你将学习:
- 模拟和协同平台的方法如何使电动汽车制造商改善电池设计和规模化生产
- 潜在的障碍和解决方案
使用电动汽车有很多好的理由，其中最主要的是可持续性。作为证据,2018年的论文摩根大通在《全球能源趋势》一书中指出，道路运输(即内燃机，ICE)占全球石油消费量的50%。
文章认为，减少这一数字的最好方法是广泛采用电动汽车。与风能和太阳能等可再生能源一起，电动汽车将使人类走上一条更绿色、更环保的道路。
然而，电池组是电动汽车中最大、最昂贵的组件。因此，设计师必须找到降低成本和尺寸的新方法，在不牺牲乘客舒适度或货运空间的前提下，将电池塞进电动汽车，同时使其符合车主的预算。要实现这些目标，需要先进的工程工具，能够预测、模拟和优化电池行为，甚至在分子水平上。
电动汽车销售及其与电池价格下降的关系
在过去五年左右的时间里，电动汽车的销量大幅增长。国际能源署(International Energy Agency)指出，2013年，电池驱动和混合动力汽车的数量仅为23万辆，而仅仅五年之后，上路的汽车数量(329万辆)就增长了近15倍。而就在全球大流行爆发前不久，德勤会计师事务所(Deloitte)预测全球电动汽车产量将达到峰值400万辆汽车到2025年，年销量将达到1200万辆，到2030年将达到2100万辆。
德勤的研究指出，这一增长在很大程度上是由于电池价格的下降，2022年将是一个“转折点”，届时拥有一辆电动汽车的成本将与传统的ice动力汽车相当。彭博NEF的最新报告电池市场调查支持这一趋势的报告显示，锂离子电池的每千瓦时价格已从10年前的1100美元/千瓦时降至2019年的156美元/千瓦时(下降了87%)，预计到2023年平均价格将达到100美元/千瓦时。大多数行业专家认为，这将是电动汽车与使用汽油或柴油燃料的汽车在成本上具有竞争力的时候。
发展电动汽车的潜在障碍
尽管这些成本在过去几年中已经显著下降，但考虑到电池制造商对镝、钕和铽等稀土金属的依赖，这一趋势可能正在放缓——所有稀土金属的需求都在增加，价格也相应上涨。
在这一潜在障碍之上的是基础设施。毕竟，电动汽车需要电力来给电池充电，而为全球的电动汽车车队提供电力将意味着更多的充电站、更多的发电设施和更多的传输线——更不用说制造这些电池所需的工厂了。将需要模拟软件和其他先进的工程工具来帮助简化这些关键部件的设计和构造。
这既需要各国政府承诺建设更多的基础设施，也需要电池工程师和汽车设计师做出重大努力。而且，在某些情况下，这需要重大的技术飞跃。电池制造商不仅要达到刚才提到的千瓦时目标，还要使他们的产品安全、持久、快速充电，并具有足够的续航里程，这样司机就不用担心到达目的地的距离。
电动汽车中的锂离子电池性能
锂离子电池在当今世界无处不在，为智能手机和笔记本电脑供电。电动汽车使用同样的技术。但如果电脑电池没电了，你可以简单地把它插上，然后等待充电。当然，当你需要依靠电动汽车作为必要的交通工具时，情况就不是这样了。
此外，智能手机和笔记本电脑使用的电池不需要花费数万美元，而且在下一代设备出现时，通常会进行交易。另一方面，电动汽车的寿命预计为10年或更久，并在服务期结束时提供与离开展厅时相同的续航里程和载重能力。
当然，锂离子电池的性能很大程度上取决于它的保养、使用和运行环境。例如，消费者不应该养成将电动汽车充满电至100%的习惯。他们也不应该把电压降至零，以免电压降得太厉害，导致电池损坏或“变砖”，特斯拉让一个客户之后流行(或不流行)的术语离开他的跑车拔掉了两个多月的插头，最后花了4万美元的修理费。
极端温度也可能对电池性能产生负面影响。为了缓解这一问题，特斯拉在一些车型上增加了液冷系统，尽管这无疑会增加汽车成本。
即使是一个适当充电和保养的电池也会随着时间的推移而变质。然而，这一不幸的事实在一定程度上被一个事实所抵消，即大多数电动汽车的电池有更多的功率，超过汽车的动力系统可以处理，从而使电力的逐渐损失不被大多数消费者注意到。然而，他们将注意到的是航程的损失，以及需要更频繁的充电才能跟上日常需求。
因此，出现了两种可能的情况。首先，电池设计师将继续优化现有的锂离子技术，以实现前面提到的“临界点”。在第二种情况下，他们可能会开发出一种全新的技术，利用潜在的新的电化学过程——就像一个多世纪前内燃机和福特装配线给一代马车司机带来的突破一样。
美国最负盛名的机构之一的研究人员对此表示赞同。一个新报告麻省理工学院能源倡议组织(MIT Energy Initiative)的研究人员警告说，由于电动汽车长期依赖锂离子电池，它们的价格可能永远不会达到ICE汽车的价格，尽管在未来10年左右的时间里，拥有锂离子电池的总成本可能会持平。该论文接着表示，“2030年以后的电池价格预测具有高度不确定性，很可能会被新型电池化学物质的开发和商业化所打断。”
制造电动汽车电池的合作努力
