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核心速览
本文围绕生态设计与生态创新展开，重点探讨了其在汽车行业的应用，包括相关政策法规、生态创新概念与驱动因素、电动汽车等生态创新产品案例、汽车智能工厂等组织生态创新、数字化转型、AI应用、数字孪生、可持续材料、3D打印、自动驾驶、V2X通信、行业颠覆趋势以及所需技能等内容。
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可持续政策、法规和工具
- 环境行动纲领至2030年
：2022年5月2日，第八个环境行动纲领生效，作为欧盟到2030年的环境政策共同议程。其长期愿景是到2050年，欧洲人在行星边界内生活良好，建立福祉经济，实现增长再生、气候中和、减少不平等。2030年有六大优先目标，包括实现2030年温室气体减排目标和2050年气候中和、增强适应能力等，还需满足如全面实施现有立法、显著减少欧盟物质和消费足迹等赋能条件。 - 生态创新行动计划（Eco-AP）
：作为“资源高效欧洲”旗舰及其路线图的主要组成部分，旨在促进向绿色经济转型，创造和强化对生态创新及相关投资的需求。主要内容包括示范项目和创新伙伴关系、通过政策法规改善市场条件、开拓全球市场、支持生态创新技能发展、改进指导计划等。 - 循环经济行动计划
：2020年3月11日，欧盟委员会通过新的循环经济行动计划，作为欧洲绿色协议的主要组成部分。旨在通过全产品生命周期的措施，使欧盟经济为绿色未来做好准备，增强竞争力，保护消费者权益。措施包括使可持续产品成为欧盟常态、赋予消费者权利、关注高资源使用和高循环潜力部门、确保减少浪费等。 - 可持续产品生态设计法规
：2023年5月，欧洲理事会通过关于建立可持续产品生态设计要求框架的法规立场。新法规将取代2009年指令，扩大范围至几乎所有欧盟市场上的商品，建立数字产品护照，规定关于某些未售出消费品的透明度和销毁禁令等。有减少产品生命周期负面环境影响、提高可持续性等四大目标，预计能带来温室气体排放节省等效益。 - 自下而上的工具
：包括车辆的延伸生产者责任（EPR），要求生产者对报废车辆的妥善处置负责，全球汽车行业每年约产生1200万吨废物，EPR通过建立收集中心等方式减少环境影响；产品环境足迹（PEF），基于生命周期评估（LCA）方法，是欧盟衡量产品环境绩效的倡议，处于过渡阶段，包含方法论和数据库两部分；生态创新记分板和生态创新指数，从投入、活动、产出、经济成果、环境成果五个领域衡量欧盟成员国生态创新绩效；ASEM生态创新指数，由亚欧会议（ASEM）相关机构提出，旨在支持中小企业生态创新增长；EMAS（生态管理和欧洲审计），是欧盟为企业和组织开发的环境管理工具；欧盟生态标签，用于识别生命周期环境影响低的产品和服务。
生态创新和生态设计迈向循环经济
- 生态创新的概念、作用和功能
：生态创新概念较新，首次出现在1996年相关著作中，不同机构如欧盟委员会、生态创新观察站（EIO）、经济合作与发展组织（OECD）等对其有不同定义，强调通过减少环境影响或更高效负责地利用资源实现可持续发展等。其与环境技术、生态效率等概念相关，是宏观层面可持续发展的关键前提，影响组织和消费者实践。 - 生态创新的关键机制
：包括修改（对产品和流程的小调整）、重新设计（对现有产品、流程和组织结构的重大改变）、替代方案（引入可替代其他产品的商品和服务）、创造（设计和引入新产品、流程、程序、机构和组织）。 - 生态创新的类型学
：可分为环境技术（污染控制技术、清洁工艺技术等）、环境组织创新（引入处理环境问题的组织方法和管理系统，如污染预防计划、环境管理和审计系统、链管理）、提供环境效益的产品和服务创新（新的或环境改进的材料产品、新材料、绿色金融产品等）、绿色系统创新（比现有系统更环境友好的替代生产和消费系统）。 - 生态创新策略
：是制造企业为实现以环境、绿色和可持续为导向的创新而采取的一系列行动和承诺，需综合考虑产品、流程、商业模式、营销和组织创新等方面。在生产周期中，生态创新可分为创造具有全新生态参数的产品、使用更少能源和原材料生产相同生态参数产品、产品和生产技术均为生态创新这三类。 - 生态创新的决定因素
：可分为外部驱动因素（合作协议、环境法规等）、内部驱动因素（研发投资、长期成本节约等）、外部障碍（市场不确定性、投资回报期长等）、内部障碍（缺乏财务资源、合格人力资源等）以及结构特征（公司规模、年龄等），不同因素与生态创新存在正负相关关系。 - 采用生态创新迈向循环经济的驱动因素
：循环经济有设计无废、保持产品/材料在使用中、再生自然系统三大关键原则。生态创新被视为向循环经济转型的关键推动力，分为“硬件”（将废物转化为资源的技术和技术基础设施）和“软件”（使转型成为良好商业机会的技能、经验和商业模式）。驱动因素包括政府/机构（法规和规范压力等）、管理和组织（采用认证等）、利益相关者和客户（宣传/需求等）、消费者行为和文化/员工满意度（意识/负责任消费等）等类别。 - 循环产品设计的基本原则
