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设计车辆，无论是赛车还是SUV，通常都会遇到一系列的核心工程挑战。除了与优化性能相关的复杂度以外，还存在如何满足目标用户的外观样式诉求以及存在于这两者之间成千上万数也数不清的很多其它问题。如果要把内燃发动机换成电动发动机，困难又会成倍增加。工程团队必须要应对的除了一系列传统设计目标以外，还有空气动力学、装配包装和电源等领域的全新挑战。
CFD工具帮助Tesla团队为Roadster
能达到最佳性能调整了其空气动力学
特征。
让电动汽车设计变得更加困难的部分原因是：电动汽车设计是一个相对比较新的领域，像电池技术、传动系统模组和电动机一样的很多核心配件仍然处于发展之中。“电动汽车设计最大的问题与目前市场上配件的成熟度有关，” 通用汽车公司（GM）Chevy Volt电动概念汽车（http://designnews.com.cn/0806-401.aspx）总工程师Andrew Farah说。“还没有这么大的容量能容纳下电池和电动机等配件，如果想在保持理想外观和内部排列的同时把所有这些配件都集成到车辆里面，空间问题就是需要面对的一个独特问题。
像对传统汽车设计项目一样，CAD与仿真软件一类的3-D技术在帮助大型OEM制造商（就像GM）和豪华电动汽车制造商来处理以上提到的一些挑战中起着巨大作用。特别值得一提的是，3-D CAD工具能够让制造商建造车辆的全数字模型，允许他们在建造实体物理模型之前为最优化装配来改动和操纵配件，因为实体模型的改动成本是很高的。计算机辅助工程（CAE）软件，包括有限元分析（FEA）和计算流体力学（CFD），也被用来调节车辆的空气动力学特性，并用来分析为达到最佳重量与材料构成而需要的各种不同组装方式。
尤其是空气动力学，它在电动汽车设计中所起的作用要比在传统汽油动力汽车设计中所起的作用大。因为电动汽车的动力来自于自身携带电池，所以我们要在增加更多马力（即更多电池）和额外重量影响到车辆车程与最高时速这个代价之间不断寻求平衡。
“你所驾驶电动车的耐久程度或车程范围要远比你从汽油动力车辆上获得的里程数重要的多，” Dassault Syst弇es公司负责销售与汽车业务转型的副总裁Peter Schmitt说。“这是我们今天转向电动汽车的主要阻力，电池技术还没有发展到让大家自信的程度。”
CAE分析也在这些车辆的结构分析中起一定作用，它能帮助公司建立配件模型，力图使之最小和最轻，而又不会影响到车辆的完整性。这点尤其重要，因为很多电动车辆都背负着几百磅甚至上千磅的电池重量。“重量是效率的敌人，” 西门子PLM软件公司（Siemens PLM Software）全球汽车行销资深总监Dave Taylor说。西门子PLM软件公司是一家CAE和CAD软件开发商。“在汽油为动力的车辆中，你努力的目标就是让每加仑汽油跑最多的里程。而在电池为动力的车辆中，你需要的是最大充电间隔，但每一盎司的重量都在跟你作对。”
《设计创新》主动找到了一些比较引人关注的电动汽车项目，目的是想听听他们关于处理这些挑战的第一手说明。以下就是他们的叙述：
拼装Tango汽车
当你在制造一辆只有3英尺宽的汽车时（并且需要随车携带差不多1,100磅重的电池），要把所有的高科技配件装配进一个有限的空间里，真就像是在拼装一个智力玩具。
这正是Commuter Cars(http://designnews.com.cn/0806-402.aspx)公司在设计超窄Tango车时曾经遇到过的一个主要挑战。Tango是一种用于都市通勤的电动车，它具有独特的尺寸和外形，可以在只有6英尺的半条车道上行驶，并且可以停放在其它汽车之间的空隙里。“把一辆完整大小汽车的所有功能包含在只有其四分之一大小的空间里是一个巨大的挑战，” 位于华盛顿州Spokane市的Commuter Cars公司的创始人、总裁Rick Woodbury说。“每一配件都必须安装上去，并且周围不留任何空间。没有任何其他一个车型能比我们的空间利用率更高。”
