电动汽车的峰值性能

作者:德国汉诺威大众汽车运动有限公司CAE部门负责人Benjamin Ahrenholz

对于世界各地的工程师来说，开发一款能参加派克峰国际爬坡赛的汽车是一项艰巨的考验。大众汽车运动工程师们决心制造一辆能与最好的汽车竞争的汽车，但他们只有不到一年的时间来生产、测试和比赛一辆全新的电动汽车。凭借决心、独创性和多物理场模拟，大众汽车团队不仅打破了电动汽车的记录，还打破了所有汽车的历史记录，包括内燃机驱动的汽车。

“谁能在九个月内从零开始设计一辆电动汽车?”

如果要从大众汽车(Volkswagen Motorsport)在2018年派克峰国际登山赛(Pikes Peak International Hill Climb)上令人惊叹的电动汽车表现中得到什么启示的话，那就是事情并不总是按计划进行。有时他们会更好地工作。

该计划于2018年6月24日举行的第96届世界汽车大奖赛开幕前9个月启动，计划在今年打破电动汽车的历史纪录，然后改进设计，并试图在明年打破内燃机汽车创造的总纪录。相反，赛车手Romain Dumas驾驶大众I.D. R派克峰赛车在12.42英里的赛道上以7:57:148的成绩在不到8分钟的时间内通过了156个急弯，不仅将电动汽车纪录打破了一分钟多，而且将总纪录打破了16秒多。

在如此短的开发时间内取得如此成功的结果，要归功于大众汽车公司全体员工的辛勤工作，以及Ansys的帮助，Ansys在电池组的设计和验证方面咨询了大众汽车，为汽车的胜利提供了动力。万博

发展电动汽车

大众高管在2017年决定，他们的长期战略将专注于生产和销售电动汽车作为乘用车，他们希望尽快大胆地展示这一承诺。不是2025年，也不是2020年，而是2018年。在寻找发表这一声明的地方时，他们注意到2018年派克峰国际登山赛(终点海拔14115英尺)原定于次年6月举行，时间很紧。谁能在九个月内从零开始设计一辆电动汽车?汽车运动团队习惯于每周更换汽车设计，因此这项任务落在了大众汽车运动身上。

车队决定采用法国诺玛汽车概念公司(Norma Auto Concept)设计的诺玛M20 (Norma M20)现有的单壳式赛车，从而省去了设计车身的需要。但是，通常装有内燃机的单壳式汽车，即使在卸下发动机的情况下，可供电池使用的空间也有限。而大众汽车在设计电池方面几乎没有经验。当Ansys团队提万博出使用仿真技术帮助设计和验证电池模块时，大众汽车接受了。

电池设计的挑战

六步仿真过程示意图

首先，电池模块必须储存足够的能量，以达到杜马斯在赛道直道上行驶所需的最高速度，同时确保在比赛结束时仍有剩余的能量。还没到终点就没电可不行。解决这一挑战涉及到电池的选择、电池组的尺寸、电池组的冷却和充电效率等问题。

优化这些参数是成功的关键。电池组必须适应底盘的可用空间，同时提供足够的电力。增加多余的电池模块会增加车辆的重量并降低速度。电池温度会影响可用能量的数量——充电状态(SoC)——因此确定是否需要空气冷却、水冷却或根本不需要冷却是很重要的。充电效率至关重要，因为比赛规则规定，如果跑步因任何原因而中断，比如野生动物穿过马路，团队必须重新开始，并准备在20分钟内重新开始。

六步模拟方法

利用Ansy万博s Twin Builder，大众汽车和Ansys团队进行了包括电气和热参数在内的六步多物理场仿真，以设计和验证电池模型。第一步是为单个电池单元开发等效电路模型(ECM)。ECM简化了复杂的电路以辅助分析。