：循环产品设计是实施循环经济原则的初始关键阶段，有选择材料、使用材料、材料循环性等十大基本原则。实施时需考虑使用易再生资源、实现资源高效利用等多方面，为私营部门带来创新和发展机会。 - 汽车公司的环境战略愿景
：通常基于无废生产技术、减少全生命周期排放、减少燃料消耗和使用替代推进源、更换不可回收材料、减少生产过程中的能源和水消耗等关键目标。汽车生产对环境的影响主要形成于投入、运营、产品三个阶段。 - 汽车行业的生态创新动态
：汽车行业是现代社会的重要组成部分，但也因环境危害和非可再生资源密集使用带来负面影响。其价值链传统上由少数原始设备制造商主导，技术体系基于内燃机等主导设计。如今面临燃油价格上涨等挑战，正聚焦生态创新，未来汽车将具备电动化、自主化、共享化、互联化和年度更新等特征。 - 循环汽车价值与效率
：“循环汽车”采用全产品生命周期的循环流程，最大化对社会、环境和经济的价值，其价值通过提供移动性的能力衡量，效率通过碳排放等衡量。有碳效率（生命周期二氧化碳排放 per 乘客公里）和资源效率等主要衡量指标，可通过维修、再利用等方式延长电动汽车使用寿命，Accenture提出基于碳和资源效率的五级循环分类法。
生态创新——电动汽车案例
- 电动 mobility 基础
：“电动 mobility”指所有依靠电能驱动的车辆，包括电池供电车辆、混合动力车辆或燃料电池车辆。电动汽车是现有环保车辆中最具代表性的品种，不使用化石燃料。据Bloomberg NEF 2019年报告，到2040年全球30%的汽车将是电动汽车。现代电动汽车具备诸多优势，全球众多国家制定严格法规推动向“零碳时代”迈进，汽车制造商积极研发应对。 - 电动 mobility 的优势
：电动驱动电机比内燃机噪音小，车辆行驶时无有害排放或温室气体排放，若使用可再生能源充电可实现二氧化碳零排放；未来拥堵市中心可能设为零排放区，高压车辆可通行；电动驱动电机坚固且维护需求少，机械磨损小；效率高达96%，远高于内燃机的35–40%；具有出色的扭矩和输出特性，从静止状态就能产生最大扭矩，加速更快；传动系统设计更简单，无需多种传统车辆部件；制动时电机可作为发电机为电池充电（再生制动）；可在家、停车场等通过标准充电接口充电；仅在用户需要时提供能量，在红灯停车时电机不运行，在拥堵交通中效率高；除电动驱动电机的减速箱外无需润滑油。 - 电动汽车的缺点
：由于电池尺寸和构造，续航里程有限；高压电池充电时间因电池电量和电源而异，可能较长；电动充电站网络稀疏；若目的地超出续航里程，驾驶员需规划行程，考虑充电地点。 - 电池电动汽车（BEV）类型的工作原理
：当驾驶员启动汽车时，高压电池中的电力启动车辆，系统进入待机状态；踩下油门踏板时，电机旋转并产生最大扭矩，然后EV变速箱根据电机特性将动力传递给车轮。主要部件包括PE系统（电机、EV变速箱、逆变器）、车辆充电管理系统（VCMS）、集成充电控制单元（ICCU）、车辆控制单元（VCU）、高压电池、400/800V多充电系统等。踩下踏板时，控制器从电池和逆变器获取并调节电能，逆变器根据踏板压力向电机发送一定量的电能，电机将电能转化为机械能，驱动车轮转动。 - 电动汽车的类型
：主要有四种类型，分别是电池电动汽车（BEV），完全依靠电池和电动传动系统运行，无内燃机，通过电网充电；混合动力电动汽车（HEV），同时拥有内燃机和电动马达，电池只能通过内燃机、车轮运动或两者结合充电，无充电端口；插电式混合动力电动汽车（PHEV），有内燃机和马达，可使用常规燃料或替代燃料，电池可通过外部电源和再生制动充电，通常至少有纯电动模式和混合动力模式；燃料电池电动汽车（FCEV），利用“燃料电池技术”产生运行所需电力，通过氢和氧的化学反应直接将燃料的化学能转化为电能。 - 电池电动汽车（BEV）
：也称为全电动汽车（AEV），完全依靠电池和电动传动系统运行，无内燃机。其组件包括电动马达、逆变器、电池、控制模块、传动系统。工作原理为电池的直流电转换为电机的交流电，加速器踏板向控制器发送信号，控制器通过改变逆变器向电机输出的交流电频率来调节车辆速度，电机通过齿轮连接并转动车轮，制动或减速时电机变为交流发电机产生电力回充电池。例如大众e-Golf、特斯拉Model 3等。 - 混合动力电动汽车（HEV）
：常被称为标准混合动力或并联混合动力，同时拥有内燃机和电动马达，内燃机从燃料获取能量，马达从电池获取电力，两者同时旋转变速箱驱动车轮。与BEV和PHEV的区别是HEV的电池只能通过内燃机、车轮运动或两者结合充电，无充电端口。组件包括发动机、电动马达、带控制器和逆变器的电池组、油箱、控制模块。工作原理为有向发动机供应气体的油箱，也有驱动电动马达的电池组，发动机和电动马达可同时转动变速箱。例如本田思域混合动力车、丰田普锐斯混合动力车等。 - 插电式混合动力电动汽车（PHEV）
