電動汽車外形低風阻及降溫散熱一體化設計優化路徑探析

摘要：電動汽車的外形設計對其續駛里程和熱管理性能影響重大，它需要同時考慮低風阻和良好的降溫散熱性能。傳統的外形優化設計都是將這兩個方面分開處理，導致設計目標之間存在矛盾和沖突。針對上述問題，提出了電動汽車外形低風阻及降溫散熱一體化設計的優化路徑，探究了多學科優化設計框架，并應用于基于機器學習的外形優化技術。該優化路徑有助于在電動汽車外形設計初期階段權衡性能指標，獲得整體最優解，為提高電動汽車的經濟性和可靠性奠定基礎。

關鍵詞：電動汽車外形；低風阻設計；散熱優化；優化路徑

中圖分類號：U469" " " "收稿日期：2025-01-17" " " "DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.04.021

Exploration of the Optimization Path of the Low Wind Resistance and Integrated Cooling and Heat Dissipation Design of Electric Vehicles

Liu Wentao" Xia Zhengting

Lanzhou Institute of Information Technology，Lanzhou 730000，China

Abstract：The exterior design of electric vehicles has a significant impact on their driving range and thermal management performance， and it is necessary to consider both low wind resistance and good cooling and heat dissipation performance. Traditional shape optimization design often treats these two aspects separately， resulting in contradictions and conflicts between design goals. In view the problems，the optimization path is proposed about low wind resistance and integrated cooling and heat dissipation design of electric vehicles. It explores a multidisciplinary optimization design framework and applies machine learning based shape optimization techniques. This optimization path helps to balance performance indicators in the early stages of electric vehicle shape design， obtain the overall optimal solution， and lay the foundation for improving the economy and reliability of electric vehicles.

Key words：Electric vehicle appearance;Low wind resistance design;Heat dissipation optimization;Optimized path

1 前言

電動汽車作為新能源汽車的代表，因其零排放、低噪音等優勢而備受關注。然而，電動汽車的續駛里程和熱管理性能制約了其大規模應用和推廣。在車身外形優化設計中，減小風阻系數可有效降低車輛行駛的阻力，延長續駛里程；優化車身散熱系統布局則有利于電池包等動力裝置的溫度控制，提高駕駛安全性。傳統的外形設計通常將低風阻和散熱優化分開考慮，但這兩個目標實際上是相互制約的，風阻減小可能會影響散熱性能，散熱優化也可能增大車身風阻[1]。因此，行業亟須一種系統的優化路徑來協調解決這一矛盾。

2 電動汽車外形設計的重要性

電動汽車的外形設計是其市場吸引力的重要組成部分。消費者在選擇電動汽車時，外觀往往是其最初考慮的因素之一[2]。一個具有吸引力的設計不僅可以提升車輛的市場競爭力，還能夠在消費者心中留下深刻的第一印象，從而增加購買意愿。電動汽車外形設計的現代感、流線型以及獨特性，可以有效地傳達出新能源汽車的先進性和環保理念，如采用平滑的車體線條不僅降低風阻，增加行駛里程，還能傳遞速度與未來感的視覺效果。與傳統燃油車相比，電動汽車在設計上可以更加靈活多變，因為電動機和電池的布局為研究人員提供了更多的創造空間，使得他們能夠打破傳統的設計約束，創造出更具創新性和差異化的產品[3]。

良好的設計不僅是美學的體現，更是技術創新和品牌理念的傳遞。外觀設計能夠體現出一家車企的技術實力和設計理念，對于塑造品牌形象、提升品牌價值具有重要意義，車企通過獨特的前臉設計、LED燈光配置以及車身比例的優化，可以使品牌在激烈的市場競爭中脫穎而出，建立起獨特的品牌識別度。電動汽車的設計還需要考慮到實用性與用戶體驗，如充電便利性、內部空間的合理布局以及智能化配置等，這些都是通過外形設計直接或間接表達的。良好的外形設計能夠提升用戶的使用體驗，增強用戶對電動汽車技術的信心，從而促進電動汽車技術的普及和接受度[4]。

3 電動汽車外形低風阻及降溫散熱一體化設計面臨的問題

電動汽車外形優化設計需要降低風阻系數以延長續駛里程，還需要優化降溫散熱性能以確保動力總成的工作可靠性。然而，風阻降低和散熱優化這兩個目標在具體設計中存在一定的矛盾和沖突，如何在有限的設計空間內平衡和協調這些相互制約的優化目標，成為亟待解決的關鍵問題[5]。

