西门子：智能制造助理电动汽车 通向未来的汽车之路报告

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通向未来的汽车之路 智能制造助力电动汽车迅速、有效、可靠上路 siemens.com.cn/automotive 2 交通运输业正在处于变革的浪潮高峰：环境因素影响着越来越多的消费者的购买决定 - 尤其是在购买新车时。现在，越来越多的消费者选择购买电动汽车。原因在于，即使考 虑到电池生产和电力消耗，电动汽车的二氧化碳排放仍比内燃机低得多。 因此，今天，整车制造商和零部件供应商不再怀疑新能源动力譬如氢或电是否会取代内 燃机，而是关心何时必须完成这一过渡，及如何尽可能顺利地过渡。 他们知道，经改进的制造工艺、新材料和更有效的生产方法是未来市场取得成功不可或 缺的组成部分。 本白皮书重点介绍了电动汽车制造业面临的挑战和机遇，旨在为整车制造商和零部件供 应商提供重要指导，以对规划和生产过程进行必要的重新定位。 了解大众、保时捷和标致雪铁龙集团等领先汽车制造商如何将其电动车辆生产推上成功 之路的精彩范例。了解西门子会为您转换车型提供哪些支持。 祝您阅读愉快！ 3 4 电动交通：机遇和挑战 5 电动汽车：最重要的组成部分 6 共同壮大：缩短创新周期 7 加速开发流程 7 罗森泰耐世隆：数字化将新理念变为现实 7 瑞典 Uniti：重新发明电动汽车 8 一切尽在掌握：让生产更加灵活 目录 9 北汽新能源：数字化工厂的智能制造 10 保时捷：柔性生产线桥接两个世界 11 切中要害：提高效率 12 大众汽车：制定汽车生产新标准 13 标致集团：电池组的流畅开发 14 西门子汽车工业解决方案 15 参考文献 4 电动交通：机遇和挑战 最新研究表明，与内燃机相比，电动汽车二氧化碳 1 可减排 达 80%。难怪专家们预测这一细分市场前景光明。 不出几年，在世界各地，电动汽车上路行驶会成为常态。 替代动力系统、联网车辆和无人驾驶对制造商和供应商提出 了重大挑战。 变革即将到来 因此，除了投资未来技术以外，许多地方也正在推动建立合 资企业和开发伙伴关系。 传统公司部门和技术正被新商业模式、新产品所取代。 但是，仅此一点无法保证长期取得成功。供应商公司如果要 在未来取得成功，就必须要应对高科技组件、软件专有技术 和全球互联开发中心的系统能力和纵向集成方面的进一步 要求。 对于行业而言，交通运输方面的变化提供了许多机会，但也 带来了重大挑战。毕竟，他们必须适应全新的功能、组件和 系统。 这一点对于电动汽车尤其如此，因为比如，电动汽车不仅需 要不同的动力系统和电池，还需要其它加热或空调系统。 这就为已经非常宽泛的车辆配置提供了额外的选择 - 多样化 可能会变为混乱。 因此，对于汽车行业中超过八成的公司 2 来说，优化流程和 组织结构是议事日程中的第一要务。 他们知道：向电动交通的过渡带来了既有流程无法应对的 挑战。 与此同时，电动汽车正迫使零部件供应商重新定位。这是因 为交通行业的变化正在转移行业重点。 尽管纯电动车（BEV）、所谓的增程电动汽车（REEV）和插 电式混合动力电动汽车（PHEV）在设计和功能方面存在很 大差异，但它们都有一个共同点：都是电动的，依靠电池供能。 例如，当谈到电池生产商及其原材料供应商时，出现了一些 新名字。其他在供应链下游的供应商也日益崭露头角。这意 味着电机和电池成为了电动汽车最重要的组成部分。 成功之路的三大障碍 因此，想在汽车市场保持领先地位，就必须克服以下障碍： • 加快创新周期 • 使制造过程更加灵活 • 提高效率 关于如何实现这一点，请见下文说明。 