Ansys 與 Porsche Motorsport：以模擬技術延續勝利傳奇

在本期「工程師來解答」中，Porsche Motorsport 內部人士將談論全新的 Porsche 99X Electric GEN3 Evo 純電賽車的動力系統效率。

全新 Porsche 登場，並已在最令人振奮的賽車系列賽──ABB FIA 電動方程式世界錦標賽中掀起風潮。由現任世界冠軍 Pascal Wehrlein 與 2020 年冠軍 António Félix Da Costa 領軍的 TAG Heuer Porsche 電動方程式車隊，準備駕駛全新 Porsche 99X Electric GEN3 Evo 純電賽車，再次改寫賽車歷史。

99X GEN3 Evo 在聖保羅電動方程式大獎賽中首度亮相，成為加速最快的 FIA 單座賽車，0 到 60 英里每小時僅需 1.82 秒。Wehrlein 在 P1 發車位跑出 1 分 9.851 秒的竿位圈速，足足比去年快了三秒。這項成績，加上 Da Costa 早早獲得的登台勝利，為車隊揭開了本季精彩賽事的序幕。

比賽的基本規則是相同的，包括可用能量的限制。然而，今年車隊可以在排位對決、起跑與攻擊模式中啟用前輪驅動。藉由這項新改變，Porsche 99X Electric GEN3 Evo 在前後輪同時驅動的暫時四輪驅動下，獲得額外抓地力的優勢。

對於 Porsche Motorsport 高壓動力單元開發工程師 Leonard Mengoni 而言，這些新變化只是日常工作的一部分。我們有機會與他談論他的工作，以及 Ansys 與 Porsche 的合作如何持續推動 Porsche Motorsports 動力系統的效率提升。

首先，就效率的角度而言，Porsche 99X Electric GEN3 Evo 有什麼不同之處？

Mengoni：這台新車的最大輸出功率為 350 千瓦。目前在比賽中的兩個情況 (起跑與攻擊模式)，最大輸出功率的分配方式與以往不同。我們首次擁有四輪驅動與循跡控制，能控制動力系統以防止輪胎空轉，並在加速時獲得更強的抓地力。

具體而言，加上四輪驅動後，車輛的行為會稍有不同。加速時的旋轉感會不同，因為不再只是從後輪推進。也就是說，啟動四輪驅動時，車輛會從彎道中被拉出來，因為四個車輪皆由電動動力系統驅動，能產生更強的縱向加速度。此外，我們採用的新輪胎也提供比以往更高的最大抓地力。

由於後輪驅動與四輪驅動會造成前後動力系統有不同的運作點，再加上循跡控制的因素，整體運作點的分布也變得更寬廣。

您們如何運用 Ansys 工具來最大化新動力系統套件的效率？

Mengoni：針對電動機 (馬達)，我們使用 Ansys Maxwell 進行 2D 與 3D 電磁模擬。我算是個仰賴視覺的人，我喜歡看到具體畫面。Ansys Maxwell 模擬軟體幫助我視覺化並瞭解某些邊界或限制在哪裡。如果我要向團隊呈現想法，準備一些彩色的模擬圖總是很有幫助。

我們使用 Maxwell 軟體來觀察電動機的輸出扭矩 (即馬達所產生的反電動勢，促使其旋轉)，以瞭解在特定輸入電流下可獲得多少扭矩。

我們也可以用它來觀察損耗。在 Porsche 99X Electric GEN3 Evo 專案中，我們很早就建立損耗模型，因為 Maxwell 軟體提供了強大的基礎，我們可以在此基礎上進行後處理或加入額外的解析計算來增強模擬能力。

Ansys Mechanical 軟體也協助我們從機械角度最佳化電動機的轉子設計。通常在賽車運動中，我們的轉速會比市售車稍高，以在賽道上達到更高速度。轉子非常重要，因為它是電磁系統中唯一的移動元件，負責產生驅動車輛高速行駛所需的扭矩。在設計初期就同時考量電磁與機械層面，對我們來說非常有幫助。

除了電動機之外，在動力系統最佳化方面還有其他考量嗎？

Mengoni：我們始終要記得，必須在其他元件的整體架構中進行設計。具體來說，是變流器這個元件，它負責將電池的能量轉換並傳輸到電動馬達。我們使用 Ansys Q3D Extractor 軟體來模擬變流器的切換單元。透過模擬，我們可以瞭解如何在既有設計下降低切換損耗，或是新設計應該具備什麼特性來減少變流器損耗。在切換期間也會出現振盪，這也是我們必須納入考量以確保變流器與馬達安全運作的因素。

由於時間尺度差異太大，模擬 45 分鐘賽事中發生的所有切換動作並不實際。然而，根據非常詳細的模擬結果，我們可以推導出更通用、計算更簡便的模型，再用這些模型來估算變流器與電動馬達的動力系統效率。這能為我們指引方向。

那麼，從後輪驅動轉為主動四輪驅動並不會讓挑戰變得更困難，只是變得不一樣？

Mengoni：確實有一些不同之處。對我們來說，方法類似，只是我們要處理更多輸入資料，因為情境變多了。但對於在賽道上的控制工程師與動力系統工程師來說，變化就很大了。他們還必須考量車輛的實際表現以及與測試平台之間的差異。

例如，在賽道上您得考慮路緣石，並設法讓後輪驅動與四輪驅動都能有良好的駕駛控制性。我非常敬佩我們的賽車工程師，以及所有在賽道與德國 Weissach 團隊的成員，因為他們能接收車手的回饋，並給予所需的調整。

車手其實不會察覺我們做出 0.1% 的效率提升，因為那變化實在太小了。但重點是，若我們能提供更高效率的動力系統，就能讓車手與團隊在比賽中有更多策略選項。如果節省了更多能量，就有機會採用不同 (更好) 的策略。

比賽當天也可以更大膽地操控車輛。所以，車手可能不會直接感受到這個從模擬中獲得的 0.1% 效率提升。但最終，那一點額外的能量，可能正好足夠讓您在關鍵時刻成功超車。

您能談談賽車運動在 Porsche 市售車開發中扮演的角色嗎？

Mengoni：Porsche 顯然有著投入賽車運動的強烈動力。這是我們品牌形象的一部分。我們與市售車工程師定期交流，討論除了電動方程式以外的專案。當然，他們的需求和我們略有不同。畢竟不是每個人都該以我們駕駛電動方程式賽車的速度來駕駛他們的 Porsche。但不論如何，我們也有搭載電動動力系統的市售車，因此彼此交流是非常合理的。

市售車與賽車的工程師雙方，在某些非常相似也截然不同的領域，都擁有豐富的技術經驗。例如，加速性與效率是共同話題，但像是法規限制或賽事規範所造成的限制，則完全不同。

另一項差異是開發速度。在電動方程式中，我們每兩年開發一次全新的動力系統，這比市售車的開發週期短得多，因為我們的團隊規模較小，規範與流程也比較少。藉助模擬技術，我們可以直接嘗試一些想法並觀察其成效，這對市售車開發人員來說也非常有趣。反過來，在共同專案中我們也從他們的經驗中受益良多。我認為這是雙方都能受惠的一件事情。

希望您和我們一樣喜歡 Mengoni 關於 Porsche 99X Electric GEN3 Evo 的分享內容。感謝 Mengoni 接受這次的精彩訪談，並邀請您進一步閱讀本篇文章，瞭解 Ansys 模擬技術如何推動 Porsche Motorsport 的動力系統發展。