基于CFD的新能源商用車續航分析與場景驗證

馬德術 文書涵 李世強 鄭偉光 韋尚軍

摘要：新能源商用車的空氣動力學性能一直以來都是影響整車續航的重要影響因素。以某款新能源電動輕卡為研究對象，采用CFD數值模擬仿真分析方法，分析不同外觀、導流罩等造型因素對車輛風阻的影響，從而計算對整車在不同車載重下空氣動力對整車的阻力，得出空氣動力對整車續航的影響及關鍵要素；再以數值模擬的方式進行優化設計及仿真；最后在相同的載重、電池SOC以及環境條件下進行實地場景實驗驗證，從而提升新能源商用車的續航能力。實驗結果表明，在新能源商用車高速行駛條件下，空氣動力對續航影響較大，通過改善、封閉駕駛室前圍，提高頂導流罩，使用光板貨箱等方式，可以有效降低車輛阻力，降低了137%的百公里電耗，并提升了車輛2432 km的續航里程。

關鍵詞：新能源商用車；CFD；空氣動力學；續航；場景

中圖分類號：U462? 收稿日期：2024-04-10

DOI：1019999/jcnki1004-0226202406009

1 前言

隨著能源危機與環境污染問題的逐漸凸顯，各國積極地制定了一系列措施，加大了對新能源產業的投資建設力度，極大地推動了新能源汽車的發展[1]。目前，我國商用車保有量約占汽車保有量的12%，但是氮氧化物和PM污染物排放量占總量的80%，溫室氣體排放量占道路交通總排放量的77%，所以商用車是汽車產業減排降碳的關鍵。為實現“碳達峰、碳中和”的戰略目標，商用車低碳化發展將采用多路協同發展的方式，其中發展輕、微型商用車的純電動化是實現零排放的最佳技術路線[2]。相比傳統燃油商用車，純電動商用車在使用端為零排放，其整體結構較簡單、傳動效率高、噪聲低，適合在全國范圍內推廣使用。但純電動商用車也有不可忽視的劣勢，如續航里程短，因此純電動商用車的續航里程也逐漸成為各個企業純電動商用車車型的核心競爭力[3]。

新能源商用車的續航里程受許多因素的影響，其中空氣阻力對汽車的續航里程的影響比較大[4]。尤其是長時間在高速路上行駛的新能源商用車，汽車的速度越大，其受到的空氣阻力越大，這無疑會使車輛消耗更多的能量，使得車輛的續航里程縮短。為此本研究對某純電動輕型商用車進行CFD數值模擬仿真分析，找到車輛的空氣阻力對其續航里程的影響因素，進行降風阻的優化設計，從而提高車輛的續航里程。

2 CFD仿真分析原理

CFD仿真作為汽車風阻優化的常用分析手段，在基于有限體積法進行CFD分析求解時，采用均化的流體力學方程組進行三維流場分析，可得到速度場、壓力場、溫度場分布結果，以及氣動六分力值[5]。對于不可壓縮流體，其控制方程為如下。

運動方程：

[dvdt=μρ?2v-1ρ?p]???????????????????????? （1）

式中，[v]為流場速度；[p]為流場壓力；[μ]為流體動力黏性系數；[ρ]為空氣密度；[?]為拉氏算子。

連續性方程：

[?Vi?t+?Vj?t+?Vk?t=-?ρ?t]????????????????????? （2）

式中，[ρ]為流體密度；[t]為時間；[Vi]、[Vj]、[Vk]分別為流體速度矢量在i、j、k三個方向上的分量。

仿真采用了Realizable k-ε湍流模型，Realizable k-ε湍流模型可用于各種不同類型的流動模擬，很適合汽車外部流場的模擬。k和ε的相關方程如下：

[??t（ρk）+??xi（ρkui）=μ+μiσk?k?xj+]

[Gk+Gb-ρε-YM+Sk]???????????????????? （3）

[??t（ρε）+??xi（ρεui）=??xjμ+μiσε?ε?xj+]