动力总成主要部件概览 内燃机车（ICE） - 天然气 电动机 来源：ICCT（清洁交通国际理事会）、Autofacts 分析；PWC 电池 内燃机 燃料电池组 内燃机车（ICE） - 柴油 完全混合动力车 増程式电动车 电动化程度 燃料电池电动车 (FCEV) 轻度混合动力车 插电式混合动力车 (PHEV) 纯电动车 (BEV) 5 电动汽车：最重要的组成部件 电动汽车的核心是电池。其它不可分割的部件还有动力总成 和电力电子设备。燃料电池也变得日益重要。 电池芯 / 模块 / 电池组 电池通常是电动汽车中最大、也是最昂贵的部件。毕竟，蓄 电池容量决定了电动汽车在再次充电之前可以行驶的距离。 同样重要的是电池管理系统。电池管理系统监视电池中的各 种电池单元、控制温度，并补偿充电过程中潜在的电压波动。 除了主要为发动机供电的高压电池外，还安装了低压电池， 以确保车载电子设备、汽车收音机或照明等的平稳运行。 到目前为止，汽车制造商主要依赖由电池供电的电动汽车。 但是，燃料电池技术也有许多优点。 电机 电动汽车安装的驱动系统由电池供电，基本由两个相互吸引 和排斥的电磁铁组成，这种设置产生了旋转运动，进而传动 车轴，再从车轴传动车轮。 燃料电池 燃料电池靠氢发电。这个过程叫做反向电解。氢和大气中的 氧反应生成水，同时产生热能和电能。电能驱动电机。燃料 电池能否与电池组展开激烈竞争还有待观察。 目前，由于电动车辆续航里程低、充电过程长，很多消费者不敢购买电动车辆。未来，电动汽车将具备快速 充电功能，配备集成充电技术系统。因为这些系统工作电压和电流更高，电池可以快速充电。西门子的研究 人员目前正在开发一种 120 千瓦的系统，可以在几分钟内为电池充电，与现在的加油站相当。 6 共同壮大：缩短创新周期 电动汽车趋势是不可逆转的：新技术和不断变化的客户需求 迫使汽车制造商和供应商迅速重新定位。越快越好。 毕竟，市场研究人员认为，最早可能在 20243 年达到临界点。 如果要成功地掌控交通变革，就必须用更少的资源取得更多 的研发成果、提高创新速度，更快地将新产品推向市场。 一项主要挑战是：汽车管理者中的 69% 相信，如今的创新 压力空前巨大。而略多于 50% 的人认为，拥有革命性汽车 的新竞争对手可能会扰乱他们的现有市场。 因此，五分之三的受访汽车经理认为，他们需要加快面向 CASE（互联互通、自动驾驶、共享 / 会员化和电气化）4 的 创新活动也就不足为奇了。 联合起来对抗新的竞争对手 毕竟，他们面临着来自科技和 IT 领域的新竞争对手，这些 竞争对手不仅拥有高水平的技术专长，还拥有几乎取之不尽 的融资潜力。 即使是领先的汽车制造商也难以依靠自身力量迎头赶上，因 此，他们越来越多地精心挑选，寻求与汽车行业和供应商行 业合作伙伴合作。 专家表示，如果合作不仅仅在财务方面，而是在全方位技术 推动上，那么，这种合作就是最有意义的。 未来，知识开发和交流将不再仅仅关乎汽车企业研发部门， 而是将成为企业整体成功和跨部门成功的决定性因素。 因此，要诀在于合作，而非对抗。 数字解决方案为实现这一目标铺平了道路。数字解决方案促 进了跨地区合作、加快了创新步伐、缩短了上市时间。 例如，现代产品生命周期管理（PLM）系统确保所有相关开 发人员均可访问同事的设计软件和流程计划。 比如说：如今的 PLM 系统（产品生命周期管理）保证了所 有参与的开发者都可以使用设计软件和其同事的流程计划； 可以共同明确开放性问题，可以将已经在其它地方尝试、测 试过的解决方案直接移植到新车中。 销售和 售后 6% 持续客 户参与 10% 供应链和物流 16% 数字 / 实体安全 17% 生产和运营 19% 设计和工程 32% 设计和工程占汽车制造商创新投资的三分之一 5 重新使用现有知识，节省了时间和金钱，加快了新车型上市。 