豪雅保时捷E级方程式车队使用Ansys仿真软件优化其动力总成动力学

作者:Laura Carter, Ansys Advantage撰稿人

由于ABB对每支车队的总能耗要求很高，胜利不仅仅取决于速度，还取决于千瓦时，因此赛车动力系统的效率对车队的成功至关重要。对于豪雅保时捷E方程式车队来说，在比赛日取得胜利，在一定程度上取决于车队能否进入模拟环境，该环境可以帮助他们快速分析电动动力总成组件的性能，并深入了解影响效率的机制。使用Ansys麦克斯韦而且Ansys双胞胎建设者通过仿真软件，该团队可以检测和优化动力系统中最小的细节，在一个极其高效的环境中实现改进，每一毫秒都很重要。

用模拟解决时间尺度的挑战

电动动力系统的动力由两件事决定:整体效率和部件效率，这两者都必须在广泛的操作点范围内进行优化。例如，如果扭矩或速度过高或过低，就会浪费能量。逆变器是电池能量在行驶过程中转换并传递给发动机的途径，因此逆变器在整体动力系统效率方面发挥着关键作用。它是一个逆变器，在比赛中完成从电池直流电到发动机所需的高频高压交流电的转换(电转换)。开关速度越快，逆变器就能处理更大的功率和更少的电损耗。

为了保持他们在ABB电动方程式世界锦标赛中的竞争优势，豪雅保时捷电动方程式车队将目标放在调整他们的动力系统，以实现60秒的单圈驾驶周期，这代表了车辆在一段时间内的速度。每个循环需要一个10毫秒到0.5毫秒之间的电周期(能量传递的持续时间)，而逆变开关周期(开关设备打开和关闭以传递能量的速率)仅为0.1毫秒到0.03毫秒。通过对零部件和系统两个层面的动力系统效率的研究，该团队可以更好地解决电力损耗问题，以实现目标时间尺度。

利用Ansys Twin Builder和Maxwell分析电损耗

Ansys仿真软件通过数据收集和电损耗分析，在优化豪雅保时捷E方程式方程式动力系统动力学方面发挥了重要作用。使用Maxwell模拟驾驶周期，该团队(来自Weissach开发中心)可以看到电压变化对电池充电损失的影响，以精确定位和减少比赛过程中每一圈的电力损失。该团队还在一个电周期内分别使用麦克斯韦来模拟电机的整个工作范围及其与逆变器的相互作用，以更精确地识别损耗结果。此外，面对逆变器开关损耗计算的潜在耗时过程，该团队采用Twin Builder，利用来自制造商的数据，结合他们自己的测量和测试，快速测量开关损耗。

在Twin Builder的帮助下，豪雅保时捷方程式E车队与Ansys并肩工作，建立并使用系统级模型来测试组件级的效率。然后，该团队在各种操作条件下实现并测试了现有动力系统的特定组件属性，如相电流对逆变器开关或感应电压和转矩对机器功能的影响。通过对每一个单独运行或作为整个动力系统一部分运行的部件进行细致的分步分析，Weissach团队现在能够以更高的精度估算单个部件的性能和损耗。

保时捷电动方程式技术项目负责人Martin Füchtner表示:“考虑到模拟时动力系统的运行效率为90%，模拟软件的准确性是关键。”“尽管在电气性能和动力系统优化方面损失巨大，但如果没有Twin Builder的帮助，几乎无法察觉。”

可持续发展走向终点

在进入赛车运动领域之前，ABB E级方程式起源于国际汽联主席让·托德和西班牙商人、ABB E级方程式前首席执行官亚历桑德罗·阿加格在一次晚宴上的餐巾上的一个想法。他们将赛车运动与可持续发展结合起来，创造一个全电动赛车系列的想法最初遭到了很多质疑。他们没有被公众的批评吓倒，他们看到了电动汽车在赛车中的未来，他们可以为支持更绿色、更清洁的环境做出更大的贡献。2014年，两家公司都在中国北京实现了他们的愿景，这里是首届ABB电动方程式赛车赛事的举办地。

2017年7月，豪雅保时捷E方程式车队宣布有意在第六赛季加入首个全电动赛车系列，并承诺将于2019年登陆城市赛道。车队已经把目光放在赢得车手和团体冠军，使用Ansys仿真作为他们获胜策略的一部分，无论是在赛道上还是在赛道外。展望未来，豪雅保时捷E级方程式车队正在使用Ansys软件优化第3代赛车的动力总成，特别是在不增加模拟时间的情况下，建模与车辆交流功率相关的详细损耗机制。

用Ansys向未来充电

ABB电动方程式世界锦标赛是一个快速且高要求的未来技术测试平台，需要开发工程师之间不断对话，以测试新想法并相互学习。为了满足这些需求，保时捷将Ansys仿真解决方案视为开发其99X电动赛车以及未来道路车的良好技术基础。

“有了Twin Builder，我们有了一个平台，为未来提供了许多不同的Ansys软件解决方案，”Füchtner说。“如果我们想更深入地研究我们的电动动力系统技术的多物理模拟，Twin Builder可以实现这一点。”