当大众汽车在2017年决定他们的长期战略将重点放在生产和销售电动车作为乘用车时，他们希望大胆地而且快速地展示这一承诺。不是在2025年甚至在2020年，而是在2018年。在寻找发表这一声明的地点时，他们注意到2018年的派克峰国际爬山赛，计划于次年6月在海拔14,115英尺的高度进行。时间相当紧迫。谁能够在九个月内从零开始设计一辆电动赛车？赛车团队习惯于每周更换汽车设计，因此任务落到了大众赛车公司。

通过决定采用现有的赛车硬壳体Norma M20，由Norma Auto Concept在法国制造，该团队完成了设计车身的需求。但是该壳体内部原本用于布置发动机，即使发动机被拆除，用于换装电池的空间也非常有限。而大众赛车团队在设计电池方面几乎没有什么经验。当ANSYS团队提出用仿真来帮助设计和验证电池模块时，大众汽车接受了。

电池模组的热态仿真（ANSYS Fluent）

首先，电池模组必须储存足够的能量，以满足Dumas在赛道上做直线加速时要达到最高车速，同时确保在赛段后期仍然剩有能量，没有到达终点线而电力耗尽是不行的。解决这一挑战涉及电池选择，电池包尺寸，电池包冷却和充电效率等问题。

优化这些参数是成功的关键。电池包必须适合底盘上的可用空间，同时提供足够的电力。添加备用电池模组会将增加车辆的重量并减慢车速。电池温度会影响可用的能量--充电状态（SoC）--因此确定是否需要空气冷却、水冷却或根本不冷却是很重要的。充电效率至关重要，因为比赛规则表明，如果行进因任何原因而中断，例如野生动物过马路，那么团队必须在20分钟内准备好再次上场。

六步仿真示意图

使用ANSYS Twin Builder，大众赛车和ANSYS团队进行了六步多物理场仿真，包括电和热参数，来设计和验证电池模型。第一步是为单电池开发等效电路模型（ECM）。ECM简化了复杂的电路以辅助分析。

工程师使用来自脉冲放电的测试数据来获得校准ECM所需的所有参数。第一步是在单电池上完成，以验证是否正确创建了电池模型。如果存在错误，验证过程会揭示出该问题。工程师从步骤1得出ECM是SoC和温度的函数。Twin Builder模拟ECM的速度非常快，只需几秒钟即可模拟赛车贯穿整个赛道的一个完整驾驶周期。

步骤2将所有ECM电池依次组合成ECM模块。

步骤3涉及计算流体动力学（CFD）仿真，使用ANSYS Fluent模拟电池模组热特性。运行CFD模拟是必要的，因为电池的电性能是温度的函数，并且需要热模型与ECM模型一起来预测电池温度。

如果对电池模型进行完整的CFD分析，仿真模型通常非常大。在本例中，导入设计的电池模块和外壳的几何形状，并经过网格生成之后，工程师们得到一套包含6700万个单元的网格。由于需要执行大量计算，完成一个全部驾驶循环电池热仿真大约需要100个CPU计算48个小时。

这又将是一个新的挑战，因为最终ECM和热模型必须在双向耦合多物理场仿真中一起运行。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，使得这些模拟无法耦合。

使用ANSYS Twin Builder将电池集成如电动车系统模型

解决方案来自步骤4。使用Fluent工程师提取系统的关键热特性，以创建热模拟的降阶模型（ROM）。ROM是线性和时不变的（LTI），并且比完整的CFD模型小几个数量级。它得到的结果与完整的CFD模型一致，但运行速度提高了10,000倍。

在步骤5中，ECM和热LTI ROM模型一起用于在Twin Builder中运行双向耦合多物理场仿真。ECM预测电性能和产生的热量。LTI ROM热模型获取该发热量并预测温度，然后将温度传回ECM模型以确定其对电性能的影响。这种循环迭代过程一直持续到模拟收敛。

步骤6涉及将单个电池模块放入将为整个电动车供电的完整10模组电池包中。大众汽车使用了第三方仿真工具来完成这最终的系统级步骤。完整的电池模型预测电压和电流的动态关系，在本例中，以确保电池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。它还可以预测电池温度，确保峰值温度不超过极限。

整个模拟过程的结果让大众赛车的工程师们相信电池组有足够的电量让他们到达终点线，并且在这场短暂的比赛中，散热性能不是一个问题。通过虚拟仿真解决电池挑战，而不用构建一系列物理原型，帮助他们在短时间内达成了目标。

抽取电池热态LTI降阶模型

大众汽车团队在汉诺威的办公室观看比赛现场直播，为Dumas和I.D. R Pikes Peak赛车欢呼。当他们以创纪录的时间越过终点线时，现场雷动。但其中一些人对结果并不感到惊讶。从在驾驶模拟器上的练习来看，完成比赛的平均时间是7：57左右，如果一切顺利，完成速度可能更快，如果遇到困难，则可能跑得慢些。Dumas正好以7:57的时间完成了实际比赛。

在第一年就完成了两年的目标后，大众开始辨别新的前进目标--这对工程师来说是个很大的问题。他们是否应该回到派克峰，努力改善明年的记录，在另一场比赛中打破纪录，还是将注意力转向消费者，在几年内向公众出售I.D.车型？

<span style="margin: 0px; padding: 0px; font-size: 13px; font-family: "Helvetica Neue", Helvetica, "Hiragino Sans GB", "Apple Color Emoji", "Emoji Symbols Font", "Segoe UI Symbol", Arial, sans-serif;">无论他们做什么决定，ANSYS工程师都很高兴在大众赛车2018年派克峰的杰出胜利中发挥了作用，并随时准备好他们的ANSYS模拟解决方案组件，来帮助他们解决未来的挑战。

本文由IDAJ中国CFD技术工程师翻译整理", ,想了解该方案的更多信息，请联系IDAJ中国：support@idaj.cn

原文来源：ANSYS Advantage, 2019Issue1, page10~13.

＜PEAK Performance for an  Electric Vehicle>

作者：Benjamin　Ahrenholz,CAE部负责人

Volkswagen Motorsport GmbH Hannover German