：是一种同时拥有内燃机和马达的混合动力车辆，常被称为串联混合动力，可选择燃料，由常规燃料或替代燃料以及可充电电池组提供动力，电池可通过电源插座或电动汽车充电站充电。通常至少有纯电动模式和混合动力模式，部分PHEV纯电可行驶超过70英里。组件包括电动马达、发动机、逆变器、电池、油箱、控制模块、电池充电器（若为车载型号）。工作原理为通常以纯电动模式启动，依靠电力运行直至电池组耗尽，部分车型在达到高速公路巡航速度时切换到混合动力模式，电池耗尽后发动机接管，车辆作为常规非插电式混合动力车运行，除外部充电外，还可通过内燃机或再生制动充电。例如保时捷Cayenne S E-Hybrid、雪佛兰Volt等。 - 燃料电池电动汽车（FCEV）
：也称为燃料电池车辆（FCV）或零排放车辆，利用“燃料电池技术”产生运行所需电力，通过氢和氧的化学反应直接将燃料的化学能转化为电能。组件包括电动马达、燃料电池堆、储氢罐、带转换器和控制器的电池。与BEV有相似组件，但主要能源来源不同，BEV使用电池存储的能量，FCEV使用燃料电池，燃料电池在诸多方面优于电池，适合中大型和长距离车辆。工作原理为使用低温燃料电池从氢产生电力，电力用于驱动车辆或存储在储能设备中，燃料电池通过化学反应发电，不燃烧燃料，几乎不产生污染物，副产品是水。例如丰田Mirai、现代途胜FCEV等。 - 现代汽车的绿色技术车辆
：现代汽车在“蓝色驱动”战略指导下推出多种绿色车型，包括混合动力电动汽车（HEV）、插电式混合动力电动汽车（PHEV）、零排放电池电动汽车（EV）和燃料电池电动汽车（FCEV）。HEV结合内燃机和电动马达，实现更好燃油经济性；PHEV是先进混合动力车辆，电池寿命和能量密度更高；EV使用电动马达和可充电高密度电池推进；FCEV通过燃料电池堆结合氢和氧原子产生电力，零尾气排放。 - 高效节能轮毂电机
：轮毂电机系统使每个车轮内配备的电动马达能够独立驱动和制动，是未来导向的环保系统，无需内燃机、变速箱或传动轴，电机和制动器安装在每个车轮上，最大化能源效率和 cabin 空间。德国、日本和美国的汽车制造商也在开发该系统，现代曾通过概念模型展示。 - 创新技术：电子全轮驱动系统
：现代的HTRAC是一种电子全轮驱动系统，可根据驾驶条件自由分配前后轮的牵引力，提供动力和稳定性，增强驾驶乐趣或帮助应对复杂路况。 - 动力总成的生态创新
：发动机方面，现代汽车致力于研发日常使用中高效的发动机，如Tau发动机、Lambda发动机、Theta发动机、Nu发动机等，注重性能、效率和清洁排放的平衡；变速箱方面，有8速自动后轮驱动变速箱和7速双离合变速箱（DCT），分别在燃油经济性、动力性能和排放等方面有优势。 - 电子控制系统
：更好的燃油效率、安全性、便利性和更严格的排放控制只能通过电子控制系统实现，汽车采用的电子设备越来越多。汽车半导体可靠性要求极高，对温度、产品寿命等要求比消费或工业领域严格，需要深入理解电路和半导体器件。 - 电子控制单元
：电子控制单元（ECU）是嵌入式系统，控制车辆的各种功能，如发动机管理、变速箱控制等，充当车辆的“大脑”，处理和解释来自各种传感器的数据以优化车辆性能等。常见类型包括发动机控制模块、变速箱控制模块等，消费者对数据安全日益重视。 - 电动汽车充电站的设计
：应对电动汽车革命中的安全、效率和可靠性三重挑战是关键。 - xEV的无线充电
：电动汽车或插电式混合动力汽车的无线充电已成为可能，通过地面发射线圈和车内接收线圈之间的磁感应传输电力，是实现无电缆电动 mobility 的关键一步。有多家公司和机构在研发相关技术，如高通的Halo技术、Electreon的动态无线充电技术等，具有自动“免提”充电等优势。
组织生态创新——汽车智能工厂
- 奥迪全球生产数字化
：奥迪的“汽车计划2025”（AI25）是其数字化努力的一部分，目标是创建数字工厂转型和可持续创新的全球专业知识网络，内卡苏尔姆工厂作为试点工厂和现实世界实验室发挥关键作用。奥迪正全力推进生产数字化，在全球五个自有生产设施的规划、装配等多个领域应用3D打印、5G等技术，奥迪生产实验室（P-Lab）在开发前瞻性项目方面发挥关键作用。 - 雷诺：未来制造工厂
：雷诺集团的工业4.0生产工厂有四大关键举措驱动数字化转型，包括实时供应管理、实时供应管理（重复内容，原文如此）、持续可追溯性、数据用于规划。雷诺集团推出了汽车行业首个工业元宇宙，100%的生产线设备已连接，每天收集超过10亿数据，工业元宇宙是物理工业生态系统的数字副本，通过四个维度实现生产效率提升和工业碳足迹减少。 - 大众集团的数字化生产
：奥迪是大众集团数字战略的一部分，大众正在构建“工业云”，其技术核心是数字生产平台（DPP），未来将汇集和分析全球工厂的机器、生产线和系统数据，各站点可从工业云下载应用程序，内卡苏尔姆和英戈尔施塔特是首批连接的奥迪站点，大众还计划创建工业应用 marketplace。 - 5G技术在生产中的机遇
：高性能实时响应网络基础设施对未来敏捷灵活的生产环境至关重要，奥迪专注于在智能生产流程中使用5G技术，5G具有高速数据传输、低延迟、高可靠性等优势，可无线连接大量工业设备。奥迪已启动多个试点项目，如使用5G的自动引导车，并在英戈尔施塔特使用5G校园网络。5G还能实现车辆内的新功能，如车对车实时通信、空中软件更新等，5GAA协会正推动汽车行业新标准的开发。 - 3D打印在生产中的应用
