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(xué)上海地面交通工具風(fēng)洞中心 上海 201804；2．同濟大學(xué)汽車學(xué)院 上海 201804）

0 引 言

近年來電動汽車發(fā)展迅速，各大汽車公司都推出了自己的電動汽車，有的側(cè)重新穎的造型，有的側(cè)重獨特的功能，反映了各汽車公司對未來電動汽車發(fā)展趨勢的不同設(shè)想。但這些美好愿望的實現(xiàn)都要面臨著同樣一個問題，那就是目前電動汽車電池技術(shù)難以取得重大突破，電動汽車?yán)m(xù)駛里程不足（60～200 km）。因此在目前電池技術(shù)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(cè)重空氣動力學(xué)性能的電動汽車也是未來發(fā)展的方向之一。

1 電動汽車設(shè)計特點

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

電動汽車與傳統(tǒng)汽車的最大不同點在于驅(qū)動部分。傳統(tǒng)汽車通過燃燒化石燃料，依靠發(fā)動機和機械的傳動系統(tǒng)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(qū)動車輛。這里內(nèi)燃機被電動機取代，傳動系統(tǒng)被線控技術(shù)代替，而油箱則換作了電池。電氣電子化為主的系統(tǒng)使其在構(gòu)造上與傳統(tǒng)汽車有了很大的不同，像日產(chǎn)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(shè)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(xué)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(fā)展方向之一，即通過集成化底盤設(shè)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(nèi)飾及座椅外的一切構(gòu)件統(tǒng)統(tǒng)安裝在汽車底盤上，并配合不同造型的車身生產(chǎn)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(jié)構(gòu)來說體積更小。電動汽車不再像傳統(tǒng)汽車那樣從轉(zhuǎn)向盤到車輪都是由機械結(jié)構(gòu)連接起來，而是在轉(zhuǎn)向盤與車輪間通過線控技術(shù)相連，這樣一來用于放置各種機械結(jié)構(gòu)的空間就被節(jié)省出來；同樣傳統(tǒng)意義上的發(fā)動機艙也不再出現(xiàn)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(nèi)，省去了變速器、差速器、驅(qū)動軸和萬向節(jié)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(chǎn)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(tǒng)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(jīng)算不上一個新的詞匯，像自動泊車系統(tǒng)、夜視系統(tǒng)和智能照明系統(tǒng)都是一種智能化的體現(xiàn)，更不用說GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，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(zhì)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(xù)提升未來汽車的主動安全，最終實現(xiàn)汽車“零碰撞”的目標(biāo)。由于目前傳統(tǒng)汽車的主動安全系統(tǒng)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(qū)。而“零碰撞”的目標(biāo)一旦實現(xiàn)，它將對未來電動汽車造型產(chǎn)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(shè)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(chǎn)PIVO2（見圖3）就充分展示了未來電動汽車智能化設(shè)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(tǒng)。在 PIVO2身上已經(jīng)看不到傳統(tǒng)汽車“箱”的概念，車輪也不像傳統(tǒng)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(shù)的進步突破傳統(tǒng)汽車的局限，為未來電動汽車空氣動力學(xué)的設(shè)計提供了更大的空間。

2 電動汽車的空氣動力學(xué)設(shè)計

2.1 空氣動力學(xué)對電動汽車的意義

對內(nèi)燃機汽車而言，良好的空氣動力學(xué)性能意味著高速良好的操控性能，更意味著出色的節(jié)油效果。對電動汽車來說，則意味著更長的續(xù)駛里程。因此對于電動汽車，空氣動力學(xué)設(shè)計就顯得尤為重要。

現(xiàn)在，人們對傳統(tǒng)汽車空氣動力學(xué)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(tǒng)汽車的空氣動力學(xué)問題，但受制于傳統(tǒng)汽車的結(jié)構(gòu)，一些空氣動力學(xué)研究經(jīng)驗難以更好的應(yīng)用，這使得傳統(tǒng)汽車的空氣動力學(xué)設(shè)計難以取得更大的突破。而電動汽車由于在結(jié)構(gòu)上不同于傳統(tǒng)汽車，很多在傳統(tǒng)汽車上無法實現(xiàn)的研究經(jīng)驗卻可以應(yīng)用于電動汽車，進一步提高電動汽車的空氣動力學(xué)性能。

2.2 空氣動力學(xué)設(shè)計總原則

雖然未來電動汽車造型各異，但從空氣動力學(xué)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(tǒng)汽車將氣流引入發(fā)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(chǎn)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(xué)設(shè)計特點

針對電動汽車的空氣動力學(xué)設(shè)計應(yīng)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(shù)CD的影響[3]，可以看出車頭高度越低氣動阻力系數(shù)越小。對于傳統(tǒng)汽車，由于影響發(fā)動機艙內(nèi)部機構(gòu)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(fā)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(xué)性能。

（2）車身后部造型。汽車后部造型與氣流狀態(tài)很復(fù)雜，一般很難確切地斷言后部的造型式樣的優(yōu)劣，從理論上講，小斜背具有較小的氣動阻力系數(shù)[3]。因此，對于考慮空氣動力學(xué)電動汽車造型設(shè)計來講，尾部的設(shè)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(yōu)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(shù) 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(shù)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(jié)構(gòu)特點容易做成光滑底板，因此在設(shè)計中要結(jié)合工程分析出的最佳離地高度來優(yōu)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(yīng)與整車造型相融合，創(chuàng)造區(qū)別與傳統(tǒng)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(xué)性能服務(wù)。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(shù)，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(dāng)比值大于1后，升力系數(shù)達到最小且不再變化[3]?，F(xiàn)代汽車的尾翼更多的是與側(cè)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(shù)、氣動升力系數(shù)與車輪和輪腔特性參數(shù)的關(guān)系曲線[3]，特性參數(shù)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(dāng)h/D=0.75時氣動阻力系數(shù)與升力系數(shù)最小。當(dāng)然，前輪由于轉(zhuǎn)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(jié)束語

集成化、智能化將是未來電動汽車的發(fā)展趨勢。空氣動力學(xué)的設(shè)計也將在未來電動汽車設(shè)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(xué)設(shè)計提出了新的挑戰(zhàn)。本文結(jié)合傳統(tǒng)汽車空氣動力學(xué)的研究結(jié)果，提出了針對電動汽車空氣動力學(xué)設(shè)計中需要注意的問題，對今后電動汽車的設(shè)計給出了一定的指導(dǎo)和參考。

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[3]谷正氣. 汽車空氣動力學(xué)[M]. 北京：人民交通出版社，2005.

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