突破电动汽车的性能极限

作者:Benjamin Ahrenholz,德国汉诺威大众汽车赛车运动有限公司CAE部门主管

对于全球的工程师来说,研发一辆备战派克峰国际爬山赛的汽车是一项艰巨的任务。大众汽车赛车运动公司的工程师决定打造一款能够实现最佳性能的汽车,但是,他们只有不到1年的时间来制造和测试全新的电动汽车。凭借坚定的决心和强大的创造力加上在多物理场仿真解决方案的帮助下,大众团队不仅打破了电动汽车记录,而且创下了包括内燃机赛车在内史无前例的赛车记录。

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Volkswagen I.D. R Pikes Peak car

“通过采用ANSYS Twin Builder,大众汽车赛车运动公司实施了涉及电气与热参数的六步多物理场仿真过程,从而设计和验证电池模型。”

battery module

电池模组的几何模型

 

大众汽车赛车运动公司研发的电动汽车在2018年派克峰国际爬山赛上展现了令人惊艳的性能,同时也印证了一个道理,即凡事总有意外,而有的时候确实超出预期的惊喜。

在2018年6月24日第96届派克峰国际爬山赛举办前的9个月,大众汽车计划在今年打破电动汽车(EV)的最高记录,然后再对设计加以改进,在第二年打破内燃机汽车的总记录。然而,赛车驾驶员Romain Dumas驾驶大众I.D.R Pikes Peak赛车,以7分57.148秒不到8分钟的成绩完成了12.42英里赛道上的156个急转弯,这个成绩不但比电动汽车最高记录快1分多钟,而且以领先16秒多打破了总记录。

能够在如此短的研发时间内取得如此卓越的成绩,这要归功于大众团队的艰苦努力以及ANSYS的大力帮助。ANSYS在大众团队开展电池组的设计和验证工作时提供专业的咨询建议,这是赛车取得胜利的关键。

battery simulation process

六步仿真过程示意图

 

推进电动化

当大众在2017年启动制造和销售电动乘用车的长期战略时,他们希望尽快兑现这个承诺。不是在遥远的2020或2025年,而是在2018年就立即实现。在不断寻找合适契机的过程中,他们注意到2018年派克峰国际爬山赛,这场终点海拔高达14,115英尺的派克峰国际爬山赛计划在2018年6月进行。时间如此紧张!谁能够在9个月时间内重新设计一款电动汽车?大众汽车赛车运动公司挑起了这个重担,他们的赛车团队已经习惯了周而复始地改进汽车设计。

在决定采用现有赛车车身即法国的Norma Auto Concept打造的Norma M20之后,因此团队无需重新设计车身。不过,这种车身通常只能容纳内燃机,即使将发动机拆除,也只能为电池提供极为有限的空间。而且大众汽车赛车运动公司在电池设计方面的经验略不足,当ANSYS提议采用仿真技术帮助设计和验证电池模块时,大众汽车团队欣然接受了。

Volkwagen electric car

“大众团队不仅打破了电动汽车的记录,而且还创下了内燃机赛车等史无前例 的赛车记录。”

电池设计的挑战

首先,电池模块必须储存足够的能量,才能够让Dumas在直线跑道上达到最高速度,同时在比赛结束时还有剩余能量,而不是在终点线前就耗尽了动力。此次挑战涉及电池选型、电池组尺寸标定、电池组冷却与充电效率等问题。

thermal simulation battery module

电池模组的热仿真

 

这些参数的优化对于项目成功非常关键。电池组必须匹配底盘的可用空间,同时能够提供充足的动力,同时又要避免添加不必要的电池模块以增加车辆重量和降低速度。电池温度也会影响可用的能量⸺荷电状态(SoC),因此关键是冷却方式,到底是采用风冷、水冷还是根本不采用任何冷却方式。当然,充电效率也非常重要,因为比赛规定:无论何种原因中断了比赛,如:道路上有动物通行,参赛团队都必须在20分钟之内准备好重新开始。

六步仿真方法

通过采用ANSYS Twin Builder,大众汽车赛车运动公司和ANSYS团队共同开展了涉及电气与热参数的六步多物理场仿真过程,从而设计和验证电池模型。第一步是研发单体电池的等效电路模型(ECM)。ECM可以简化复杂电路,有助于分析。