：奥迪在生产过程中使用数字3D打印已有20多年，最初主要用于制作视觉模型，近年来用于生产工具和车辆模型的组件比例显著增加。英戈尔施塔特的金属3D打印中心专注于使用激光熔化工艺生产复杂钢和铝部件等，内卡苏尔姆的塑料3D打印卓越中心与生产部门合作设计定制装配辅助工具，3D打印在奥迪e-tron GT1的大批量生产准备中得到应用。 - 预测性维护：传感器和应用程序如何彻底改变奥迪的维护
：公司范围内的“预测性维护”旗舰项目提高了内卡苏尔姆工厂车身车间生产设备的维护效率，减少了停机时间。特殊传感器技术检测塑料软管的磨损痕迹，几乎消除了系统突然故障，维护工作可在非生产时间进行。奥迪的维护人员还得到“iMaintenance”应用程序和“Audi Mobile Maintenance”应用程序的支持，提高了透明度和效率。 - RFID在生产和物流中的应用
：奥迪内卡苏尔姆工厂是大众集团首个在整个生产过程中使用射频识别（RFID）技术进行数字车辆识别的汽车工厂，每辆奥迪在车身车间的第一个生产步骤中就会获得一个RFID标签，伴随车辆直至交付，芯片包含唯一识别号，可获取车辆重要信息，保证车辆按配置生产，“RFID on metal”标签在奥迪e-tron GT1生产中使用，车辆物流等领域也受益于此技术。 - 机器学习和人工智能提高生产质量
：为保持高产品质量，奥迪跨职能团队利用人工智能视觉检测质量缺陷，基于深度神经网络的算法模拟人类检测能力，在英戈尔施塔特冲压车间通过多个摄像头拍摄新生产的深冲零件图像，算法实时评估，识别缺陷后发出视觉信号，该方案正为大规模生产完善和增强，VW Vision Workbench（VW²）集团平台为其提供技术基础。 - 虚拟现实支持数字化生产规划
：奥迪e-tron GT1是首个完全通过虚拟方式测试装配和物流流程的车型，借助三维建筑扫描、机器学习和虚拟现实等创新技术，所有装配序列和相关物流流程在虚拟空间中测试和优化，3D扫描创建生产设施的虚拟图像，员工可在虚拟房间中协作，虚拟规划和生产准备已在各地点使用，减少了商务旅行。 - 培训在转型过程中的重要性
：奥迪未来不仅依赖技术，还注重人与机器的最佳连接，创新技术支持生产中的员工，减轻体力劳动等。奥迪通过各种项目为员工提供数字任务培训，如3D打印培训、使用VR耳机进行培训等，奥迪学院提供数字化领域的广泛培训课程，为员工未来做好准备。
汽车行业的数字化转型
- 数字线程的好处
：数字线程在数字和物理世界之间创建闭环，优化产品、人员、流程和场所，跨越公司内部乃至延伸到供应商、客户等的整个产品生命周期，带来工程卓越、制造效率、产品和服务创新、服务优化、销售和营销体验等方面的好处。 - 汽车数字化转型的好处
：从长远来看，数字化转型带来诸多好处，包括简化汽车制造中的供应管理并促进供应链连接、创新车辆性能和设计、通过汽车零部件或供应销售拓展新市场、在销售和客户关怀中提供全渠道体验、提供售后支持并监控客户满意度。 - 物联网在汽车行业的应用
：物联网在汽车行业的应用几乎无穷无尽，汽车行业领导者可利用物联网解决方案提高车辆效率并减少产品对环境的影响。物联网是描述在线通信的设备网络，实现汽车中电子设备等的相互通信和与其他在线连接车辆的通信。汽车行业利用物联网技术开发了多种解决方案，如联网汽车解决方案、ADAS等，物联网连接等改变了我们与汽车的交互和使用方式，提高了性能、降低了成本、促进了设计中的质量控制。其应用包括驾驶员和车队管理、车辆实际远程信息处理、蜂窝车对一切（CV2X）、基于物联网的预测性维护、车载信息娱乐系统等。 - 物联网技术助力汽车行业可持续发展的方式
：包括使用物联网传感器跟踪车辆位置和监控驾驶员行为，优化路线，减少汽油消耗和交通拥堵时间，如Astrata Europe的VanLinc解决方案；实现预测性维护，安装在车辆中的物联网传感器监控各种部件和系统状态，让车队经理或制造商预测机械问题，如Scania Trucks利用物联网传感器跟踪车辆数据进行远程诊断；创新实用的电动替代品，为电动汽车充电 station 提供物联网连接，如德国IONITY在欧洲建设充电网络，利用蜂窝物联网连接提供位置信息等，促进电动汽车的选择，减少二氧化碳排放；物联网连接为汽车行业环境可持续性提供了有价值的工具，结合AI和预测分析，为驾驶员提供车辆性能的精确图像，提高传统车辆效率，减少排放，影响消费者选择。
人工智能在汽车行业的用例
- 汽车人工智能
：人工智能是计算机科学中最先进的技术之一，与人类智能有相似特征，汽车行业是使用人工智能增强和模拟人类行为的主要行业之一，ADAS等标准的出现和对便利功能需求的增长吸引汽车供应商采用人工智能。 - 利用人工智能减少碳排放和成本