目前，汽车制造商主要投资设计和技术创新 6。 但是，专家们认为，从长远来看，这是不够的：汽车制造商 不仅要测试他们的产品系列，还要将包括既定流程在内的整 个商业模式放入测试范围。从中期来看，整车制造商有可能 发展为交通提供商。 7 加速开发流程 罗森泰耐世隆： 将新理念变为现实 罗森泰耐世隆是电池、电缆和电线，及光纤制造技术领域的 国际供应商，罗森泰耐世隆凭借数字化双胞胎，仿真虚拟空 间中的新理念和工作流程，领先于竞争对手。 罗森泰耐世隆的电池机器业务部门产品在产量，质量和性能 方面达到了全新水平。 用于制造锂离子电池的新机器现在组成了制造单元矩阵，而 不是一系列相互关联的设备。 各个流程阶段各自实现了自动化，自动导向车（AGV）为电 池运输原材料和半成品。 这意味着它们可以灵活地增减产能，从而快速响应不断变化 的市场需求。 由于电动汽车发展蓬勃、锂离子电池需求增长迅速，这成为 电池制造领域的一项重要因素。 生产电池机器所需的时间也要短得多。罗森泰耐世隆有限公 司首席执行官 Siegfried Altmann 表示：“我们可以通过仿真， 跳过开发和制造流程中的整个阶段，更快地达到预期结果。” 另外，仿真整个流程可以创造出更高质量的产品，让产量提 高 25%。 请于此处查看案例研究。 “我们成功地在 12 个月内生产出了新一代产品，而以往可 能需要一年半到两年时间。” 罗森泰耐世隆有限公司首席执行官 Siegfried Altmann 瑞典 Uniti： “重新发明”电动汽车 瑞典 Uniti 在短短的两年时间里，通过有机、快速迭代的设 计流程和专注的创业心态，重新发明了电动汽车。 瑞典 Uniti 通过与西门子数字工业软件公司合作，从众筹初 创企业，转变成了数字化车辆设计、开发和制造领域的先驱。 显然，在设计过程的早期，西门子数字创新平台及用于设计 和成型（Realize Shape）概念建模功能的 NX™ 的软件会与 Uniti 自身的虚拟现实解决方案结合起来。 目的是推动团队的超高速设计和开发流程，通过这个流程， 在不到 4 个月内设计并建造了三个酷炫的众筹原型。 设计原型是一回事，但设计可供生产的车辆就是一项全新的 挑战了。 因此，车辆开发部总监 Sally Povolotsky 和她的团队采取了 早期原型设计，并通过完整的工程项目完成设计，推出了“1 号工作成果”，“1 号工作成果”是业界术语，指第一辆下 线的汽车。 目前，这支总部设在英国的团队处于可行性阶段，正在回顾 各个市场的现有数据，设计和立法。此后，团队将开始使用 西门子生态系统，创建工程级数字化双胞胎。 请于此处查看案例研究。 西门子生态系统就像一大盒给工程师的巧克力。可供选择的 绝佳工具非常多，包括：纤维混合复合材料设计 / 制作软件 Fibersim 软件；确保整体功能的 NX 工具；用于先进设计的 Simcenter 工具。” 瑞典 Uniti 车辆开发部总监 Sally Povolotsky 8 一切尽在掌握：让生产更加灵活 尽管人们认为，内燃机模式会被逐步淘汰，但在未来 20 至 30 年内，内燃机可能仍会在公路领域占据主导地位。专家 们甚至认为，内燃机全球销量可能一直增长到 20307 年。 但是，与此同时，对环境友好的替代品需求也在不断增长， 混合动力汽车和电动汽车所用的电驱动组件需求也随之增长。 据预计，从中期来看，由燃料电池驱动的氢动力汽车发展前 景也很广阔，这说明：未来几年汽车市场将如何发展仍需要 猜测。 但可以肯定的是，正在逐步从内燃机，转变到电动汽车。因 此，汽车公司需要为所有类型的驱动系统提供灵活、创新的 装配概念。 找到正确的平衡点 但如何才能做到呢？许多整车制造商和一级零部件供应商 现在都很关注这个问题。