电动汽车的峰值性能

德国汉诺威大众赛车运动有限公司CAE部主管Benjamin Ahrenholz

开发一款能够参加派克峰国际登山赛的车辆对全世界的工程师来说都是一项艰巨的考验。大众赛车运动的工程师们决心要制造一辆可以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、创造力和多物理场模拟，大众汽车团队不仅打破了电动汽车的纪录，还打破了所有汽车的历史纪录，包括那些由内燃机驱动的汽车。

“谁能在九个月内从零开始设计出一辆电动汽车?”

大众汽车运动在2018年派克峰国际爬山赛(pike Peak International Hill Climb)中令人惊叹的电动汽车表现告诉我们，事情并不总是按计划进行。有时他们的效果更好。

该计划在2018年6月24日举行的第96届著名赛事前9个月推出，旨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的总纪录。相反，赛车手罗曼·杜马斯(Romain Dumas)驾驶大众I.D. R pike Peak赛车以7:57:148的成绩在不到8分钟的时间内完成了12.42英里赛道上的156个急转弯，不仅打破了电动汽车纪录1分多钟，而且打破了总纪录超过16秒。

在如此短的开发时间内取得这样的成功，得益于大众公司员工团队的辛勤工作，以及Ansys的一些帮助，后者就为大众汽车提供动力的电池组的设计和验证提供了咨询。

发展电动汽车

2017年，大众高管决定，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。不是在2025年甚至2020年，而是在2018年。在寻找发表这一声明的地方时，他们注意到，2018年的派克峰国际登山赛(pike Peak International Hill Climb)定于明年6月举行，终点高度为14115英尺(约合14115米)，时间非常紧张。谁能在九个月内从零开始设计一辆电动汽车?赛车运动团队习惯于每周都改变赛车设计，所以这项任务落到了大众赛车运动身上。

设计团队决定采用法国Norma Auto Concept公司设计的Norma M20赛车，从而省去了对车身的设计。但是，这种单壳式发动机通常装有内燃机，即使将发动机拆下，电池的可用空间也有限。而大众汽车在电池设计方面几乎没有经验。当Ansys团队提出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

六步模拟过程示意图

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所需的最高速度，同时确保在比赛结束时仍有剩余能量。没到终点线就没电可不行。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，同时提供足够的功率。增加不必要的电池模块会增加车辆的重量并减慢速度。电池温度会影响可用电量——即荷电状态(SoC)——因此决定是需要风冷、水冷还是不冷却是很重要的。充电效率至关重要，因为比赛规则规定，如果比赛因任何原因中断，比如野生动物横穿马路，团队必须重新开始，并在20分钟内准备好再次出发。

六步模拟方法

大众汽车和Ansys团队使用Ansys Twin Builder进行了六步多物理场模拟，包括电气和热参数，以设计和验证电池模型。第一步是为单个电池单元建立等效电路模型(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执行，以验证单元格模型的创建是否正确。如果有任何错误，验证将揭示问题。工程师从步骤1中得出结论，ECM是SoC和温度的函数。Twin Builder模拟ECM的速度非常快，只需要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。

步骤3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。进行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的双建设者模拟非常快。

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，在导入了电池模块和外壳的几何形状并进行网格划分之后，工程师们得到了一个包含6700万个电池单元的网格。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大约需要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的多物理场模拟中一起运行，在一个CPU上运行ECM模拟只需几秒钟，而在100个CPU上运行热模拟需要48小时，这使得这些模拟不可能耦合起来。

解决方案出现在第4步。使用Fluent，工程师们提取了系统的关键热特性，为热模拟创建了降阶模型(ROM)。ROM是线性时不变的(LTI)，比完整的CFD模型小几个数量级。它产生的结果与完整的CFD模型很好地相关，但它的运行速度快了10,000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，帮助他们在规定的短时间内完成目标。

电池模块的几何形状

在第5步中，ECM和热LTI ROM模型一起使用，在Twin Builder中运行双向耦合的多物理场模拟。ECM可以预测电性能和产生的热量。LTI ROM热模型取该热产生值并预测温度，然后将温度传递回ECM模型，以确定其对电性能的影响。这个循环迭代过程继续进行，直到模拟收敛于一个解决方案。

步骤6包括将单个电池模块放入完整的10个模块电池组中，为整个电动汽车供电。大众汽车使用第三方模拟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完成手头的任务——在这种情况下，有足够的电量完成比赛。它还有助于预测电池系统输出的峰值功率，从而预测赛车能跑的最高速度。步骤6还预测了电池温度，确保峰值温度不超过限制。

整个模拟过程的结果是让大众赛车运动的工程师有信心，电池组有足够的电量让他们到达终点线，热性能在这场短暂的比赛中不是问题。通过虚拟模拟解决电池挑战，而不是建立一系列物理原型，帮助他们在规定的短时间内完成目标。

大众汽车在汉诺威的办公室观看了比赛的直播，当杜马斯和I.D. R派克峰赛车爬上山顶时，他们为他们欢呼，当赛车以创纪录的时间冲过终点线时，他们爆发了庆祝。但他们中的一些人对这个结果并不完全惊讶。从驾驶模拟器的练习来看，完成比赛的平均时间是7:57左右，如果一切顺利，可能会更快完成，如果遇到困难，可能会更慢。杜马斯以7分57秒的成绩把车开回了家。

展望未来

在第一年就完成了两年的目标后，大众一时不知所措，不知如何继续前进——这对工程师来说是个大问题。他们是应该回到派克峰试图在明年提高他们的记录，还是尝试在另一场比赛中打破纪录，还是将他们的重点转向他们希望在几年内向公众出售的I.D.汽车的消费线?

无论他们的决定是什么，Ansys工程师都很高兴能够在大众赛车运动2018年的派克峰比赛中发挥作用，并随时准备使用Ansys仿真解决方案套件来帮助他们解决未来的挑战。