：随着世界多个城市空气质量指数超出警戒水平，控制或改善汽车排放水平和减少整体碳足迹成为趋势。BCG研究表明，到2030年，将人工智能应用于企业可持续性可增加1.3万亿至2.6万亿美元的节省和收入。车辆公司需采用人工智能驱动的数据工程进行自动排放跟踪，收集价值链中的运营活动数据等。人工智能在减少碳足迹方面可通过自动跟踪排放、预测排放、减少排放等方式发挥作用。 - 数字企业
：受益于工业4.0的机遇，加速数字化转型以成为数字企业，数字企业通过结合现实和数字世界，收集、理解和利用工业物联网（IIoT）中产生的大量数据，应对地缘政治紧张等挑战。例如西门子Xcelerator是一个开放的数字业务平台，通过数字孪生方法整合产品和生产的生命周期，实现产品和生产的持续优化。 - 数字线程在行动
：现实世界的企业正在利用数字技术并创造业务价值，如沃尔沃CE从PDM转向PLM，VCST创建从工程到制造的数字连续性，Groupe Beneteau利用数字线程推动创新，沃尔沃集团利用数字线程优化质量保证流程。 - 全产品生命周期的工程数据
：要成功将分析应用于数字线程数据，公司必须将整个过程视为一个系统，而不是一系列独立功能。软件可以数字化产品生命周期的各个阶段，连接后形成数字线程，实现实时洞察，提高效率，优化成本。 - 发动机和车辆设计的数据分析
：汽车公司希望将车辆数据用于现实世界排放等重要应用，处理这些大型工程数据需要能够处理数据量、多样性和速度的系统，包括在生产环境中部署灵活、可扩展的算法，如使用MATLAB®提取关键见解，理解现实世界的制动比油耗等。 - 可持续模拟 - ANSYS
：ANSYS开发、营销和支持工程模拟软件，用于预测产品设计在现实环境中的行为，不断推进模拟解决方案。Ansys Mechanical是一个集成平台，使用有限元分析（FEA）进行结构分析。基于新的第三代AMD EPYCTM处理器的高性能计算（HPC）基础设施可提高生产力和效率，与竞争环境相比，在AMD EPYC平台上运行Ansys CFX可减少能源消耗和碳排放。 - 推动制造业创新
：制造商在应对疫情后的经济和社会政治逆风时，难以维持或重新获得竞争优势，客户需求增加、产品变得更智能复杂，先进的计算机辅助工程（CAE）模拟对于快速将优质产品推向市场至关重要。设计可持续性、人工智能和机器学习工作负载以及改善世界环境和社会足迹的愿望给工程生产力和计算密集型资源带来压力，这些趋势推动了创新需求。 - 元宇宙
：GridRaster Inc.的调查显示，企业级企业和制造商有兴趣在运营中利用元宇宙，IT领导者正在构建元宇宙，知识工作者和事物由“数字孪生”代表，人们在虚拟世界中通过虚拟存在进行交流、协作和分享。公司将构建沉浸式虚拟空间，员工可通过数字孪生进行各种形式的协作。
数字孪生
- 数字孪生概念
：数字孪生概念由Michael Grieves于2002年首次公开提出，后被John Vickers在NASA的报告中称为“数字孪生”。其由物理对象或过程及其物理环境、数字表示、物理和虚拟表示之间的通信通道三部分组成，连接包括信息流和数据，通信连接称为数字线程。国际系统工程师理事会和美国国防部对数字孪生有相关定义。 - 数字孪生的每个阶段
：包括生产前孪生（设计概念阶段的“按规格”孪生和详细设计阶段的“按设计”孪生）、生产后孪生（生产阶段的“按构建”孪生和“按制造”孪生，以及创建智能数字孪生优化电池性能）、在役系统孪生（“按维持”孪生，处理在役系统的预测分析和维护）、灵活、开放和连接的平台（数字孪生集成平台的核心是灵活、敏捷和 vendor 无关的软件功能）、使用增强/虚拟现实进行设计。 - 汽车企业实施数字变革的一些方式
：汽车行业在产品创新、运营变革和客户改进方面有许多优秀的数字化转型例子，如特斯拉利用人工智能和大数据，沃尔沃Polestar品牌在线销售，宝马在雷根斯堡工厂部署物联网平台，大众与基于AR的应用程序开发人员合作，TruPar实现电子商务等系统集成。
汽车行业的可持续材料
- 使用回收和可回收材料/二次生命设计可持续车辆
：循环经济中，生态设计即使用可再生、可持续和可重复使用的资源，汽车行业面临巨大挑战，如雷诺集团设计使用回收和可回收材料的可持续车辆，为电动汽车电池寻找二次生命。理论上，商业可用、有可用制造技术且满足性能要求的材料可用于制造车辆部件，汽车行业正转向更可持续的资源，如软木、椰子纤维等，除了电动化，汽车中的产品也很重要。 - 汽车行业塑料消费趋势
：塑料在汽车设计和制造中作用重要，受严格法规和消费者习惯变化驱动，对更实惠、轻量化和燃油效率高的车辆需求增加。目前车辆约有30,000个零件，其中1/3是塑料，使用约39种基本塑料和聚合物，70%以上来自四种聚合物。塑料因轻量化等趋势需求增长，具有高吸收性能等优势，但也面临材料排放问题，咨询公司麦肯锡估计到2040年汽车行业60%的排放将来自生产中使用的材料。 - 电动汽车对聚合物消费的影响
：电动汽车的出现和快速增长是评估汽车前景和聚合物需求的关键问题，尽管全球电动汽车数量仍较低，但在监管激励等支持下势头显著。电动汽车设计与传统内燃机车辆差异主要在引擎盖下的材料设计和使用，随着电动汽车市场渗透率提高，聚碳酸酯（PC）消费预计增长更快，工程聚合物在发动机传输中的应用更普遍，但行业强调轻量化导致部件更小更轻，电池组轻量化是重要趋势。 - 聚合物需求模式的变化