SolidWorks公司的3-D CAD工具对此提供了帮助，它帮助Commuter Cars公司在建造物理模型之前预先以数字形式验证了配件装配是否合适。比如说，在早期阶段，工程团队就通过它发现了原有的电动机和动力传动设计在所分配限定的空间里不能正常工作。然后，他们利用SolidWorks创建了一个独有的双电机设计，使之能够更好地容纳电池和空调机械。“我们不得不围绕电池的空间间隔来设计整辆汽车，我们通过双电机设计达到了这样的效果：汽车底部剩余的空间都用在了电池上，” Woodbury说。
另外一个主要的设计挑战是，需要让车辆的重心足够低以保持平衡，使之与赛车具有同样的侧翻阀值。这种可以在4秒钟内把车速从0提高到60英里/小时的Tango车大量使用了不锈钢和碳纤维材料。Woodbury说，SolidWorks公司的Cosmos仿真软件还将会协助Commuter Cars公司把车辆的结构再变得轻一点。
Tesla 团队利用3-D CAD工具，在建造任何物理模型之前
做出了Roadster 车的完整数字模型。
Tango车的起价为108,000美元，因此Woodbury说，该车当初的设计目标必须在努力优化性能的同时，还要提供很多人们经常在高端豪华车辆上见到的附件设备。“如果你要想制造一辆如此与众不同又如此窄小的汽车，你就必须有足够的理由，尤其是当你制造的汽车处在这样一个比较高的价格区间时，”他说。“CAD真是上帝赐给我们的礼物。”
空气动力学与Chevy Volt
Nina Tortosa被同事们称作“空中警察”。她是通用汽车公
司Chevy Volt概念车E-Flex的性能优化工程师，她的职责是确保这款电动车的批量生产版具有最佳的空气动力学特性。
以前GM的工程师们只是在设计这款概念车时简单地提到空气动力学，而现在当Volt团队为了让这款车投产来反复打磨当初设计并以2010年11月让该车上路为目标时，这个问题就成了他们要最优先考虑的问题了。Volt开发团队正努力保留去年概念车亮相时引起消费者共鸣的一些元素，比如，前散热格栅的形状，前大灯的形状和车身结构，同时还要增加符合空气动力学需要的最重要的尺寸外形。
所以，Tortosa以及她的整个团队在设计开始的初期就参与进来，并且现在正花费几百个小时的时间呆在风洞里，为了实现所做出的Volt设计来反复调整计算机仿真效果。“电动汽车最大的不同是，空气动力学变成了一个影响燃油效率或电力里程范围的更大因素，”她说。“你不能像对传统汽车一样在空气动力学方面做出让步。”
但是，为了保证空气动力学不会有损车辆外形，Tortosa与同事们正花费大量时间工作在设计公司的风洞里，每个人都随时待命。除了风洞部分外，Volt团队还利用了Fluent公司的CFD软件（
http://designnews.com.cn/0806-403.aspx）（现在是ANSYS软件的一部分）来进行相似的表面测试与空气流动图像显示，用来调整问题区域并找出在风洞中难以发现的问题，她说。据GM公司E-Flex系统设计总监Bob Boniface说，自从这种主动积极的测试开展以来，Volt的某些设计特征已经发生改变，其中包括变得偏圆不像以前直角似的两个前拐角。
据Farah说，除了空气动力学以外，装配更是电动汽车要面对的一项挑战。因为目前几乎没有现成的配件，还必须要努力把电动机和电池这样的部件安装到一个已经固定的空间里，设计具有相当的不确定性。“这就带来一些非常艰难的物理集成方面的挑战，因为你已经有了一个理想的设计外观和内部设计排列以及它们之间的固定空间，”他说。“你要在努力把每样东西装配在一起的同时还要来努力开发元件组。”
性能胜过实用性
从一开始，Tesla Roadster车（
http://designnews.com.cn/0806-404.aspx)的所有注意力就都集中在性能上。如果消费者不得不为了仍然处于发展中的电动汽车技术而多花钱，如果这种平台的扭矩赶不上赛车，那么Tesla公司的工程师们就不会在设计中关注任何实用的东西。
“如果你要想制造一辆如此与众不同又如此窄小的汽车，你就必须有足够的理由，尤其是当你制造的汽车处在这样一个比较高的价格区间时。CAD真是上帝赐给我们的礼物。”
“这并不是一种惩罚车辆，人们不是非要驾驶它不行，”Tesla公司车身工程总监Barrie Dickinson说。
