Ansys与保时捷赛车运动部门：利用仿真续写胜利篇章

在本期“Ask the Engineer”（向工程师提问）栏目中，一位保时捷赛车运动部门内部人士与我们探讨了有关保时捷99X Electric Gen3 Evo全电动赛车的动力总成效率的话题。

已有一款全新的保时捷赛车问世，并且它已经颠覆了赛车运动中最令人振奋的系列赛之一——ABB FIA E级方程式世界锦标赛。泰格豪雅保时捷电动方程式车队将在卫冕世界冠军车手Pascal Wehrlein和2020年冠军António Félix Da Costa的带领下，准备驾驶全新保时捷99X Electric Gen3 Evo全电动赛车，再创赛车历史。

99X Gen3 Evo在圣保罗E-Prix比赛中首次亮相，成为了加速最快的FIA单座赛车，其能够在1.82秒内从0加速到60英里每小时。Wehrlein从P1发车位以1分9.851秒的杆位圈速拉开序幕，比去年快整整3秒。这一表现，加上Da Costa的早期登上领奖台取得的胜利，为车队本赛季的精彩表现奠定了基础。

今年的赛事中，基本比赛规则保持不变，包括可用的能量限制。不过，今年车队可以在排位赛对决、赛车起步和攻击模式下启用前轮驱动。由此，经过改进，保时捷99X Electric Gen3 Evo可通过前后轮同时驱动实现临时四轮驱动，从而获得额外抓地力。

保时捷赛车运动部门高压动力装置开发工程师Leonard Mengoni认为，这些新改进只是常规操作。我们有机会与他讨论了他的工作，以及Ansys与保时捷的合作将如何继续助力保时捷赛车运动部门提升动力总成效率。

首先，从效率角度来看，保时捷99X Electric Gen3 Evo有何不同？

Mengoni：新款赛车的最大峰值功率为350千瓦。在比赛中，现在有两种情况（赛车起步和攻击模式），其中最大输出功率的分配方式与以前不同。我们首次采用四轮驱动和牵引力控制，因此可以控制动力总成，以防止轮胎打滑，并在加速时获得更大的牵引力。

具体而言，添加四轮驱动后，赛车的性能略有不同。比如，加速时轮胎的旋转方式不同，因为不再仅靠后轮推动。这意味着，如果赛车处于主动四轮驱动模式，它会将赛车从弯道中拉出，从而获得更大的纵向加速度，因为所有四个车轮均由电动动力总成驱动。此外，我们还采用了新型轮胎，可提供比以往更大的抓地力。

由于后轮和四轮驱动会导致前后动力总成系统的工作点不同，再加上牵引力控制，工作点的分布也会变得更广泛。

您如何使用Ansys工具最大限度地提高全新动力总成系统的效率？

Mengoni：对于电机（电动机），我们使用Ansys Maxwell 2D和3D电磁仿真。我比较注重视觉效果，喜欢直观地看到事物。Ansys Maxwell仿真软件可帮助我可视化和了解某些边界或限制的位置。如果我需要向团队展示自己的想法，那么准备一些全彩仿真图像总是一个不错主意。

我们使用Maxwell软件来查看电机的输出扭矩（电机产生的反电动势，使其能够旋转），以了解在特定输入电流下能获得多少扭矩。

此外，我们还可以使用该软件来研究损耗。对于保时捷99X Electric Gen3 Evo，我们很早就开始使用损耗模型，因为Maxwell软件提供了强大的基础，可以在此基础上进行构建，并且它还可以通过执行额外的后处理或添加一些额外的分析计算来提高我们的能力。

同时，Ansys Mechanical软件有助于我们从机械角度优化电机的转子。通常，在赛车运动中，我们的转速要比公路汽车更高，才能在赛道上达到更高的速度。转子至关重要，因为它是电磁系统中唯一的运动部件，负责产生驱动汽车达到这些速度所需的扭矩。在设计流程的早期阶段考虑电磁和机械两个方面对我们非常有帮助。

除了电机之外，您在动力总成优化中还需要考虑其他什么因素吗？

Mengoni：我们必须始终牢记，需要考虑其他组件。具体来说，就是逆变器，它是将电力从电池传输到电机的组件。我们使用Ansys Q3D Extractor软件来仿真逆变器的开关单元。通过仿真，我们可以了解如何降低给定设计的开关损耗，或者新设计如何减少逆变器损耗。开关过程中也会产生振荡，所以我们必须考虑这些因素，以确保逆变器和电机的安全运行。

然而，对45分钟比赛期间发生的所有开关动作进行仿真是不切实际的，因为涉及的时间跨度差异很大。然而，基于非常详细的仿真，我们可以推导出更通用、更易于计算的模型，并再次使用这些模型来计算基于逆变器和电机的动力总成效率，这就为我们指明了方向。

那么，将赛车从后轮驱动调整为主动四轮驱动，并不会让挑战更加艰巨，只是变得有所不同对吗？

Mengoni：确实存在一些不同。对我们来说，这是一种类似的方法，只是需要处理更多的输入数据，因为我们面临更多的场景。然而，对于赛道上的控制工程师和动力总成工程师来说，变化却是巨大的。他们还必须考虑赛车的行为以及与测试台的差异。

例如，在赛道上，您必须考虑路缘，以及如何在后轮驱动和四轮驱动下实现良好的驾驶性能。我非常尊敬我们的赛车工程师，以及赛场上和德国魏萨赫（Weissach）的工作人员，因为他们可以处理来自车手的反馈，并为他们提供所需的帮助。

车手其实不会感觉到我们是否实现了0.1%的效率提升，因为这是一个微小的变化。但重点在于，如果我们为车手和车队提供更高效的动力总成，那么在比赛中他们就会有更多的选择。如果能节省更多能量，那就意味着可以采取不同的（更好的）策略。

比如，在比赛当天，车手可以进一步加大赛车油门。因此，对于我们从仿真中获得的0.1%效率提升，车手可能不会直接感受到这一点，但最终，这点额外的能量，可能足以让车手在关键时刻超越对手。

您能谈谈赛车运动对于保时捷公路汽车开发的价值吗？

Mengoni：毫无疑问，保时捷有投身赛车运动的热忱，毕竟这就是我们品牌身份的一部分。除了电动方程式外，我们还会定期与公路汽车工程师交流其他项目。当然，他们的要求与我们略有不同，因为并非每个人都会以我们驾驶电动方程式赛车的速度驾驶保时捷。但无论如何，保时捷有搭载电动动力总成的公路汽车，因此彼此沟通是有很意义的。

公路汽车和赛车工程师都拥有良好的技术经验，既涉及非常相似的领域，也有很多截然不同的领域。例如，加速和效率是两者共同的主题，但其他方面，如由于法律或赛车系列法规而造成的限制，则大相径庭。

另一个区别，是开发速度。对于电动方程式，我们每两年开发一套新的动力总成，这比公路汽车的开发周期要短得多，因为车队规模较小，法规和流程也较少。在仿真的帮助下，我们可以尝试各种方案并验证它们是否可行，公路汽车开发人员对此很感兴趣。另一方面，他们在共同项目中的经验也让我们受益匪浅。总之，我认为双方都可以从中获益。

希望您像我们一样喜欢Mengoni讲述的关于保时捷99X Electric Gen3 Evo的故事。我们感谢他带来的精彩访谈，并欢迎您阅读这个故事，了解Ansys仿真如何助力保时捷赛车运动部门的动力总成开发。