：近年来聚丙烯（PP）和聚氨酯（PU）等塑料消费增长被工程塑料消费下降部分抵消，PP和PU约占车辆塑料总消费的50%。工程塑料消费预计下降，聚酰胺将用于电动汽车的电池支架和外壳，PP需求将继续增长，PE消费持平，ABS消费预计下降，聚碳酸酯需求增长受自动驾驶汽车传感器等新兴应用驱动。 - 虚拟传感器
：当今车辆充满电子设备和传感器，提供多种车辆状态信息，汽车传感器分为多种类别，如氧气传感器、燃油温度传感器等。目前每辆车约有60至100个传感器，预计未来数量会增加，但物理传感技术面临成本、寿命等限制，虚拟传感器提供了有价值的替代方案。雷诺-日产与Simcenter工程和咨询服务团队合作，使用人工智能方法合成虚拟传感器和控制器，为下一代动力系统做准备。
汽车行业的生态创新技术
- 环境技术
：环境技术指用于环境目的的工艺技术（包括能量转换技术）和测量技术，如污染控制技术、清洁工艺技术等，汽车行业整体开发了多种绿色技术以确保可持续性，降低对地球的负面影响，特斯拉是绿色技术创新的代表，推出了电动汽车和相关电池技术及电动动力系统。 - 用于混合动力车辆的创新双极镍氢电池
：丰田工业公司在新的 Ishihama 工厂建立了车载电池生产线，于2022年10月开始生产用于混合动力车辆的双极镍氢电池，新工厂预计月产能20,000台，与 Kyowa 工厂一起使总产能达到40,000台/月。该电池由丰田工业与丰田汽车公司联合开发，首次在丰田 Aqua 中使用，通过将阴极和阳极应用于集电器的两侧并堆叠形成电池，实现了小型化和更高输出，约为传统镍氢电池输出的两倍，将用于雷克萨斯RX和丰田皇冠等车型。 - 在发动机和驱动系统软管中开创性地使用生物合成橡胶
：丰田成为世界上第一家在真空传感软管（发动机和驱动系统软管）中使用生物氢橡胶的汽车制造商，该橡胶由与Zeon Corporation和Sumitomo Riko Co., Ltd.联合开发，使用植物衍生的生物材料代替常用的环氧氯丙烷。首批使用新真空传感软管的车辆于2016年5月生产，预计年底前在日本制造的所有车型中推广使用，计划将生物氢橡胶扩展到其他高性能橡胶部件，与传统石油基氢橡胶相比，估计可减少20%的材料生命周期碳排放。 - 生产更好、更便宜的锂离子电池阴极的新工艺
：橡树岭国家实验室（ORNL）工程师开发了一种生产更好、更便宜的锂离子电池阴极的新工艺，采用水热合成方法，使用溶解在乙醇中的金属结晶阴极，乙醇比氨更安全且可蒸馏重用，制造时间从几天缩短到12小时，生产的材料颗粒更均匀等，性能与当今钴基阴极相似，可无缝集成到现有电池制造流程，能提供更多能量并降低电动汽车电池成本。 - 高速电动汽车电机具有更高的功率密度
：新南威尔士大学（UNSW Sydney）开发的磁驱动电机显著减少了钕等稀土材料的使用，高速装置有望增加电动汽车的续航里程。该原型内置永磁同步电机（IPMSM）设计灵感来自韩国最长的铁路桥，实现了100,000转/分钟的速度，功率密度约为7千瓦/千克，采用新的转子拓扑结构，提高了鲁棒性，减少了单位功率生产中稀土材料的使用，无需使用高成本套筒，降低了制造成本。
3D打印在汽车行业的应用
- 3D打印概述
：3D打印技术，常称为增材制造，在许多行业得到应用，越来越多的公司采用这种未来赋能技术。增材制造是一种特定的3D打印过程，根据数字3D设计数据通过逐层沉积材料构建零件，与传统减材制造方法不同。其在许多领域和行业相关，可用于构建视觉和功能原型、中小批量生产，甚至越来越多地用于系列生产，具有加速产品开发和市场进入等优势。增长驱动因素包括开发更复杂高质量产品的能力等，也面临制造大型零件能力不足等挑战。 - 3D打印汽车零件
：3D打印在汽车行业的作用巨大，过去十年，更多汽车公司涉足3D打印领域，主要用于原型制作和测试阶段，如阿尔法罗密欧的F1团队3D打印比例模型进行风洞测试；用于工具、夹具和固定装置，如福特使用3D打印机制作工具等；用于为经典汽车更换过时零件，如3D打印Chevelle的车窗曲柄手柄等。 - 使用3D打印机的例子
：随着3D打印机变得更便宜、更快、更准确，更多行业找到其用途，汽车行业是过去十年中对3D打印机喜爱的行业之一，许多主要汽车公司使用该技术，如宝马、奥迪、福特等。SAUBER能更快地打印零件，宝马使用熔融沉积建模生产装配和测试手动工具，降低了重量；OEMs使用CAD软件设计零件并自行打印原型，节省时间和成本；通用汽车、克莱斯勒、福特等公司在设计、工程和制造过程中使用3D打印技术进行快速原型制作；三菱等公司是该技术的后期采用者。一些大型汽车制造商已将3D打印应用于生产手动工具等，福特将3D打印原型部件安装在运行的测试车辆上，节省时间和成本；克莱斯勒使用透明塑料3D原型化差速器和分动箱；宝马等OEMs使用金属3D打印技术；江森自控汽车座椅公司使用3D打印机打印复杂形状的金属零件；布加迪的八活塞整体式制动卡钳是世界上最大的功能性钛3D打印汽车零件；Czinger 21C在发动机舱等多处大量利用金属增材制造。 - 复杂结构的数字工厂解决方案