3.1 設計目標之間的沖突

從美觀性與功能性的角度來看，電動汽車研究人員在追求流暢低風阻的車身外形時，需要設計更加平滑和緊湊的車體線條，這樣的設計可以有效減少空氣阻力，提高車輛的能源利用率和行駛距離。然而，這種設計會限制車輛內部空間的布局，特別是對電池組和散熱系統的安置造成了一定的制約。例如，為了實現低風阻，車輛的前端設計可能會變得更加低矮和封閉，這限制了散熱系統（如散熱器和風扇）的大小和效率，因為這些組件需要足夠的空間來進行有效的熱交換。電動汽車的散熱需求不僅局限于保持電池組的適宜溫度，還需要考慮到電控系統和驅動電機的散熱，這就要求設計中必須有足夠的通風口和散熱路徑，而這與追求車體的流暢性往往是相悖的。因此，在外形設計中，如何在美觀與內部布局的功能性之間找到合理的平衡點，是研究人員面臨的一大挑戰。

提高能效與保證系統性能穩定性之間的沖突也是電動汽車設計中的一個核心問題。電動汽車的能效很大程度上取決于其車身的空氣動力學設計，低風阻可以顯著減少能量消耗，從而增加單次充電的行駛里程，而電動汽車的電池和其他電子組件在工作時會產生大量熱量，如果不通過有效的散熱措施進行處理，過高的溫度將會影響電池的性能和壽命，甚至可能導致安全風險。因此，設計一個高效的散熱系統是至關重要的。然而，高效的散熱系統設計一般需要更多的空間和復雜的通風結構，這可能與追求整車緊湊和設計簡潔的低風阻目標相沖突。因此，研究人員需要在確保電動汽車高效運行和長期穩定性的前提下，探索創新的散熱技術，同時保持車輛設計的美觀和實用性。

3.2 一體化設計難度較大

電動汽車在追求外形低風阻及降溫散熱一體化設計時，面臨的一體化設計難度較大主要體現在多功能復合設計要求高和技術整合復雜性兩個方面。

a.多功能復合設計要求高的問題在于電動汽車不僅需要滿足基本的行駛功能，還需兼顧能效、安全、舒適性等多方面的性能。低風阻設計要求車身線條必須流暢，以減少空氣阻力，這意味著需要對車輛的前臉、車頂曲線以及后尾部設計進行精細的調整。同時，為了有效散熱，研究人員必須設計合理的空氣流通路徑，包括進氣口和出氣口的位置及大小必須考慮到內部電池和電子設備的散熱需求。對低風阻與高效散熱的雙重要求，使得研究人員必須在保持車輛美觀與實用性的同時，進行復雜的空氣動力學模擬和熱流動分析，確保各項性能的最優化。電動汽車設計還需考慮到電池安置的空間與保護，電池作為電動汽車的核心部件，其安全性直接關系到車輛的可靠性和用戶的安全，因此在追求低風阻的同時，還需確保電池的固定和防護措施不受影響，這就大大增加了設計的難度和復雜性。

b.技術整合的復雜性也是一體化設計面臨的重大挑戰。電動汽車的設計不僅是單一學科的應用，而且是涉及汽車工程、電子工程、熱力學、材料科學等多個領域的綜合體現。在低風阻與散熱一體化設計過程中，需要將這些不同領域的技術有效地整合到一個統一的車輛設計中。例如，電動汽車的電機和控制系統產生的熱量需要通過散熱系統有效排出，這不僅涉及熱交換器的設計，還要考慮到其與車體造型的協調，以及如何通過車身設計自然引導空氣流動達到冷卻效果。現代電動汽車越來越多地采用智能化技術，如自動駕駛輔助系統、車聯網功能等，這些技術的集成也需要在車輛設計初期就進行考慮，以便確保所有系統的協同工作不會因設計調整而受到影響。跨學科的技術整合，不僅對設計團隊的專業能力提出了更高要求，也使得設計過程更加復雜和艱巨。

4 電動汽車外形低風阻和散熱一體化設計優化路徑

針對電動汽車外形低風阻及降溫散熱一體化設計所面臨的目標矛盾、一體化設計難度較大等諸多挑戰，研究人員需探索一種高效的、系統的優化路徑，在有限的設計空間內平衡和協調風阻降低與散熱優化這兩個相互制約的目標。同時，該優化路徑還應具備高度的自動化水平和廣泛的適用性，以適應現代虛擬化產品設計的需求，縮短開發周期，降低設計成本。優化路徑如表1所示。近年來，隨著計算技術和人工智能技術的不斷發展，基于參數化建模的多學科協同優化框架和機器學習驅動的外形優化技術應運而生，為解決電動汽車一體化設計優化問題提供了有力的技術支撐。