以速度在4秒钟内从0提高到每小时60英里和100%的电力驱动作为核心目标，Tesla的工程师们必须在外观样式与比传统汽油车辆设计起来更困难的性能之间找到平衡点。“对电动汽车来说，从里程范围的角度来看，空气动力学损失会变得非常重要，” Dickinson说，“你需要良好的空气动力学装配和性能，而这一点大多数的赛车并不怎么担心。它们通常所担心的是外观式样以及车辆在腾空时是否具有良好的平衡能力。而我们需要的是把阻力保持在较低水平。”
为了实现这一目标，Tesla公司寻求到了MIRA公司（
http://designnews.com.cn/0806-405.aspx）的援助。MIRA是一家英国咨讯公司，他们的专业领域就是车辆设计。MIRA公司为Roadster建立了CFD模型并利用风洞技术完善了其空气动力学性能。FEA分析软件也参与到了在任何可能的地方减轻配件质量的工作中，Dickinson说。Tesla Roadster车体结构的基本构成是通过与Lotus Cars公司（
http://designnews.com.cn/0806-406.aspx）的合作来完成的，Dickinson说，FEA分析帮助该公司对车辆底盘的很多地方进行了重新设计，包括汽车的侧梁和内门。“我们利用FEA分析是为了在实现我们所需要的所有硬度和强度性能需求以外，保证车辆能尽可能地轻，”他说。
Dassault Syst弇es公司的CATIA以及其数字模型功能帮助他们从装配的角度把近1,000磅重的随车电池装进了车体中。最初的设计需要一个比较小的电池组，但随着安全特性和其他功能的加入，电力需求不断增加，最终导致了现在的变化。“利用CAD和数字模型，与
必须用手工方式进行改动相比，能让我们对这些变化做出更有效的反应，”Dickinson说。
Zenn 被设计成了一款短程运输车辆。
Tesla Roadster已经在3月17日开始了批量生产。
为电动而重新设计
对Zenn Motor Cars公司（
http://designnews.com.cn/0806-407.aspx）来说，空气动力学、装配和电力都是设计中应该关注的问题；而紧随其后他们需要面对的最大挑战是：为了实现电力驱动，重新设计原有车辆。
Zenn公司的核心竞争能力是电动工程和系统集成以及与此相关同供应商合作的策略。他们把原有车辆的传动系统改成电动系统，并已经为批量生产而非一次性版本准备好了设计。“在能量储存方面发生了如此多的变化，并且市场上快速出现的对环境的关注变得越来越重要，”Zenn公司工程副总裁Michael Bergeron说。“比较小的公司根本就不会有任何机会。”
Zenn公司第一次的车辆改装是一款限程车辆，最高车速只有每小时25英里，只能在本地行驶。要把一款具有已有系统的已有车辆改装成电动车的确是一种挑战，因为像动力转动齿条或ABS制动一样的很多系统与电力并不协调，Bergeron说。“挑战之一是，我们要放入传动系统中的特征和功能并不是传动系统本身应有的部分，”他说。“原来的车辆已经有了自己的线束和专门设计的主要部件，对我们来说，得到这些系统、了解它们并在CAD中把它们转换成电动模式至关重要。”
Mentor Graphics公司（
http://designnews.com.cn/0806-408.aspx）的设计工具与Dassault公司的CATIA，在原型生产之前促进了很多改装工作的进展。专业分析软件也帮助Zenn公司的工程师们确定了如何重新利用已经存在的空气流来为电池做些必要的降温；3-D建模也被用于建造所有装置的模型、把它们装配到一起以及观察它们对车辆重心的影响。CAD工具也让Zenn团队设计出一些外观元素，包括增加电脑数字显示和能给车辆带来高科技感觉的一些装置。
电动汽车设计与传统汽车设计的最大不同是，前者需要更加准确。“我们极力想把它设计的比内燃发动机更靠近临界点，所以我们更需要依靠建模，因为我们需要更精确，” Bergeron说。“作为一个产业，我们都在与内燃发动机的残余影响作斗争，在那些车辆上，速度表要比法律允许你驾驶的速度高很多。我们正努力把需要的速度范围更集中一些。”
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