ANSYS 部落格
March 1, 2024
什麼是電動汽車以及工程師如何設計電動車？
什麼是電動汽車？
電動汽車或電動車輛是指將電動車用於交通運輸目的。它可以是汽車、公車、卡車或任何其他完全或部分為電動的車輛，例如油電混合動力車。
Ansys 產業行銷總監 Sandeep Sovani表示：「電動汽車正在興起，並蔚為風潮。」「在大城市中，每次出門都可以在路上看到電動車或油電混合動力車。此趨勢的背後推手包含潔淨能源、汽油成本以及對氣候變遷的擔憂等諸多因素。」
電動車的獎勵措施正是電動汽車蔚為風潮的明證。
民眾、政府、汽車公司和一般公眾都紛紛加入 — 像是專門停車位、稅務減免和車輛選擇等，不斷增加的獎勵措施再再證明了這一點。
但是，是什麼樣的工程挑戰阻礙了電動車在運輸系統中的普及率呢？
電動汽車的最大障礙是什麼？
電動汽車的最大挑戰分別是儲能、充電和成本。
「我們今天在看一輛汽車的時候，我們會期望它具備兩項重要功能，而這兩項功能常常被認為是理所當然的。第一，充飽電後可行駛約 400 英里。第二，可以在任何加油站充電，而且大約 5 分鐘就能充好電。」Sovani 說道。
儲能和電池充電是
電動車所面臨到最大的挑戰。
目前而言，電動車電池技術還無法滿足這些期待，特別是在會影響效能的寒冷氣候下。
此外，大多數的電動車都屬於奢侈品。考慮到成本和行駛限制，也難怪電動車還無法主宰市場。
然而，我們也並非一無所獲。工程師需要找到解決方案來因應這些挑戰，以便提高電動車普及率。
「大多數的消費者並不關心汽車使用什麼燃料，」Sovani 預料道：「只要提供的燃料能滿足行駛里程和充電期望即可。一旦工程師開發出符合這些期望的電動解決方案，汽油和柴油就會逐步被淘汰。」
電動汽車是否會愈來愈普及？
就過往歷史來看，電動車曾幾次引起大衆的興趣。然而，儘管在 90 年代引入了現代的概念，加上 Tesla 在 2006 年宣布推出電動跑車，但電動車仍未在市場上佔據領導地位。目前來說，電動車屬於小眾選擇，但受歡迎的程度足以促使主要出版物，如美國新聞與世界報導 (U.S. News & World Report) 等針對市面上的最佳車款進行排名。
Volkswagen I.D.R 電動車打破
世界各地的速度紀錄。
無論如何，在賽車界中，電動車可是來勢洶洶。Volkswagen ID.R 電動車最近在派克峰和紐柏林北環賽道紛紛打破紀錄。Sovani 指出，與傳統內燃機相比，電池驅動的車輛在這些賽道上有以下幾項優勢。
首先，電動車的電動動力系統不需要氧氣即可運作。因此，它在派克峰的高海拔地區依然能保持最高效率。其次，電池只需運作 8 分鐘即可跑完賽道。因此，藉由擴展電池的熱能和電能容量限度，工程師便能採用較輕的電池。
「派克峰是電動汽車的一大勝利。創下超越先前紀錄將近一分鐘的佳績，這是一項不可思議的壯舉，因為團隊通常要非常努力才能提高幾秒鐘的速度。實在是太棒了。」Sovani 說道：「這提高了電動車在大眾眼中的形象。人們購買電動車的理由不只一個，但我認為這將會是他們在購買電動車時所考慮的因素之一。」
Ansys 的歐陸技術客戶經理 Marco Oswald 表示：「賽車是電動動力系統的極端範例。原始設備製造商 (OEM) 和第一階供應商正在研究大眾市場技術，以從內燃機過渡到電動車。系統模擬有助於將這些車輛的成本、動力和效率加以最佳化。」
如何設計電動動力系統
系統模擬是設計最佳電動動力系統的其中幾項最重要的工具之一。
「最近，我們看到汽車工程師從元件最佳化轉向系統和系統整合最佳化。」Oswald 說道。「使用者意識到他們必須將每個元件視為系統的一部分，並考量所需的多重物理量。」
系統模擬對於設計最佳電動動力系統而言至關重要。
例如，透過對賽車系統塑模及車輛對賽道的反應，Volkswagen Motorsports 便能夠針對派克峰最佳化其電動車，而不會過度設計電池重量。
然而，賽道上的電動車設計標準與公共道路上的設計標準並不相同。舉例來說，消費型電池必須能持續 10 至 15 年、每次充電後都能行駛數百英里，而且每個生命週期還須能行駛數十萬英里。這與派克峰的 8 分鐘絕對相差甚遠。
即使目標有所不同，系統模擬仍可應用於商用汽車的設計。工程師無須以 8 分鐘賽道來最佳化系統，而是根據汽車在生命週期中經歷的工作週期來進行最佳化。
為了深入了解汽車的工作週期，工程師需要借助於數位孿生。Ansys 的歐陸企業客戶經理 Wolfram Schloter 解釋道：「系統模擬距離孿生建構只有一步之遙。在這裡，您可以觀察系統的行為模式，並與現實世界中的使用情況進行比較。」
透過數位孿生，工程師可以收集有關汽車效能和負載的資訊。接著，便可從該處將這些資料嵌入系統模擬中，進而深入了解從維護週期到進一步改進設計的所有內容。
電動車輛的下一步
要成功設計電動車，公司需要專注於系統工程。否則，就會止步於耗時又昂貴的實體原型。
電池和煞車本來就是複雜的系統。一旦了解到這兩者是電動動力系統的子系統，更讓他們變得更加複雜。
Oswald 表示：「運用系統模擬，我們便能在不同的情境、天氣和駕駛條件下，針對每個子系統所發生的情況進行塑模。然後，就可以深入了解到當所有部分一起運行時，整個系統的行為模式為何。」
工程師致力於將電池系統最佳化。不過，要在整體環境中
最佳化該子系統，工程師將需要系統
模擬或昂貴的實體原型。
儘管系統模擬頗具潛力，某些公司仍在努力跟上這類全新的設計理念。
他補充道：「許多公司仍舊按照以往的方式經營。如果他們繼續這樣下去，公司就會失去競爭力。他們的產品上市時間將會拉長，與此同時，競爭對手的速度則變得更快。此外，競爭對手還能夠針對多種情況最佳化其產品的每個系統。這無法透過逐一最佳化每個部分來達成。藉油將系統模擬整合到設計週期中，公司可以減少迭代循環，進而節省時間和金錢。」
Schloter 對此表示同意，並說道：「當工程師第一次看到使用系統模擬的效果時，他們就被說服了。公司採用這種技術的主要原因，就是為了要領先競爭對手。」
如需了解如何模擬電動汽車的電池系統，請觀看網路研討會：VW Motorsport 帶來：電池模擬 - ID. R 創下紐柏林和派克峰記錄的基本技術。