工程师使用脉冲放电的测试数据来获得校准ECM所需的所有参数。第一步是在单个单元格上完成的，以验证单元格模型是否正确创建。如果有任何错误，验证将会揭示问题。工程师从第1步得出结论，ECM是SoC和温度的函数。Twin Builder对ECM的模拟速度非常快，只需几秒钟就可以模拟赛车在整个赛道上的一个完整驾驶周期。

步骤2将所有ECM细胞依次组合成ECM模块。

第3步涉及使用Ansys Fluent对电池模块的热特性进行计算流体动力学(CFD)模拟。万博运行CFD模拟是必要的，因为电池的电性能是温度的函数，并且需要一个热模型和ECM来预测电池温度。

ECM的双构建器模拟速度非常快。

用于电池模型的完整CFD分析的仿真模型通常非常大。在这种情况下，在输入拟议的电池模块和外壳的几何形状并执行网格划分过程后，工程师们得到了一个包含6700万个电池的网格。由于要执行如此多的计算，使用100个cpu运行一个完整驱动周期的热模拟需要大约48小时。

这提出了一个新的挑战，因为最终ECM和热模型必须在双向耦合多物理场模拟中一起运行，在一个CPU上运行ECM模拟所需的几秒钟与在100个CPU上运行热模拟所需的48小时之间的差异使得这些模拟不可能耦合。

解决方案出现在第4步。工程师们使用Fluent提取了系统的关键热特性，为热模拟创建了一个降阶模型(ROM)。ROM是线性和时不变的(LTI)，比完整的CFD模型小几个数量级。它得到的结果与完整的CFD模型非常吻合，但运行速度要快1万倍。

通过虚拟模拟解决电池挑战，而不是建立一系列物理原型，帮助他们在短时间内实现了目标。

电池模块的几何形状

在步骤5中，ECM和热LTI ROM模型一起在Twin Builder中运行双向耦合多物理场模拟。ECM预测电性能和产生的热量。LTI ROM热模型获取该产热值并预测温度，然后将温度传递回ECM模型以确定其对电气性能的影响。这个循环迭代过程一直持续，直到模拟得到一个解决方案。

第六步是将单个电池模块放入完整的10个模块电池组中，为整个电动汽车提供动力。大众汽车使用第三方仿真工具来完成最后的系统级步骤。完整的电池模型预测电压和电流的关系，以确保电池有足够的能量来完成手头的任务——在这种情况下，有足够的电量来完成比赛。它还有助于预测电池系统的峰值功率输出，从而预测赛车可以达到的最高速度。步骤6还预测电池温度，确保峰值温度不超过限制。

整个模拟过程的结果给了大众汽车运动工程师信心，他们相信电池组有足够的电量让他们到达终点线，在这场短暂的比赛中，热性能不是一个问题。通过虚拟模拟解决电池挑战，而不是建立一系列物理原型，帮助他们在短时间内实现了目标。

在汉诺威的办公室里，大众汽车团队观看了比赛的直播，当杜马斯和I.D. R派克峰赛车爬山时，他们为他们欢呼，当汽车以创纪录的时间冲过终点线时，他们爆发出庆祝活动。但他们中的一些人对结果并不完全感到惊讶。从驾驶模拟器的练习赛来看，完成比赛的平均时间约为7分57秒，如果一切顺利，可能会更快完成比赛，如果遇到困难，可能会慢一些。杜马斯以7分57秒的速度把车开回了家。

展望未来

在第一年就完成了两年的目标后，大众汽车暂时不知所措，不知如何继续下去——这对工程师来说是个大问题。他们是应该回到派克峰，努力在明年的比赛中提高自己的纪录，还是尝试在另一场比赛中打破纪录，或者将注意力转移到他们希望在几年内向公众销售的消费类I.D.汽车上?

无论他们的决定如何，Ansys的工程师们都很万博高兴能够在2018年大众赛车在派克峰的出色胜利中发挥作用，并随时准备好他们的Ansys仿真解决方案套件，以帮助他们解决未来的挑战。