启飞汽车

　　基于空气动力学的未来电动汽车设计特点·

　　文章编号：1002-4581(2012)05-0006-04

　　基于空气动力学的未来电动汽车设计特点

　　徐飞,李彦龙,张晨铭,杨志刚

　　XuFei,LiYanlong,ZhangChenming,YangZhigang

　　(1.3.4.同济大学上海地面交通工具风洞中心上海201804;2.同济大学汽车学院上海201804)

　　摘要：电动汽车在电子电气技术上不同于传统内燃机汽车，这使得集成化和智能化成为未来电动汽车的设计特点。由于电动汽车造型上更为自由，留给空气动力学设计的空间也就更大，一些因传统汽车的造型局限而无法采用的空气动力学研究经验得以应用于电动汽车。

　　关键词：空气动力学;电动汽车;汽车设计

　　北京汽车

　　中图分类号：U469.72.02:U461.1

　　文献标识码：A

　　问题之前要先研究未来电动汽车的造型设计特点。

　　0引言

　　电动汽车与传统汽车的最大不同点在于驱动部分。传统汽车通过燃烧化石燃料，依靠发动机和机械的传动系统将动力送至车轮，而电动汽车则是依靠电池将电力送至电动机驱动车辆。这里内燃机被电动机取代，传动系统被线控技术代替，而油箱则换作了电池。电气电子化为主的系统使其在构造上与传统汽车有了很大的不同，像日产PIVO2概念电动汽车就充分展示了未来电动汽车集成化和智能化的设计趋势，在这种趋势下造型上的改变必然影响电动汽车空气动力学性能的变化。

　　近年来电动汽车发展迅速，各大汽车公司都推出了自己的电动汽车，有的侧重新颖的造型，有的侧重独特的功能，反映了各汽车公司对未来电动汽车发展趋势的不同设想。但这些美好愿望的实现都要面临着同样一个问题，那就是目前电动汽车电池技术难以取得重大突破，电动汽车续驶里程不足(60～200km)。因此在目前电池技术的条件下，电动汽车必须尽可能的省电，其中减小行驶中的阻力是最有效的，而空气阻力又占有很大的比重(时速80km/h时，空气阻力约占总阻

　　[1]力的50%)，车辆速度越快，这个比例越大。因此，侧重空气动力学性能的电动汽车也是未来发展的方向之一。

　　1.1集成化

　　通用汽车在2002年推出了一款名叫Autonomy的氢燃料电池概念汽车。其最大意义在于它给出了未来电动汽车发展方向之一，即通过集成化底盘设计提供更高的空间利用率和更大的造型自由度。未来的电动汽车可以把除车身、内饰及座椅外的一切构件统统安装在汽车底盘上，并配合不同造型的车身生产出满足不同需求的汽车。

　　1电动汽车设计特点

　　一辆汽车的空气动力学设计与造型设计是紧密相连的，在研究电动汽车的空气动力学

　　金项目：国家“973”项目(2011CB711200)

　　·基于空气动力学的未来电动汽车设计特点·的碰撞安全问题。因此智能化对未来汽车的重要意义在于它将继续提升未来汽车的主动安全，最终实现汽车“零碰撞”的目标。由于目前传统汽车的主动安全系统还无法完全做到“零碰撞”，因此在造型上驾驶舱的前后必然要保留一定的空间作为碰撞缓冲区。而“零碰撞”的目标一旦实现，它将对未来电动汽车造型产生巨大的影响，电动汽车上便不再有前后防撞钢梁和车门防撞钢梁，大部分针对碰撞的设计将会消失，这将为电动汽车争取到更多的造型空间，同时拥有前后开启的车门也不再是幻想。

　　集成化使得电动汽车的各个控制元件相对于机械结构来说体积更小。电动汽车不再像传统汽车那样从转向盘到车轮都是由机械结构连接起来，而是在转向盘与车轮间通过线控技术相连，这样一来用于放置各种机械结构的空间就被节省出来;同样传统意义上的发动机舱也不再出现在电动汽车上，新型的车轮(图2)将电动机、制动器、悬架和减震器都集成在整个轮腔内，省去了变速器、差速器、驱动轴和万向节轴，这样电动汽车就可以获得更大的驾驶舱或行李舱。电动汽车总布置上的变化将对造型产生影响，进而改变电动汽车的气动性能，特别是进气格栅的消失和更加平整的底盘(没有悬架和排气系统的干扰)可以减小汽车的气动阻力。