毕竟，只要还能赚钱，就没有人愿 意牺牲功能良好的产品。另一方面，在交通变革来临之际， 不要错过时机也很重要。 换言之，制造商和供应商必须在以正常产能继续运营现有生 产线的同时，为了生产电动汽车，开发新的业务领域和流程。 因此，主要的挑战是在传统核心业务和发展新能力之间取得 平衡。 换句话说，制造商和供应商必须为电动汽车的生产开发新的 业务领域和流程，同时现有的生产线继续以正常产能运行。 因此，主要的挑战是在传统核心业务和发展新能力之间取得 平衡。 一些公司正在建设新的生产设施（绿地），而另一些公司则 正在已建立的生产基地（棕地），建设额外的生产线。 由于参数和需求不同，很难说哪种推进方式正确。 乍看之下，在智能工厂建设新生产线似乎更容易，但这通常 也涉及到更高的成本。 专家估计，汽车制造商建立一家全新的工厂，要花费高达 13 亿美元，而在棕地建厂仅需 400 万到 740 万美元 8。 因此，采用个性化、经过深思熟虑的方式，规划自己的电动 交通之路更加重要。西门子汽车行业事业部等有能力、经验 丰富的合作伙伴可以为此提供重要助力。 可以用四个字母概括的特征变化：CASE 来源：SBD Automotive（www.sbdautomotive.com） 59% 48% 33% 110+ C A S E 始终在线 两种速度 混合模式 性能相当 行业关注领域 行业使命 互联 自动化 共享 电动 2020 年状态 向客户交付新数字体验，采用新方式利 用数据，简化运营 在短期内减少事故，在中期内帮助提高 出行效率，在长期内完全管控交通流量 利用车辆互联和共享经济，提供更加廉 价、更加有效的新客货运输形式，与此 同时，开拓新的营业收入来源 通过用电动汽车替代内燃机，减少对化 石燃料的依赖，提高空气质量 全世界配有内置连网及通 讯功能的新型车辆占 59% 全球达到 SAE1 级 1 自动化 水平的新型车辆占 48% 以 上（包括避免碰撞的解决 方案） 2019 年至 2020 年间， 欧洲、中国和美国的个体 BEV 车型增长 33% 中国、美国和欧洲的主要 共享移动服务超过 110 项 整车制造商普遍转向互联化， 为所有车辆寻找在整个车辆寿 命期间保持互联的途径 自有车辆逐渐按照 SAE 自动化 水平提升，而自动驾驶出租车 水平直接跃升到 4 级 很多制造商向服务供应商转 型，其它制造商仍是供应商， 自动驾驶开始对车辆所有权模 组产生重大影响 政府限制 IEC 销量；预计 EBV 价格和里程与 ICE 相当，受到 顾客普遍接受 10 年展望 SBD 跟踪了全世界 38 个市场，占汽车总销量 88% 以上 9 北汽新能源：数字化工厂的智能制造 作为中国电动汽车行业的领头羊，北汽新能源 2018 年销售 汽车 15.8 万辆，连续 6 年蝉联中国电动汽车市场销售冠军。 但是，仍有一些障碍需要克服，如补贴减少、竞争日益激烈。 公司如何开拓中高端市场？如何保持市场领先地位？ 北汽新能源青岛汽车基地总经理王庆洲说：“我们希望加强 品牌效应，提高产品质量，生产出更能满足市场需求的汽 车。” 但是，只有通过不断提高数字化研发、制造和管理能力，才 能实现所有这些目标。 西门子的集成硬件和软件解决方案，及专门为汽车行业设计 的 SICAR 标准都为北汽新能源在青岛建设集团首个新能源 汽车量产基地，提供了帮助。 这也为建立数字化工厂奠定了坚实的基础。 青岛基地占地 1,600 余英亩，自 2015 年底投产以来，一直 发展迅速。 这里生产了 EC 和 EX 系列车型，完成了从铁皮到成品的整 个生产流程。 西门子在生产线的建设阶段，帮助北汽新能源建立了数字化 双胞胎的装置和设备。 