[ρC1Sε-ρC2ε2k+vε+C1εεkC3εGb+Sε]??????? （4）

式中，[ui]為空氣流動速度；[Gk]為層流速度梯度產生的湍流動能；[Gb]為浮力產生的湍流動能；[Sk]、[Sε]為用戶自定義參數；[σk]、[σε]為方程的湍流Prandtl數；[YM]為在可壓縮湍流中過渡擴散產生的波動；[C1]、[C2]、[C1ε]、[C3ε]為常量。

對上述的方程組進行封閉并利用有限元法進行離散求解，即能得到速度壓力等信息。

3 原車續航與風阻分析

31 車輛參數

本文研究對象為某純電動輕型商用車，其車輛基本參數信息與模型如表1和圖1所示。

表1 某純電動輕型商用車基本參數信息

[名稱????? 參數信息?????? 電池容量，kW·h?????? 8114??? 電機峰值功率，kW????? 120? 后橋速比?????? 4875??? 迎風面積mm，寬×高?????? 2 180×3 220? 貨箱形式?????? 瓦楞結構?????? 行駛里程，km????? 3 440????? ]

32 續航分析

收集客戶的車輛空載與帶載行車路譜，把車輛的行車路譜作為道路邊界條件從而進行車輛的續航測試。圖2為車輛空車與帶載兩種狀態下行車路譜曲線。

從圖2可看出，此路譜中有86%的工況為最高車速88 km/h，對其3次續航測試后的結果如表2所示。

結果顯示車輛的續航在150 km，且長時間處于高速工況，而高速工況使風阻變大，這可能是造成續航不夠長的原因。

33 風阻分析

對研究車輛進行CFD仿真，并研究車輛運行時的外流場，分析整車風阻情況，找到受風阻影響最大的地方，從而建立優化目標進行車輛的風阻優化，減小風阻，增加續航里程。

圖3為車輛速度矢量圖，圖中黑色圈內由于車頂導流罩偏矮，氣流沖擊貨箱，一部分氣流產生較大的分離流動。從圖4壓力云圖也能看到，車輛正前方上端貨箱受到較大的正壓力，是由于氣流沖擊引起，另外車輛前臉部分的孔洞會增加氣流的耗散，這些因素都會增加車輛的行駛阻力。

綜上所述，車輛的車頂導流罩形狀、貨箱高度、車輛造型等是影響車輛風阻的主要因素，另外，貨箱形狀與其他空氣動力套件的加裝也會影響車輛的風阻。需要依次對這些因素進行探索，從而找到降低目標車輛風阻的方案。

4 CFD仿真優化

41 車頂導流罩優化

車輛車頂導流罩的作用是對正前方的氣流進行引導，將氣流導向較高處流動，能很大程度上改善氣流對貨箱的沖擊和駕駛室與貨箱之間空隙處氣流的斷續現象，減小空氣渦流，從而降低風阻。

為了研究導流罩形狀對風阻的影響，以及對整車風阻進行優化，選擇了4款不同形狀參數的車頂導流罩，其外表面面積與導流罩形狀差異如表3與圖5所示。

在相同的條件下對所有車輛模型進行CFD仿真數值模擬，結果如表4所示。

結果顯示，4款優化導流罩方案相對于原車方案，風阻都得到了明顯的改善，車輛的風阻系數從原車的0543最低降到0462，Cd×A降低了1507%。從圖6的車輛表面壓力云圖可以看出，貨箱前端正壓改善也較為明顯。但前輪、前橋及后輪等底盤部件正壓較為明顯，后續可采用前保下導流板及側裙降低正壓，從而降低風阻。

由圖7的車輛Y=0截面速度矢量圖顯示，4種導流罩均改善了原車車頂氣流沖擊車廂的問題，改善了氣流的分離流動，而圖7e中可以看見比較明顯的氣流流動分離，是導流罩D風阻偏大的原因。