工程师采用脉冲放电测试数据获得了校正ECM所需的全部参数。第一步是针对单体电池进行仿真,用于检验创建的电池模型是否正确。如果有任何错误,验证过程都会发现相关问题。工程师在第一步中得出了结论:ECM是SoC和温度的函数。在Twin Builder中开展ECM仿真的速度非常快⸺只需数秒即可模拟出赛车在整个赛道上的一个完整驾驶周期。

第二步是把所有ECM电池串联在一起,构成一个ECM模块。

第三步是采用ANSYS Fluent开展电池模块热性能的计算流体动力学(CFD)仿真。进行CFD仿真是非常有必要的,因为电池的电气性能是温度的函数,而且需要热模型和ECM集成预测电池温度。

ANSYS Twin Builder battery integration

采用ANSYS Twin Builder在车辆中集成电池

 

进行完整CFD分析所用的电池仿真模型通常非常庞大。因此,在导入了合理的电池模块几何模型并执行网格划分之后,工程师获得了包含6700万个单元的网格模型。由于计算量很大,因此采用100个CPU需要大约48个小时才能完成一个完整的驱动循环。

这给项目带来了新的挑战,因为最终必须在双向耦合多物理场仿真中同时运行ECM和热模型。而用一个CPU执行ECM仿真所需的数秒时间和用100个CPU运行热仿真所需的48小时之间相差太多,根本无法进行耦合。

而第四步给出了解决方法。工程师采用Fluent提取了系统的关键热特性,帮助创建用于热仿真的降阶模型(ROM)。ROM模型具有线性时不变(LTI)特性,而且阶数小于完整CFD模型。它可以产生与完整CFD模型良好的关联结果,但是运行速度却要快10,000倍。

第五步,团队在Twin Builder中集成ECM和LTI ROM热模型进行双向耦合多物理场仿真。ECM可以预测电气性能和发热量。LTI ROM热模型获得发热值之后可以预测温度,然后再将温度值返回到ECM模型,以确定其对电气性能的影响。上述循环迭代过程会一直进行,直到仿真收敛求得一个解。

第六步是把单独的电池模块放入用于驱动整个电动汽车的完整10个模块电池组。大众团队采用第三方仿真工具完成了最后的系统级步骤。完整电池模型可以预测电压与电流的关系,以确保电池可以为目标任务提供充足的能量,在本项目中是实现为比赛提供足够的电能。此外,它还有助于预测电池系统的峰值功率输出,进而确定赛车的最高速度。

它也可以预测电池温度,确保其最高温度在限值之下。

看到完整的仿真过程结果后,大众汽车赛车运动公司工程师相信电池组能够提供充足电能,帮助赛车成功抵达终点线,而且热性能在这种短程赛不会出现任何问题。凭借仿真技术而不是创建一系列物理模型成功解决电池难题,工程师也在紧迫的时间期限内顺利实现了目标。

比赛当天,大众团队在位于汉诺威的办公室观看直播,当看到Dumas驾驶I.D.R Pikes Peak赛车爬上山顶,并且以创纪录的成绩冲过终点线时,大众团队为其欢呼雀跃。不过,取得这么好的成绩完全在团队成员的意料之中。从驾驶仿真器的试跑结果来看,完成比赛的平均时间是7分57秒,当情况一切顺利可能会更快,遇到突发状况则会稍慢。Dumas完成比赛耗时7分57秒⸺精准无误!

battery thermal ROM

LTI ROM电池热提取

 

展望未来

在第一年就完成了两年后的目标,大众团队突然有点不知所措,对下一步该如何进行还在探索中。是再次备战派克峰尝试新的刷新记录?还是尝试打破另一个赛事记录?或是把目标转向在未来几年面向消费者销售I.D.赛车系列?

无论大众团队的下一站目标是什么,ANSYS工程师都感到非常欣慰,因为他们帮助大众汽车赛车运动公司取得了2018年派克峰的辉煌胜利,同时ANSYS仿真解决方案将时刻待命帮助大众团队解决未来的诸多挑战。

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