4.1 構建基于參數化建模的多學科協同優化框架

在電動汽車外形設計中，實現低風阻和散熱性能的一體化是提升整車能效與散熱能力的重要目標，研究人員可以構建基于參數化建模的多學科協同優化框架，在空氣動力學、熱管理和結構設計等多領域間協調優化，平衡不同設計目標之間的矛盾，確保整體性能的提升。

基于參數化建模，首先對汽車外形、進氣口、散熱器布局等關鍵幾何特征進行參數化處理，生成可調控的設計變量集合。參數化模型通過CAD軟件（如CATIA、SolidWorks）建立，核心設計變量包括車身曲線、進氣口大小及位置、散熱器傾角等。隨后，基于參數化模型，構建空氣動力學（CFD）、熱管理（如冷卻系統性能仿真）和結構設計（如強度和重量優化）三大領域的多學科仿真模型，并通過采用統一的數據接口（例如基于Python或MATLAB的腳本），實現不同學科模型的耦合與數據交互，確保各學科間的優化目標與約束條件相互協同。

4.2 應用基于機器學習的外形優化技術

在電動汽車外形低風阻與散熱一體化設計中，基于機器學習的外形優化技術能夠顯著提升優化效率和設計質量，引入機器學習模型對復雜的非線性關系進行建模和預測，可以在降低計算成本的同時實現優化過程的自動化和智能化。

在完成參數化建模后，設計優化進入基于機器學習的搜索與迭代階段。將機器學習代理模型與多目標優化算法（如遺傳算法NSGA-II或粒子群優化PSO）相結合，能夠在降低風阻和提升散熱性能之間進行快速權衡。通過優化算法生成初始設計變量組合，然后利用代理模型快速預測每組設計的風阻系數、散熱效率等性能指標，接著將這些預測結果反饋至優化算法中，更新設計變量并生成新的設計方案，如此循環迭代，直至滿足優化目標或設計變量收斂于全局最優解。基于機器學習的外形優化技術還支持結合強化學習方法，通過動態調整優化策略或探索全新設計空間，提高優化方案的創新性和全局性，最終，優化結果可通過高精度仿真或物理實驗進行驗證，確保設計方案的可行性。

通過構建基于參數化建模的多學科協同優化框架，并應用基于機器學習的外形優化技術，電動汽車外形低風阻與散熱性能的協同優化可以在復雜的多目標場景下實現快速收斂。這種技術路徑顯著減少了仿真計算的時間成本，還為設計人員提供了更多創新可能性，推動外形設計的精細化和智能化發展。

5 結語

電動汽車外形設計面臨低風阻和良好散熱這兩個相互制約的目標，傳統的分離設計方式難以平衡這一矛盾。基于參數化建模的多學科協同優化框架和機器學習驅動的外形優化技術為解決這一問題提供了有力途徑。研究人員可通過參數化建模定義關鍵幾何特征，構建空氣動力學、熱管理和結構分析仿真模型，并借助優化算法和機器學習代理模型在設計空間中高效搜索和迭代，實現低風阻與良好散熱性能的有機統一，獲得整體最優解。未來，電動汽車外形優化設計將融合更多先進計算技術，為構建高效節能、安全可靠的新能源交通系統貢獻力量。

參考文獻：

[1]李景景，謝鵬.基于模糊PID算法的電動汽車再生制動控制仿真[J].計算機仿真，2024，41（10）：101-105.

[2]任敏，李海迪，任龍慧，等.探討電動汽車外飾造型設計發展趨勢[J].時代汽車，2022（11）：128-130.

[3]郜云峰，齊偉超，張建勛，等.電動汽車動力電池箱體設計研究[J].汽車知識，2024，24（12）：37-39.

[4]祖炳潔，馬馳，高坤.純電動汽車動力傳動參數的設計與計算[J].農業裝備與車輛工程，2021，59（7）：50-53.

[5]張昌春.電池外殼輕量化設計對電動汽車的意義及設計策略[J].汽車畫刊，2024（5）：76-78.

作者簡介：

劉文濤，男，1993年生，講師，研究方向為汽車服務工程。