從圖8的Z=19 m截面速度矢量圖可以看到，原車貨箱頭部速度較高，是氣流沖擊帶來的結果。導流罩B相對于導流罩A貨箱兩側貼體流動性能更優，而導流罩C與導流罩D相對于導流罩B，貼體流動性更優。

42 前臉優化

在與競品車對比時發現，競品車與研究車輛造型差異大，競品車駕駛室前進氣格柵與前保險杠均為封閉狀態，且寬度較研究車輛窄115 mm，但風阻系數競品車要低得多。

對某純電動輕型商用車進行前臉優化，如圖9對原車前臉進氣格柵與前保險杠進行封閉，再對兩個狀態的車輛模型進行CFD數值模擬分析，表5結果顯示封閉進氣格柵與保險杠后風阻系數下降了5%，這表明了車輛前臉造型會影響車輛的風阻，從而影響車輛的續航里程。

43 貨箱優化

針對貨箱形式和高度對風阻的影響展開探索與優化，設置三個貨箱方案進行CFD仿真和分析對比，方案A為矮貨箱與光板車輛，方案B為高貨箱與瓦楞板車輛，方案C為高貨箱與光板車輛，其中矮貨箱比高貨箱矮250 mm。

表6方案A與方案C對比，風阻降低了21%，說明在其他條件相同的情況下貨箱高度對車輛風阻影響較大。方案B與方案C相比，風阻增加了78%，使用光板貨箱能有效降低風阻，貨箱形式也是影響風阻的因素之一。

結合圖10表面壓力云圖與圖11車輛Y=0截面速度矢量圖，方案A貨箱上端氣流沖擊較小，氣流分離情況比較輕微，方案B與方案C貨箱上與前臉部分正壓較大，氣流分離情況與氣流沖擊較為嚴重，但上述情況方案C相比于方案B要輕微。

5 場景驗證

對優化后的車輛進行場景驗證，如圖12與圖13所示，通過更換導流罩、封閉前臉進氣格柵以及采用光板貨箱等手段，在實際典型道路上進行續航測試，測試工況為去程空載回程滿載，采集行車路譜，測試結果如表7所示。與第二節中的表2進行數據對比，整體優化后，車輛的百公里平均電耗下降了617 kW·h，優化了137%，續航里程增加了2432 km，比原車提升了1615%。

對某純電動輕型商用車優化前后整車進行全高速工況測試，全程高速工況下空載電耗降低72%，帶載工況下電耗下降822%，優化效果明顯，如圖14所示。

6 結語

本研究通過對某純電動輕型商用車不同優化方案進行CFD仿真分析和對比，找到了影響續航里程的因素，通過降低風阻使車輛的續航里程增加，車輛的導流罩造型、前臉造型、貨箱造型是影響續航里程的主要因素，另外，車輛的其他氣動件如保險杠下導流板、尾翼和側裙等也會影響車輛的續航里程，在所有因素中，導流罩造型的影響最大，最高能降低15%的風阻。為此通過在實際道路條件下的場景驗證，車輛空載和滿載能耗明顯降低，通過優化導流罩、前臉造型及貨箱造型后，車輛能提升2432 km的續航里程。

參考文獻：

[1]王津電動汽車續航里程的研究分析與優化[J]汽車實用技術，2022，47（23）：12-18

[2]邱彬，彭海麗我國商用車低碳化發展環境研究與技術路徑分析[J]汽車工程學報，2022，12（2）：127-136

[3]韋慧紅，肖國鈺純電動汽車續航提升方案探究[J]時代汽車，2023（13）：85-87

[4]彭聰純電動汽車續駛里程影響因素[J]汽車實用技術，2022，47（14）：6-8

[5]王新宇，王登峰，范士杰等商用車空氣動力學附加裝置減阻技術的研究及應用[J]機械工程學報，2011，47（6）：107-112

作者簡介：

馬德術，男，1988年生，工程師，研究方向為新能源整車開發應用。

韋尚軍（通訊作者），男，1988年生，工程師，研究方向為新能源整車集成與測試技術。