今年的上海車展上，在5.1號(hào)館大眾展臺(tái)停放著一臺(tái)超級(jí)酷炫的賽車：大眾汽車集團(tuán)全新I.D.R 品牌Pikes Peak賽車。

這臺(tái)賽車不僅擁有著尺寸巨大的前唇、側(cè)裙以及夸張的尾翼，部件也都是由昂貴的碳纖維材料制作，其炫酷的外面和身上醒目的ANSYS的黑黃經(jīng)典LOGO令人矚目。

身為ANSYS的員工，筆者收到了好多張同事朋友傳來的和這輛車的歡樂合影照，挑選出下面這張只有車身沒有人的照片實(shí)屬不易
。

圖1.   I.D.R Pikes Peak在2019年上海車展，攝影：張欣

車展現(xiàn)場(chǎng)，大屏幕循環(huán)播放2019年9月I.D.R Pikes Peak將挑戰(zhàn)中國(guó)天門山，這個(gè)從未被征服過的“天堂賽道”。

現(xiàn)在我們來介紹一下這輛車：

為速度而生，大眾汽車集團(tuán)全新I.D.R 品牌Pikes Peak賽車在2018年打破“云端競(jìng)賽”96年的歷史！7分57秒148，賽道全場(chǎng)19.9km，平均坡度7%，156處懸崖急轉(zhuǎn)彎，賽道起點(diǎn)海拔2862米，賽道終點(diǎn)海拔4302米，落差1440米。

圖2.   I.D.R Pikes Peak即將挑戰(zhàn)的““天堂之路賽道

2017年9月12日大眾汽車集團(tuán)發(fā)布行業(yè)內(nèi)最全面的電動(dòng)化戰(zhàn)略，“Roadmap E”正式啟動(dòng)。最晚到2030年，大眾汽車集團(tuán)全系車型將實(shí)現(xiàn)電動(dòng)化。這意味著，集團(tuán)旗下各品牌、覆蓋各市場(chǎng)的300余款車型屆時(shí)均將推出至少一款電動(dòng)版車型。這一目標(biāo)使大眾汽車集團(tuán)成為首個(gè)為全系產(chǎn)品明確電動(dòng)化時(shí)間表的大型車企。

圖3.   大眾I.D. R Pikes Peak純電動(dòng)賽車的官圖

為了實(shí)現(xiàn)這一宏偉目標(biāo)，大眾汽車集團(tuán)必須證明自己在已經(jīng)到來的電動(dòng)時(shí)代同樣依舊是行業(yè)的引領(lǐng)者；同時(shí)也為驗(yàn)證大眾集團(tuán)I.D.R全新一代MEB平臺(tái)的設(shè)計(jì)領(lǐng)先性和可靠性，大眾集團(tuán)決定參加“2018年派克峰國(guó)際爬坡挑戰(zhàn)賽“。I.D.R Pikes Peak即因此而生，強(qiáng)者就要打破不可能，強(qiáng)者就要不懼挑戰(zhàn)，這就是I.D.R Pikes Peak。

I.D.R Pikes Peak是大眾第一款全電動(dòng)力的參賽跑車。前后軸擁有2個(gè)獨(dú)立高性能電機(jī)引擎，釋放出680匹馬力，650牛米扭矩的動(dòng)力性能。I.D.R Pikes Peak的電能儲(chǔ)存在一塊鋰離子電池中，該電池由兩個(gè)動(dòng)力單元組成，分別置于駕駛艙側(cè)方和后方。約有20%行駛過程中所需能量是通過車內(nèi)制動(dòng)系統(tǒng)的能量回收產(chǎn)生的。

圖4.   大眾集團(tuán)全新一帶MEB平臺(tái)

派克峰挑戰(zhàn)賽賽制規(guī)定，賽車在出場(chǎng)間隔只有20分鐘的時(shí)間進(jìn)行充電。為此，大眾車特別配備兩臺(tái)90KW充電設(shè)備，同時(shí)為動(dòng)力電池充電，使賽車20分鐘內(nèi)充滿電量。I.D.R Pikes Peak的動(dòng)力電池也分為兩組，這樣做分?jǐn)偭顺潆娍偣β剩闺姵匕l(fā)熱量大幅降低，保障了車輛性能和安全的最優(yōu)平衡。

作為短道賽事，I.D.R Pikes Peak要求電池組提供最強(qiáng)大的能量密度，在行駛過程中做最極限的電能功率輸出，卻不追求續(xù)航里程。與一般家用電動(dòng)車不同，家用電動(dòng)車的能量密度需要足夠高來支撐電力續(xù)航里程，I.D.R Pikes Peak并不考慮這些。

I.D.R Pikes Peak首席工程師在解釋這輛車的設(shè)計(jì)哲學(xué)時(shí)直言，I.D.R就是為了競(jìng)賽，就是為了在極致動(dòng)力和輕量化上尋求最優(yōu)解。因此，首要目的并非實(shí)現(xiàn)最大程度的性能，而是達(dá)到能量?jī)?chǔ)備、車身重量和動(dòng)力應(yīng)用的最理想平衡。在氣候詭譎、彎道急轉(zhuǎn)的山路上，單純提升動(dòng)力而造成的瓶頸十分顯著。這也是為什么在派克峰歷史上，以往出現(xiàn)過動(dòng)力超千匹馬力的電動(dòng)賽車，卻依然被I.D. R Pikes Peak以一分鐘左右的恐怖優(yōu)勢(shì)甩在身后的重要原因。