无论电动汽车是继续采用新的电池技术，还是进一步优化旧的电池技术，如果要在实现内部成本和效率目标的同时达到行业目标，那些设计电动汽车的人都需要强大的工程工具。尽管电池的外观很简单，但它们是高度复杂的系统，需要知识渊博的人组成的团队协作开发:
- 例如，电池材料设计者必须在纳米水平上理解电池的行为。他们需要预测电解质如何与阳极和阴极相互作用，模拟电流流动和分子氧化，并可视化每个元素在电化学舞蹈中的作用。
- 电池工程师将这些微观的相互作用转化为宏观的尺度。他们使用多学科模拟来优化单个电池，以获得最大的能量、寿命和安全性。他们观察细胞被刺穿或粉碎时会发生什么，并学习如何在发生碰撞时保证细胞的安全。
- 电池模块和电池组工程师负责更高一级的工作，确保每个模块和电池组的结构完整性和最佳热管理，而电池管理系统设计师则负责模拟电池的整体性能，以及电池与辅助系统之间的相互作用。
- 最后，电池系统工程和车辆集成商负责电池与车辆其他部分的集成，确保电池在看似无限多种驾驶场景和环境条件下的性能优化。
每个团队成员都需要能够执行这些功能和更多功能的工程软件。为了实现可靠的、创新的电池改进，需要一个协作的业务平台来统一所有这些功能。
在这方面,达索系统3experience是一种获得更多关注的解决方案。它的平台使公司能够从分子水平开始创建精确的工程模拟。然后，产品设计和工程团队可以对电池系统进行全面分析，预测每个级别在不同条件下的表现，同时为工程师提供优化电池性能所需的见解。
此外，真实的模拟现实世界的可能性，如过热，热失控，刺穿，和极端天气帮助确保电池的可行性。这使得工程师可以在虚拟环境中保护电池免受这些意外事件的影响。
然而，对精确模拟的需求扩展到其他电动汽车部件，甚至整个汽车。模拟是如此具有预见性，以至于他们的反馈可以取代昂贵而耗时的跟踪和实验室测试，同时提供了更深入地了解车辆设计的物理过程。例如，分析气流以减少车辆阻力，或模拟车辆间(V2V)通信的天线布置。设计师可以检查车辆所有系统的电磁干扰和热积，并对道路噪音、振动、积尘和其他可能影响电动汽车性能的因素有更深入的了解。
也许这个等式中最重要的部分是互操作性和协作。刚刚列出的各个不同的团队必须以一种有效的方式一起工作。他们必须消除重复的工作，并为彼此的工作提供完全的可见性。他们还应该能够与营销人员、财务部门、生产部门以及组织中任何受他们的决定影响或可能有自己建议的人分享他们的愿景。
只有通过使用综合设计和仿真软件平台——一个集合了公司所有工程学科的平台——才能实现战略洞察力和整体业务绩效。
现实世界的成功
奥地利的Kreisel Electric公司知道电动汽车制造面临的挑战。工程师们使用3experience电动移动加速器解决方案，将一辆1971年的汽油动力EVEX保时捷910改装成“电动超级跑车”。要做到这一点，团队需要设计和构建定制的电池组、冷却系统、变速箱和动力系统，以适应汽车紧凑的空间，所有这些都需要高度合作，以控制预算和项目时间表。
创始人菲利普•Kreisel说3 dexperience帮助“汽车开发周期降低50%,省下更多的时间去创新,“虽然机械工程负责人赫尔穆特·卡斯特勒指出,定位汽车的变速箱和电池组的有限的空间“不可能完成的时间和质量没有这个平台。”
电池专家Kim Yeow分享了一个类似的故事。他是密歇根州普利茅斯市AVL北美公司的技术专家。他和AVL的其他同事面临的挑战是，为一个由14个现成模块组成的锂离子电池组设计一个冷却系统。就像克瑞塞尔电气的例子一样，季度业绩紧张，但期望值很高。Yeow使用了来自Dassault Systèmes的Abaqus有限元分析软件来模拟、预测和验证组件的热和电气性能。
“关于电池还有很多需要学习的地方，由于市场的巨大转变，AVL在过去几年里对汽车电气化进行了大量研究，”Yeow说。“从性能和安全的角度来看，无论环境温度和工作条件如何，我们都希望保持电池组的最佳工作温度范围。Abaqus很适合分析这一问题，因此成为我们评估锂离子电池电气和热性能结构的首选工具。”
电动汽车的未来影响
不过，人们对电动汽车的认可不仅仅局限于耐用电池。有发电电网要设计;耐用、低成本、易于部署的充电设备;还有高效的，很可能是自动化的工厂，以前所未有的产量生产电池。在这里，高效的设计和模拟工具为前进铺平了道路。
通过使用生产车间的智能数字模型，工程师可以在设计过程中更早地做出更好的决策，从而降低成本。类似地，大规模部署充电站和其他电力基础设施变得更加可预测，风险也更小。
撇开工程软件不谈，这对所有参与者来说都是一个激动人心的时刻。如果电动汽车行业取得成功，未来几代人可以期待更清洁的天空。人们将更少地为土地下埋着什么而争吵，更少的环境灾难，更少的对全球变暖的担忧。
至于开车的大众，它正处于我们出行方式发生深刻变化的风口浪尖。在加油站排队等候的日子将成为一个时代的错误。换油将让位于软件更新，排气系统将让位于静音。我们可能会错过轰隆隆的声音，但清洁、安静和可持续发展是很难辩驳的。
Ed Tate是SIMULIA的工业过程高级总监达索系统公司股价．
