豪雅保时捷电动方程式车队使用Ansys仿真软件优化其动力系统动力学

作者:Laura Carter, Ansys Advantage的特约撰稿人

由于ABB对每个车队的总能源消耗的要求，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。对于豪雅保时捷电动方程式车队来说，能否在比赛日取得胜利，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 Twin Builder通过仿真软件，团队可以检测和优化动力系统中最小的细节，从而在一个极其高效的环境中实现改进
毫秒数。

用模拟解决时间尺度挑战

电动动力系统的动力学由两个因素决定:整体效率和部件效率，这两个因素都必须在广泛的工作点范围内进行优化。例如，如果扭矩或速度过高或过低，能量就被浪费了。逆变器是驱动过程中电池功率转换并传递给发动机的途径，因此它们在整体动力系统效率中发挥着关键作用。它是一个逆变器，在比赛中完成从电池直流到发动机所需的高频高压交流的切换(电气转换)。开关速度越快，逆变器就能处理越大的功率，而且损耗越小。

为了保持他们在ABB电动方程式世界锦标赛中的竞争优势，泰格豪雅保时捷电动方程式车队将目光放在调整他们的动力系统上，以实现60秒的单圈驱动周期，这代表了车辆随着时间的推移的速度。每个周期需要一个10毫秒到0.5毫秒的电力周期(能量传递的持续时间)，而逆变器开关周期(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。在组件和系统两个层面上检查动力系统效率，团队可以更好地解决电气损耗问题，以实现目标时间尺度。

利用Ansys Twin Builder和Maxwell发现电损失

Ansys仿真软件通过数据收集和电损耗分析，在优化TAG Heuer Porsche Formula E动力系统动力学方面发挥了重要作用。使用Maxwell模拟驱动循环，该团队(来自Weissach开发中心)可以看到电压变化对电池充电损耗的影响，以精确定位并最小化比赛过程中每圈的电量损耗。该团队还在一个电周期内单独使用Maxwell来模拟电机的整个工作范围及其与逆变器的相互作用，以更高的精度识别损失结果。而且，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，泰格豪雅保时捷电动方程式车队与Ansys并肩合作，构建并使用系统级模型来测试组件级的效率。然后，该团队在各种工作条件下实现并测试了现有动力系统的特定组件属性，例如相电流对逆变器开关的影响或感应电压和扭矩对机器功能的影响。由于对每个组件进行了细致的分步分析，无论是单独运行还是作为整个动力系统的一部分运行，Weissach团队现在都能够以更高的精度估算单个组件的性能和电气损耗。

保时捷电动方程式赛车技术项目负责人Martin Füchtner表示:“考虑到动力系统在模拟时的效率为90%，模拟软件的准确性是关键。”“虽然在电气性能和动力系统优化方面的损失很大，但如果没有Twin Builder的帮助，几乎看不到损失。”

可持续发展达到终点

在进入赛车运动领域之前，ABB电动方程式赛车起源于国际汽联主席让·托德与西班牙商人、ABB电动方程式赛车前首席执行官亚历杭德罗·阿加格共进晚餐时餐巾上的一个想法。他们将赛车运动与可持续性结合起来，创建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比赛中的未来，也看到了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，这是ABB首次在汽车运动领域举办电动方程式赛车比赛的地点，接下来的事情就是历史了。

2017年7月，泰格豪雅保时捷电动方程式车队宣布有意在第六赛季加入有史以来第一个全电动赛车系列，并承诺将于2019年在城市赛道上亮相。车队的目标是通过Ansys仿真来赢得车手和车队冠军，这是他们在赛道内外获胜策略的一部分。展望未来，豪雅保时捷电动方程式车队正在使用Ansys软件优化第三代赛车的动力系统，特别是在不增加仿真持续时间的情况下，建模与车辆交流功率相关的详细损失机制。

用Ansys向未来冲锋

ABB电动方程式世界锦标赛是对未来技术的一个快速而苛刻的试验台，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99X电动赛车以及未来公路车开发的良好技术基础。

“有了Twin Builder，我们就有了一个平台，可以为未来提供许多不同的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可以让这成为可能。”