：Divergent Technologies Inc.推出了突破性的复杂结构数字工厂解决方案Divergent Adaptive Production System (DAPS)，这是一种模块化数字工厂解决方案，旨在改变汽车制造经济学和环境影响。该完全集成的软硬件解决方案和专利工艺结合了AI优化的生成式设计软件、3D打印和自动化组装，构建轻量化汽车零件和框架，采用数据驱动方法，可减少20%至70%的车辆重量，提高车辆效率。 - 动力系统的整体设计
：Hexagon的动力系统工程专家在电动汽车动力系统设计和开发方面有十多年经验，采用分析主导的系统工程方法，从一开始就确定和开发最佳整体解决方案，帮助工程团队了解设计决策对整个产品的影响，降低后期系统集成问题的风险。 - 3D打印对汽车行业的优势
：3D打印机在汽车行业有用的原因包括价格方面，制造小批量或一次性零件使用传统加工成本高，3D打印可降低成本；制造速度方面，3D打印零件更快，缩短了交货时间；迭代设计的便利性方面，原型设计阶段迭代多，3D打印可快速制作新零件；验证概念证明方面，3D打印成本低，便于测试想法；轻量化方面，3D打印设计自由度高，可实现零件轻量化；可打印整辆车方面，3D打印机可使用多种材料，除电气部件等外，可打印车身等，如Local Motors的Strati和EDAG的Light Cocoon概念车。 - 汽车3D打印中使用的材料
：塑料是3D打印常见材料，可制造大型零件；不锈钢具有高强度等特性，可3D打印且与原始不锈钢相同，可用于制造铸造模具；马氏体时效钢通常用于注塑模具，3D打印制造模具更便宜快捷；青石是稳定的工程纳米复合材料，适合汽车等比例模型的空气动力学或阻力原型制作。
自动驾驶
- 自动驾驶概述
：自动驾驶汽车是能够感知环境并在没有人类参与的情况下运行的车辆，人类乘客无需随时控制车辆，也无需出现在车辆中，能去传统汽车能去的任何地方，做有经验的人类驾驶员能做的一切。自动驾驶可能重新定义汽车世界，其系统是工程和数据科学中发展最快的领域之一，是传感和操作系统的集合，包括LiDAR、雷达等传感器和处理传感器数据的计算机，许多算法使用人工智能。 - 自动驾驶级别
：美国汽车工程师学会（SAE）J3016“驾驶自动化级别”标准定义了从0级（无驾驶自动化）到5级（完全驾驶自动化）的6个驾驶自动化级别，已被美国交通部采用。目前大多数商用车辆处于2级，具备车道监控等驾驶员辅助功能，向5级的发展由初创公司和大型汽车OEMs引领。预计到2025年，道路上将有约800万辆自主或半自主车辆，自动驾驶汽车在合并到道路之前必须经历6个级别的驾驶员辅助技术进步。各级别特点如下：0级为手动控制，可能有紧急制动系统等；1级为驾驶员辅助，有单一自动化系统，如自适应巡航控制；2级为部分驾驶自动化，有高级驾驶员辅助系统（ADAS），可控制转向和加减速，需人类随时接管；3级为有条件驾驶自动化，有“环境检测”能力，可自主决策，但仍需人类 override；4级为高度驾驶自动化，在大多数情况下无需人类交互，但有地理围栏限制，适用于 ridesharing；5级为完全驾驶自动化，无需人类关注，无方向盘等，可在任何地方行驶。
车对万物（V2X）通信
- V2X的机遇与挑战
：当前汽车行业对联网和自动驾驶车辆的兴趣增加，这些车辆具有诸多好处，车对万物（V2X）通信是这一发展的关键驱动力，允许车辆与其他车辆、行人、路边设备和互联网通信，可交换关键信息提高态势感知避免事故，提供对云信息的可靠访问。V2X包括多种连接类型和通信方式，其在4G中首次引入，但部署相对有限，受行业需求和4G基础设施准备情况等因素影响。3GPP Release 16引入NR-V2X，允许V2X服务访问5GS，Release 17增加了额外功能，5G将使连接成为交通的未来。 - V2X的应用和要求
：V2X应用涵盖广泛的用例，5G汽车协会（5GAA）将其分为安全、便利、VRU（弱势道路使用者）、高级驾驶辅助四类。V2X技术可解决传感器无法检测视线外物体的问题，通过无线通信实现车辆与其他设备的信息共享，提高驾驶员对潜在风险的认识，还能通过提供交通拥堵警告等提高交通效率，减少二氧化碳排放。V2V通信 segment 因关注安全措施，预计在汽车V2X市场中占最大份额，已有凯迪拉克CTS等车型配备V2X技术。V2X的采用仍处于早期阶段，市场增长的主要驱动因素是对交通污染的担忧和对安全、联网车辆的增长趋势。
汽车行业的颠覆
- 汽车行业趋势
：包括自动驾驶汽车（AVs）、车辆连接、电动化、共享 mobility、人工智能、大数据与分析、人机界面、3D打印。汽车物联网使用车辆上的传感器监控和收集车辆性能数据，OEMs可利用这些信息提高汽车的可靠性、合规性和安全性。西门子等公司支持客户实现碳中性的乘客和货运运输，利用节能产品和加速替代推进系统，通过生命周期管理策略增加资产价值，减少生态足迹。 - 数据和数字化可以彻底改变产品设计和开发