采用虚拟调试技术创建整个生产线的虚拟仿真，以便在实际 建立项目之前进行必要的调试和校正。 请于此处查看案例研究。 “在与西门子合作的过程中，我们不仅受益于西门子的解决 方案，还受益于附加价值，包括标准化和敏捷式软体开发， 及数字化思维。” 北汽新能源数字化、流程和 IT 部总监 刘伟霞 10 保时捷： 柔性生产线桥接两个世界 保时捷主厂位于祖芬豪森，主厂的新生产线遇到了特殊的挑 战。TaycaneCar 车型的生产设施是在最短时间内，在现有 工厂中建造的，与全速运营的跑车生产线并行。 祖芬豪森的主厂代表了保时捷的传统，是从保时捷 Taycan 开始，走上电动汽车道路的起点。 但新建设因现有建筑，受到了严重的空间限制，不得不部分 削减。 因此，当时的惯例是高层建筑。但是，为了尽量减少对斯图 加特气流的影响，祖芬豪森的建筑还有高度限制。 结果，形成了独特的制造理念，理念倡导尽量利用每一层楼， 一厘米的高度也不浪费。 为了达到必要的灵活性，保时捷决定不使用固定传送带，而 是选择了一种高度灵活的系统，包括采用了西门子技术的自 动导向车（AGV）。 用 FlexiLine 来按照实际需要调整运营周期，例如，停下自 动导向车，执行自动化任务，然后加速自动导向车，进入下 一个处理站。 车辆装配过程中应用了西门子的传送带技术解决方案。 除了自动导向车和门传送带系统以外，还使用了倾斜 EMS 吊架，以确保符合人体工程学的工作条件。 这样，车身可以双向旋转 110 度，便于保时捷员工可以轻 松拿取所有部件。 请于此处查看案例研究。 “祖芬豪森是保时捷品牌的核心和灵魂。在祖芬豪森市中心 建立这样的一家制造厂本身就是一项重大挑战。” 保时捷公司执行董事会成员 Albrecht Reimold 本报告来源于三个皮匠报告站（www.sgpjbg.com）,由用户Id:660749下载,文档Id:712643,下载日期:2025-06-11 11 切中要害： 提高效率 气候变化、贸易战、销量下滑、投资积压：在新冠病毒危机 之前，汽车行业已经面临了众多挑战。 但是，随着全球新冠肺炎疫情爆发，汽车业更是雪上加霜： 专家们认为，在最坏的情况下，未来几年，汽车市场崩溃或 达 40%9。 汽车制造商的销售回报率（尤其是最初高电池成本导致的） 可能平均下降 2 到 3 个百分点 10。 因此，现在优化成本变得更加重要了，但决不能以牺牲急需 的新技术投资为代价。 问题在于，要通过工业标准和自动化生产流程，提高整体 效率。 与此同时，业界正在撸起袖子加油完成这项任务：大约 70% 的制造商将智能工厂计划列入了议程。 几乎两家供应商中就有一家（44%）计划在未来五年内建立 智能生产流程 11。 标准化降低了生产成本 为什么标准如此重要？原因很简单：汽车生产极其复杂，从 车型设计、开发到制造、检验、测试和服务。 如果没有标准化，可能无法装配部件，还会导致不必要的问 题。对此，必须在早期阶段采取对策。 而且，标准化是数字化不可缺少的基础。标准会形成具有可 复制、可比较元素的环境，具有统一、透明的数据结构。 这是建立高效工程流程（如自动软件生成和虚拟调试）的坚 实基础，是稳固的数字化双胞胎概念，其模型体现了实际安 装和互联的物联网环境 为了提高效率并为面向未来、敏捷、灵活的制造流程铺平道 路，智能自动化解决方案必须是通用的 - 从控制系统、驱动 系统、控制面板，到外围设备和传感器。 行业标准确保在生产过程中，所有环节无缝契合。 这不仅减少了人力劳动，而且还激发了巨大的节约潜力。 高效工程 工业物联网 数字化双胞胎 数字化 标准化 可复用的功能块 透明的数据 可比较的组件 经验表明，标准化可将汽车平均制造成本降低一半。 不用惊讶：制造成本降低了，新设备调试加快了，生产线可 在世界范围