變化，是過去一百年遠遠不及的。由於飛快的技術創新速度、與環境與安全挑戰相關的法規，以及客戶與市場的期待，造成業界面臨瞬息萬變的環境。汽車原始設備製造商 (OEM) 與供應商同時努力滿足提高電動車 (EV) 採用比率、增加更強大的輔助駕駛功能，以及為連網消費者提供更個人化的創新體驗等的需求。同時，他們必須持續因應市場挑戰，例如讓車輛經濟實惠、瞭解快速變化的人工智慧與機器學習 (AI/ML) 使用案例，以及防範資料外洩與網路安全。
數十年來，汽車製造商運用模擬技術降低成本與時間，並改善空氣動力、耐久性、耐撞性及燃燒等應用的品質。時至今日，隨著汽車製造變得越來越複雜，運用模擬解決車輛設計各個方面的需求呈指數級增長。接下來要看看電動動力系統、輔助駕駛和軟體定義車輛的一些使用案例。
電動動力系統
將車輛轉變為全電動動力系統的急迫性，是業界的首要考量。從某種意義上說，電動動力系統更容易設計，因為組件更少，不需要數百個昂貴、複雜的零件 (例如散熱器、活塞、油箱和火星塞)。但整個產業仍在努力解決電動車中最大、最重要、最昂貴的零件：電池。
模擬工作流程對於開發電池的最佳大小、封裝和範圍至關重要。有效的模擬必須能夠在碰撞、充電和極端操作條件下檢測並減輕電池熱失控問題。電池的物理基礎降階模型 (ROM) 對於電池管理軟體的開發來說至關重要。對於採用多物理設計標準 (例如馬達和電力電子模組的結構、溫度和電磁需求) 將元件最佳化的程序來說，模擬也非常重要。要同時最佳化這些標準，只能透過模擬。如此一來，就能同時探索數千次的設計迭代。過去使用傳統的實體原型設計方法，必需設計，建置和測試數次迭代才能完成相同工作量。
先進駕駛輔助系統和自主性
目前有些人預測我們能夠達成完全自動駕駛，但由於許多挑戰限制了自動駕駛汽車的接受度和成長，許多開發商已經收回或延遲先前樂觀的目標。大眾關切的是汽車產業一直以來不斷強調的主要考量：確保駕駛與乘客的安全。
隨著運算能力、AI/ML 和感應器技術的成長，除了傳統的被動/碰撞防護之外，業界現在還能提供許多主動式安全功能。逐漸引入與採用主動定速控制系統、自動煞車、自動停車等先進駕駛輔助系統 (ADAS) 功能後，大眾也越來越期待更多駕駛輔助功能可以帶來的優勢，而汽車製造商則實現了保護客戶的無限創新可能。
在最複雜的系統中，傳統的設計、原型與測試開發程序已經不再有效率，有時甚至根本無法行。模擬功能讓工程師能以安全且有效率的方式處理各種複雜性問題。工程師可在短短數天內虛擬開發並測試安全自動駕駛技術，並驗證測試案例，而非駕駛超過數百萬公里的實際距離來驗證。只有將安全分析和模擬結合在一起，才能複製真實世界的狀況，並在開發程序的早期預估結果，藉此辨識出極為複雜的情境。
支援軟體定義車輛
隨著車輛中的軟體數量成長至超過 1 億行程式碼，業界已經意識到轉換至軟體定義車輛 (SDV) 架構的必要性。SDV 在業界常用來指主要或完全透過軟體管理其運作並啟用新功能的車輛。借助 SDV，OEM 可以僅透過更改軟體來增加新功能，而無需修改硬體，例如手機消費性產品和體驗。開發軟體驅動的功能是原始車輛設計的一部分，但在汽車售出後也會經由空中傳輸 (OTA) 更新。
以模型為基礎的系統工程 (MBSE) 等方法，對於在車輛使用壽命期間管理這些功能來說至關重要。不僅要滿足不斷變化的軟體的要求，還要滿足原始硬體的要求。功能性安全和網路安全分析與評估也是原始設計的一部分，但在軟體持續改善時，這些分析與評估也非常重要。同樣地，業界會使用模擬來設計原始車輛硬體，之後也會使用數位孿生硬體模型，利用模擬技術在車輛的整個生命週期中驗證新軟體。虛擬驗證對於確保安全性和可靠性來說至關重要，因此在新軟體透過 OTA 傳送到客戶的車輛前，必須先進行虛擬驗證。
雖然 EV 動力系統、ADAS 功能和 SDV 是汽車領域的最新趨勢，但機動車輛的各個方面都在持續創新，包括更輕、更永續的材料；「更智慧」的電子元件；以及新的照明/光學技術等。模擬是確保每個元件都最佳化，以達到最高品質、最輕重量、最低成本，以及最智慧技術的關鍵。
在 Ansys Advantage 雜誌的最新一期文章中，我們會分享一些客戶如何運用模擬和模型化方法，來協助解決汽車開發上日益複雜的問題。唯有最創新、最有效率的產品，才能在轉型中存活。