今年车展最酷赛车大众Pikes Peak，9月挑战天山门

今年的上海车展上，在5.1号馆大众展台停放着一台超级酷炫的赛车：大众汽车集团全新I.D.R 品牌Pikes Peak赛车。

这台赛车不仅拥有着尺寸巨大的前唇、侧裙以及夸张的尾翼，部件也都是由昂贵的碳纤维材料制作，其炫酷的外面和身上醒目的ANSYS的黑黄经典LOGO令人瞩目。

身为ANSYS的员工，笔者收到了好多张同事朋友传来的和这辆车的欢乐合影照，挑选出下面这张只有车身没有人的照片实属不易。

图1.   I.D.R Pikes Peak在2019年上海车展，摄影：张欣

车展现场，大屏幕循环播放2019年9月I.D.R Pikes Peak将挑战中国天门山，这个从未被征服过的“天堂赛道”。

现在我们来介绍一下这辆车：

为速度而生，大众汽车集团全新I.D.R 品牌Pikes Peak赛车在2018年打破“云端竞赛”96年的历史！7分57秒148，赛道全场19.9km，平均坡度7%，156处悬崖急转弯，赛道起点海拔2862米，赛道终点海拔4302米，落差1440米。

图2.   I.D.R Pikes Peak即将挑战的““天堂之路赛道

2017年9月12日大众汽车集团发布行业内最全面的电动化战略，“Roadmap E”正式启动。最晚到2030年，大众汽车集团全系车型将实现电动化。这意味着，集团旗下各品牌、覆盖各市场的300余款车型届时均将推出至少一款电动版车型。这一目标使大众汽车集团成为首个为全系产品明确电动化时间表的大型车企。

图3.   大众I.D. R Pikes Peak纯电动赛车的官图

为了实现这一宏伟目标，大众汽车集团必须证明自己在已经到来的电动时代同样依旧是行业的引领者；同时也为验证大众集团I.D.R全新一代MEB平台的设计领先性和可靠性，大众集团决定参加“2018年派克峰国际爬坡挑战赛“。I.D.R Pikes Peak即因此而生，强者就要打破不可能，强者就要不惧挑战，这就是I.D.R Pikes Peak。

I.D.R Pikes Peak是大众第一款全电动力的参赛跑车。前后轴拥有2个独立高性能电机引擎，释放出680匹马力，650牛米扭矩的动力性能。I.D.R Pikes Peak的电能储存在一块锂离子电池中，该电池由两个动力单元组成，分别置于驾驶舱侧方和后方。约有20%行驶过程中所需能量是通过车内制动系统的能量回收产生的。

图4.   大众集团全新一带MEB平台

派克峰挑战赛赛制规定，赛车在出场间隔只有20分钟的时间进行充电。为此，大众车特别配备两台90KW充电设备，同时为动力电池充电，使赛车20分钟内充满电量。I.D.R Pikes Peak的动力电池也分为两组，这样做分摊了充电总功率，使电池发热量大幅降低，保障了车辆性能和安全的最优平衡。

作为短道赛事，I.D.R Pikes Peak要求电池组提供最强大的能量密度，在行驶过程中做最极限的电能功率输出，却不追求续航里程。与一般家用电动车不同，家用电动车的能量密度需要足够高来支撑电力续航里程，I.D.R Pikes Peak并不考虑这些。

I.D.R Pikes Peak首席工程师在解释这辆车的设计哲学时直言，I.D.R就是为了竞赛，就是为了在极致动力和轻量化上寻求最优解。因此，首要目的并非实现最大程度的性能，而是达到能量储备、车身重量和动力应用的最理想平衡。在气候诡谲、弯道急转的山路上，单纯提升动力而造成的瓶颈十分显著。这也是为什么在派克峰历史上，以往出现过动力超千匹马力的电动赛车，却依然被I.D. R Pikes Peak以一分钟左右的恐怖优势甩在身后的重要原因。

作为大众I.D.R Pikes Peak官方合作伙伴，I.D.R Pikes Peak能量管理设计工程师使用ANSYS解决方案来模拟赛车在赛道上的驾驶条件，使大众汽车的工程师能够确定如何达到冷却气流和空气动力损失的平衡，从而为车辆的最佳性能建立最佳的电池冷却策略。

“完美的电池能量管理是击败Pikes Peak其他赛车记录的关键因素，”大众汽车赛车与I.D. R Pikes Peak项目技术总监François-Xavier提到。“大众I.D.R 对Pikes Peak挑战成功，证明了使用ANSYS仿真技术解决的电池能量管理系统设计可靠性。我们团队对车辆的性能充满信心，并渴望在未来创造新记录。”

图5.   ANSYS助力I.D. R Pikes Peak创造未来

借用ANSYS CFD和Twin Builder，VW 赛车团队和ANSYS技术团队为电池系统进行了一系列的多物理场仿真，涵盖电池系统中电性能、热性能的设计和验证，以下为详细的设计步骤：

 1  为每个单体电池创建一个等效电路模型（以下简称ECM ）。

工程师使用脉冲放电数据（HPPC data）得到ECM模型中的所有参数。此步骤针对单个电池进行以确认ECM创建的正确性。ECM既是SoC，又是温度的函数。在Twin Builder中对ECM的仿真非常迅速，可以在几秒内完成整个赛车过程的仿真。

 2  将所有单体电池的ECM串联形成一个ECM模组。

将56个单体电池串联为电池模组

 3  使用ANSYS FLUENT对电池模组进行CFD热仿真。

由于电池的电性能是温度的函数，ECM模组需要一个热模型去预测电池的温度变化以更好得到电性能结果，因此使用FLUENT对模组进CFD仿真不可或缺。在VW的案例中，一个电池模组及附属结构的网格量约6700万，完成一个完整驱动循环的热仿真需要在100个CPUs上进行约48小时计算。CFD热仿真48小时计算量与ECM模型几秒钟计算量给多物理场双向耦合计算带来了巨大挑战。

VW 电池模组的热仿真

 4  使用ANSYS Twin Builder从FLUENT结果中提取关键热特性并建立热仿真的降阶模型（以下简称LTI ROM）。

针对步骤3提到的CFD与ECM时间尺度巨大差异，ANSYS针对电池特性开发了热仿真的降阶模型LTI ROM。LTI ROM符合线性时不变系统假设，可以得到与完整CFD仿真相同的结果，但计算速度会快10000倍以上，这样就解决了上述的计算时间不匹配问题。

 5  在ANSYS Twin Builder中将ECM模组模型与LTI ROM建立双向耦合仿真。

在ECM与LIT ROM双向耦合中，ECM预测电性能变化及产热量，而LTI ROM利用产热量计算得到电池的温度分布，并将温度信息传递给ECM模型中以确定温度对电性能的影响。

Twin Builder中ECM与LTI ROM双向耦合仿真

 6   将各个电池模组连接为电池PACK，做为整车的动力系统。

2019年9月，I.D.R将再出发，参加天门山“中国挑战赛“，过往，从来没有赛车能够在这里创造纪录，ANSYS希望与大家一起见证历史。

图6.   I.D.R天门山“中国挑战赛“赛车

赛道全场11km，99处悬崖急转弯，赛道起点海拔200米，赛道终点海拔1519米，落差1300米，“天堂赛道“，I.D.R来了！

图7.   在路上…