作為大眾I.D.R Pikes Peak官方合作伙伴，I.D.R Pikes Peak能量管理設(shè)計(jì)工程師使用ANSYS解決方案來模擬賽車在賽道上的駕駛條件，使大眾汽車的工程師能夠確定如何達(dá)到冷卻氣流和空氣動(dòng)力損失的平衡，從而為車輛的最佳性能建立最佳的電池冷卻策略。

“完美的電池能量管理是擊敗Pikes Peak其他賽車記錄的關(guān)鍵因素，”大眾汽車賽車與I.D. R Pikes Peak項(xiàng)目技術(shù)總監(jiān)Fran?ois-Xavier提到。“大眾I.D.R 對(duì)Pikes Peak挑戰(zhàn)成功，證明了使用ANSYS仿真技術(shù)解決的電池能量管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)可靠性。我們團(tuán)隊(duì)對(duì)車輛的性能充滿信心，并渴望在未來創(chuàng)造新記錄。”

圖5.   ANSYS助力I.D. R Pikes Peak創(chuàng)造未來

借用ANSYS CFD和Twin Builder，VW 賽車團(tuán)隊(duì)和ANSYS技術(shù)團(tuán)隊(duì)為電池系統(tǒng)進(jìn)行了一系列的多物理場(chǎng)仿真，涵蓋電池系統(tǒng)中電性能、熱性能的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，以下為詳細(xì)的設(shè)計(jì)步驟：

 1  為每個(gè)單體電池創(chuàng)建一個(gè)等效電路模型（以下簡(jiǎn)稱ECM ）。

工程師使用脈沖放電數(shù)據(jù)（HPPC data）得到ECM模型中的所有參數(shù)。此步驟針對(duì)單個(gè)電池進(jìn)行以確認(rèn)ECM創(chuàng)建的正確性。ECM既是SoC，又是溫度的函數(shù)。在Twin Builder中對(duì)ECM的仿真非常迅速，可以在幾秒內(nèi)完成整個(gè)賽車過程的仿真。

 2  將所有單體電池的ECM串聯(lián)形成一個(gè)ECM模組。

將56個(gè)單體電池串聯(lián)為電池模組

 3  使用ANSYS FLUENT對(duì)電池模組進(jìn)行CFD熱仿真。

由于電池的電性能是溫度的函數(shù)，ECM模組需要一個(gè)熱模型去預(yù)測(cè)電池的溫度變化以更好得到電性能結(jié)果，因此使用FLUENT對(duì)模組進(jìn)CFD仿真不可或缺。在VW的案例中，一個(gè)電池模組及附屬結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格量約6700萬，完成一個(gè)完整驅(qū)動(dòng)循環(huán)的熱仿真需要在100個(gè)CPUs上進(jìn)行約48小時(shí)計(jì)算。CFD熱仿真48小時(shí)計(jì)算量與ECM模型幾秒鐘計(jì)算量給多物理場(chǎng)雙向耦合計(jì)算帶來了巨大挑戰(zhàn)。

VW 電池模組的熱仿真

 4  使用ANSYS Twin Builder從FLUENT結(jié)果中提取關(guān)鍵熱特性并建立熱仿真的降階模型（以下簡(jiǎn)稱LTI ROM）。

針對(duì)步驟3提到的CFD與ECM時(shí)間尺度巨大差異，ANSYS針對(duì)電池特性開發(fā)了熱仿真的降階模型LTI ROM。LTI ROM符合線性時(shí)不變系統(tǒng)假設(shè)，可以得到與完整CFD仿真相同的結(jié)果，但計(jì)算速度會(huì)快10000倍以上，這樣就解決了上述的計(jì)算時(shí)間不匹配問題。

 5  在ANSYS Twin Builder中將ECM模組模型與LTI ROM建立雙向耦合仿真。

在ECM與LIT ROM雙向耦合中，ECM預(yù)測(cè)電性能變化及產(chǎn)熱量，而LTI ROM利用產(chǎn)熱量計(jì)算得到電池的溫度分布，并將溫度信息傳遞給ECM模型中以確定溫度對(duì)電性能的影響。

Twin Builder中ECM與LTI ROM雙向耦合仿真

 6   將各個(gè)電池模組連接為電池PACK，做為整車的動(dòng)力系統(tǒng)。

2019年9月，I.D.R將再出發(fā)，參加天門山“中國(guó)挑戰(zhàn)賽“，過往，從來沒有賽車能夠在這里創(chuàng)造紀(jì)錄，ANSYS希望與大家一起見證歷史。

圖6.   I.D.R天門山“中國(guó)挑戰(zhàn)賽“賽車

賽道全場(chǎng)11km，99處懸崖急轉(zhuǎn)彎，賽道起點(diǎn)海拔200米，賽道終點(diǎn)海拔1519米，落差1300米，“天堂賽道“，I.D.R來了！

圖7.   在路上…

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