：飞机、铁路车辆和汽车上收集数据的传感器和数字系统数量迅速增加，改变了乘客和控制者的交通体验。人工智能等技术正在改变交通设备的基本运行方式，客户要求更定制化的设备和智能界面。数字化改变了工程师的设计和开发方式，提供了实时数据，允许通过数据算法进行改进，缩短了时间。运输设备制造商可像苹果或微软一样通过软件更新改进性能，面临预算现实时，工程部门需改变工作方式，将资金从传统研发转向数字领域。 - 设计和开发运输设备的趋势
：包括两种类型的工程师（需要人工智能等窄科学领域专业知识的工程师和系统工程师/架构师）、开放工程生态系统（外包从降低成本转变为获取新技能，涉及与科技初创公司合作）、利用产品数据优化设计（来自运输设备的大量数据为新工程举措提供支持）、以客户为中心的产品设计（工程公司与客户更紧密合作，利用客户反馈和驾驶习惯数据等）、项目数据管理和其他IT工具（如PDM工具可加速开发，缩短设计周期）、实施完全敏捷开发（软件采用敏捷流程，加快产品开发周期）。 - 开发数据驱动的工程和虚拟工程能力
：汽车OEMs正从基于经验的工程向数据驱动的虚拟工程转型，传统上OEMs基于工程师集体经验，利用测试车队等有限，现在需要采用数据驱动的工程和虚拟工程能力，以了解客户价值驱动因素，提高工程效率。实现这需要大数据基础设施和架构，包括数据骨干、后端或大数据堆栈等，以及机器学习算法和模拟技术，还有治理流程。 - 到2030年驱动汽车行业的七大基本趋势
：Oliver Wyman与德国汽车协会（VDA）合作的FAST研究确定了到2030年驱动汽车行业的七大基本趋势，由数字化、人工智能和机器学习推动，被称为“强大的七大行业趋势”，是变革性技术和不断变化的客户行为的完美风暴，挑战行业核心业务支柱。预计到2030年，汽车价值创造的形状将在横向、纵向和区域三个维度同时转变，将出现九种新的商业模式，供应商和车辆制造商需促进整体性能改进以抵消所需投资和吸收其他外部因素。
支持生态创新所需的技能、知识和能力
- 业务管理
：业务战略制定（定义战略目标、创建长期愿景）和业务模型创新（定义和测试可扩展、可重复的业务模型以帮助公司实现战略目标）是生态创新的两个关键方面。 - 特定行业知识
：是在提供生态创新服务的行业中的技术和商业知识，技术知识要求包括产品生产方式、涉及流程等的专业知识，商业知识要求包括产品主要市场、关键客户等的专业知识。 - 生命周期思维
：是一种定性方法，用于了解所做选择如何影响工业活动从原材料获取到制造、分销、产品使用和处置的生命周期阶段，有助于平衡权衡，对经济、环境和社会产生有效影响。 - 可持续设计
：将环境、社会和经济可持续性问题主动整合到产品开发过程中的方法，不损害产品的传统要求，如质量、成本和性能。 - 创造性思维工具
：帮助人们通过鼓励从不同方式和角度思考问题，识别创新机会和新的问题解决方案的方法。 - 创新管理
：提供支持创新实施的管理指导，如新产品开发（如构建开发流程）、引入新工作方式（引入可持续绿色采购系统）和新业务模型（如转向产品-服务系统）。 - 组织变革管理
：指导和支持组织内变革的实施，如新业务流程和结构，以及新的/适应的文化行为和社会规范。 - 市场营销
：旨在帮助公司了解应向市场提供何种产品，并向目标消费者传达产品的 benefits 和价值的一系列活动，关注产品、促销、价格和分销渠道。 - 技术转让
：中小企业往往缺乏开发突破性新技术的资源和能力，但可从公司外部开发的技术的采用和适应中受益，需要跨越不同部门、企业和研究机构的强大联系网络，以及良好的技术知识和对当地环境的了解。
总体结论
- 关键发现
：本文全面梳理了生态设计与生态创新在汽车行业的多方面应用，涵盖政策法规、概念驱动、产品案例、组织创新、技术应用、行业趋势及所需技能等。政策层面，欧盟的环境行动纲领、循环经济行动计划等为汽车行业生态创新提供了框架和方向；生态创新的概念、类型、驱动因素等理论基础，明确了其在循环经济转型中的核心作用；电动汽车作为生态创新产品案例，详细介绍了不同类型及其技术特点；汽车智能工厂等组织生态创新展示了数字化、3D打印等技术在生产中的应用；数字化转型、AI、数字孪生等技术为汽车行业带来效率提升和可持续发展机遇；可持续材料、3D打印、自动驾驶、V2X通信等技术创新推动汽车行业向绿色、智能方向发展；行业颠覆趋势和所需技能则指出了未来汽车行业的发展方向和人才需求。 - 重要性
：这些发现对于汽车行业实现可持续发展、应对环境挑战、提升竞争力具有重要意义。政策法规为行业发展提供了规范和引导，生态创新理论为企业实践提供了指导，各种技术创新和应用是实现绿色智能转型的关键手段，行业趋势和技能需求则帮助企业和从业者明确未来方向，有助于推动汽车行业向更环保、高效、智能的方向发展，为全球碳减排和可持续发展目标做出贡献。
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