基于空氣動力學的未來電動汽車設計特點

徐 飛, 李彥龍, 張晨銘, 楊志剛

Xu Fei1, Li Yanlong2, Zhang Chenming3, Yang Zhigang4

（1．3．4．同濟大學上海地面交通工具風洞中心 上海 201804；2．同濟大學汽車學院 上海 201804）

0 引 言

近年來電動汽車發展迅速，各大汽車公司都推出了自己的電動汽車，有的側重新穎的造型，有的側重獨特的功能，反映了各汽車公司對未來電動汽車發展趨勢的不同設想。但這些美好愿望的實現都要面臨著同樣一個問題，那就是目前電動汽車電池技術難以取得重大突破，電動汽車續駛里程不足（60～200 km）。因此在目前電池技術的條件下，電動汽車必須盡可能的省電，其中減小行駛中的阻力是最有效的，而空氣阻力又占有很大的比重（時速80 km/h時，空氣阻力約占總阻力的50%[1]），車輛速度越快，這個比例越大。因此，側重空氣動力學性能的電動汽車也是未來發展的方向之一。

1 電動汽車設計特點

一輛汽車的空氣動力學設計與造型設計是緊密相連的，在研究電動汽車的空氣動力學問題之前要先研究未來電動汽車的造型設計特點。

電動汽車與傳統汽車的最大不同點在于驅動部分。傳統汽車通過燃燒化石燃料，依靠發動機和機械的傳動系統將動力送至車輪，而電動汽車則是依靠電池將電力送至電動機驅動車輛。這里內燃機被電動機取代，傳動系統被線控技術代替，而油箱則換作了電池。電氣電子化為主的系統使其在構造上與傳統汽車有了很大的不同，像日產PIVO2概念電動汽車就充分展示了未來電動汽車集成化和智能化的設計趨勢，在這種趨勢下造型上的改變必然影響電動汽車空氣動力學性能的變化。

1.1 集成化

通用汽車在 2002年推出了一款名叫Autonomy的氫燃料電池概念汽車（圖 1）。其最大意義在于它給出了未來電動汽車發展方向之一，即通過集成化底盤設計提供更高的空間利用率和更大的造型自由度。未來的電動汽車可以把除車身、內飾及座椅外的一切構件統統安裝在汽車底盤上，并配合不同造型的車身生產出滿足不同需求的汽車。

集成化使得電動汽車的各個控制元件相對于機械結構來說體積更小。電動汽車不再像傳統汽車那樣從轉向盤到車輪都是由機械結構連接起來，而是在轉向盤與車輪間通過線控技術相連，這樣一來用于放置各種機械結構的空間就被節省出來；同樣傳統意義上的發動機艙也不再出現在電動汽車上，新型的車輪（圖2）將電動機、制動器、懸架和減震器都集成在整個輪腔內，省去了變速器、差速器、驅動軸和萬向節軸，這樣電動汽車就可以獲得更大的駕駛艙或行李艙。電動汽車總布置上的變化將對造型產生影響，進而改變電動汽車的氣動性能，特別是進氣格柵的消失和更加平整的底盤（沒有懸架和排氣系統的干擾）可以減小汽車的氣動阻力。

1.2 智能化

對于汽車來講，智能化已經算不上一個新的詞匯，像自動泊車系統、夜視系統和智能照明系統都是一種智能化的體現，更不用說GPS導航系統，雖然它們增加了行車的安全保障，但這些只能算作功能上的補充，并沒有從本質上解決汽車的碰撞安全問題。因此智能化對未來汽車的重要意義在于它將繼續提升未來汽車的主動安全，最終實現汽車“零碰撞”的目標。由于目前傳統汽車的主動安全系統還無法完全做到“零碰撞”，因此在造型上駕駛艙的前后必然要保留一定的空間作為碰撞緩沖區。而“零碰撞”的目標一旦實現，它將對未來電動汽車造型產生巨大的影響，電動汽車上便不再有前后防撞鋼梁和車門防撞鋼梁，大部分針對碰撞的設計將會消失，這將為電動汽車爭取到更多的造型空間，同時擁有前后開啟的車門也不再是幻想。

日產PIVO2（見圖3）就充分展示了未來電動汽車智能化設計的特點，PIVO2在造型上更加自由，它把“電動汽車”定義得更純粹，4個車輪加1個駕駛艙，其他的都交給電子控制系統。在 PIVO2身上已經看不到傳統汽車“箱”的概念，車輪也不像傳統汽車那樣被罩在車身外殼下而是完全獨立出來。

未來電動汽車造型將隨著技術的進步突破傳統汽車的局限，為未來電動汽車空氣動力學的設計提供了更大的空間。

2 電動汽車的空氣動力學設計

2.1 空氣動力學對電動汽車的意義

對內燃機汽車而言，良好的空氣動力學性能意味著高速良好的操控性能，更意味著出色的節油效果。對電動汽車來說，則意味著更長的續駛里程。因此對于電動汽車，空氣動力學設計就顯得尤為重要。

現在，人們對傳統汽車空氣動力學問題的認識相對成熟，無論是從仿真的角度還是實驗的角度都不難解決傳統汽車的空氣動力學問題，但受制于傳統汽車的結構，一些空氣動力學研究經驗難以更好的應用，這使得傳統汽車的空氣動力學設計難以取得更大的突破。而電動汽車由于在結構上不同于傳統汽車，很多在傳統汽車上無法實現的研究經驗卻可以應用于電動汽車，進一步提高電動汽車的空氣動力學性能。

2.2 空氣動力學設計總原則

雖然未來電動汽車造型各異，但從空氣動力學角度講，仍要遵循幾個共同的原則。

簡潔的車身，即減少車身上的凸起物（像后視鏡，門扣手等）；減少不必要的進氣口（傳統汽車將氣流引入發動機艙會增加空氣阻力）；保證車身的整體性（避免車輪獨立于車身之外，擾亂流過車身的氣流）。

流線型的車身，即盡量避免氣流流過車身時產生分離。像大眾XL1（圖4）就是流線型外觀的汽車。

2.3 電動汽車空氣動力學設計特點

針對電動汽車的空氣動力學設計應注意以下幾個問題：

（1）車頭高度。圖 5反映了車頭高度對氣動阻力系數CD的影響[3]，可以看出車頭高度越低氣動阻力系數越小。對于傳統汽車，由于影響發動機艙內部機構的布置，所以車頭高度的下降受到限制，但因電動汽車沒有“發動機艙”，故車頭高度就可以做得更低，以獲得更好的空氣動力學性能。

（2）車身后部造型。汽車后部造型與氣流狀態很復雜，一般很難確切地斷言后部的造型式樣的優劣，從理論上講，小斜背具有較小的氣動阻力系數[3]。因此，對于考慮空氣動力學電動汽車造型設計來講，尾部的設計在概念階段，在把握大的要求下不必過分在意具體的造型形式，更多還是要靠工程分析來進行優化，具體問題具體分析。

（3）車身底部離地高度。研究表明：對于具有光滑底板的汽車而言存在一個最佳離地高度。圖 6展示車身底部離地高度對氣動阻力系數 CD的影響[3]。其中 VW-Van、VW-Porsche914、Competitor F2-23種車型都是隨著車身底部離地高度的增加氣動阻力系數增加，對于車身底部被覆蓋起來的 Citroen-ID19則存在一個最佳的離地高度[3]。電動汽車由于其結構特點容易做成光滑底板，因此在設計中要結合工程分析出的最佳離地高度來優化造型形式，此外離地高度還要滿足車輛的通過性要求。

（4）前后擾流器。擾流器主要分為前擾流器和后擾流器，由于電動汽車造型上的更大靈活性，擾流器應與整車造型相融合，創造區別與傳統汽車的造型形式，同時這種新的造型形式又能在功能上為整車的空氣動力學性能服務。加裝尾翼可以大幅改善汽車的氣動性能，比常見的擾流器效果更明顯，需要注意的是尾翼與車身表面的高度是非常重要的參數，同時尾翼的高度也影響造型效果。通常用尾翼距汽車表面的高度和尾翼弦長之比來描述，如圖7所示當比值大于1后，升力系數達到最小且不再變化[3]。現代汽車的尾翼更多的是與側后圍高度融合（賽車除外），不過分凸顯其作用。

（5）車輪與輪腔特性。由實驗可知，有輪腔覆蓋的車輪比完全暴露在空氣中的車輪在行駛中的氣動性能要好很多。對于都有輪腔包覆的車輪而言，車輪的大小及車輪與輪腔間距的影響就變得很重要了。圖8說明了氣動阻力系數、氣動升力系數與車輪和輪腔特性參數的關系曲線[3]，特性參數為被輪腔覆蓋的車輪高度 h與車輪直徑D之比。由圖可知，當h/D=0.75時氣動阻力系數與升力系數最小。當然，前輪由于轉向的需要，所需的空腔比后輪的要大，空腔對外部氣流更為開放。因此，前輪所受的氣動阻力和氣動升力比后輪大。

3 結束語

集成化、智能化將是未來電動汽車的發展趨勢。空氣動力學的設計也將在未來電動汽車設計中占有越來越重要的位置，同時未來多變的造型也給空氣動力學設計提出了新的挑戰。本文結合傳統汽車空氣動力學的研究結果，提出了針對電動汽車空氣動力學設計中需要注意的問題，對今后電動汽車的設計給出了一定的指導和參考。

[1]傅立敏. 汽車空氣動力學[M]. 北京：機械工業出版社，2006.

[2]Lawrence D. Burns. Reinventing the Automobile：Personal Urban Mobility for the 21st Century[M]. Cambridge：MIT Press （MA），2010.

[3]谷正氣. 汽車空氣動力學[M]. 北京：人民交通出版社，2005.

[4]余捷. 基于提升續駛里程的電動汽車車身造型參數研究[D].天津大學，2009