　　日产PIVO2(见图3)就充分展示了未来电动汽车智能化设计的特点，PIVO2在造型上更加自由，它把“电动汽车”定义得更纯粹，4个车轮加1个驾驶舱，其他的都交给电子控制系统。在PIVO2身上已经看不到传统汽车“箱”的概念，车轮也不像传统汽车那样被罩在车身外壳下而是完全独立出来。

　　未来电动汽车造型将随着技术的进步突破传统汽车的局限，为未来电动汽车空气动力学的设计提供了更大的空间。

　　悬挂弹簧轮内主动悬挂

　　2电动汽车的空气动力学设计

　　2.1空气动力学对电动汽车的意义

　　对内燃机汽车而言，良好的空气动力学性能意味着高速良好的操控性能，更意味着出色的节油效果。对电动汽车来说，则意味着更长的续驶里程。因此对于电动汽车，空气动力学设计就显得尤为重要。

　　1.2智能化

　　对于汽车来讲，智能化已经算不上一个新的词汇，像自动泊车系统、夜视系统和智能照明系统都是一种智能化的体现，更不用说GPS导航系统，虽然它们增加了行车的安全保障，但这些只能算作功能上的补充，并没有从本质上解决汽车

　　现在，人们对传统汽车空气动力学问题的认识相对成熟，无论是从仿真的角度还是实验的角度都不难解决传统汽车的空气动力学问

　　·基于空气动力学的未来电动汽车设计特点·

　　但受制于传统汽车的结构，一些空气动力学研究经验难以更好的应用，这使得传统汽车的空气动力学设计难以取得更大的突破。而电动汽车由于在结构上不同于传统汽车，很多在传统汽车上无法实现的研究经验却可以应用于电动汽车，进一步提高电动汽车的空气动力学性能。

　　式样的优劣，从理论上讲，小斜背具有较小的[3]

　　气动阻力系数。因此，对于考虑空气动力学

　　电动汽车造型设计来讲，尾部的设计在概念阶段，在把握大的要求下不必过分在意具体的造型形式，更多还是要靠工程分析来进行优化，具体问题具体分析。

　　2.2空气动力学设计总原则

　　虽然未来电动汽车造型各异，但从空气动力学角度讲，仍要遵循几个共同的原则。简洁的车身，即减少车身上的凸起物(像后视镜，门扣手等);减少不必要的进气口(传统汽车将气流引入发动机舱会增加空气阻力);保证车身的整体性(避免车轮独立于车身之外，扰乱流过车身的气流)。

　　流线型的车身，即尽量避免气流流过车身时产生分离。像大众XL1(图4)就是流线型外观的汽车。

　　(3)车身底部离地高度。研究表明：对于具有光滑底板的汽车而言存在一个最佳离地高度。图6展示车身底部离地高度对气动阻力系数CD的影响[3]。其中VW-Van、VW-Porsche914、CompetitorF2-23种车型都是随着车身底部离地高度的增加气动阻力系数增加，对于车身底部被

　　2.3电动汽车空气动力学设计特点针对电动汽车的空气动力学设计应注意以下几个问题：

　　(1)车头高度。图5反映了车头高度对气动

　　阻力系数C的影响，可以看出车头高度越低气动阻力系数越小。对于传统汽车，由于影响发动机舱内部机构的布置，所以车头高度的下降受到限制，但因电动汽车没有“发动机舱”，故车头高度就可以做得更低，以获得更好的空气动力学性能。

　　(2)车身后部造型。汽车后部造型与气流状态很复杂，一般很难确切地断言后部的造型

　　《北京汽车》2012.No.5

　　基于空气动力学的未来电动汽车设计特点·

　　覆盖起来的Citroen-ID19则存在一个最佳的离地高度。电动汽车由于其结构特点容易做成光滑底板，因此在设计中要结合工程分析出的最佳离地高度来优化造型形式，此外离地高度还要满足车辆的通过性要求。

　　(4)前后扰流器。扰流器主要分为前扰流器和后扰流器，由于电动汽车造型上的更大灵活性，扰流器应与整车造型相融合，创造区别与传统汽车的造型形式，同时这种新的造型形式又能在功能上为整车的空气动力学性能服务。加装尾翼可以大幅改善汽车的气动性能，比常见的扰流器效果更明显，需要注意的是尾翼与车身表面的高度是非常重要的参数，同时尾翼的高度也影响造型效果。通常用尾翼距汽车表面的高度和尾翼弦长之比来描述，如图7所示当比值大于1后，升力系数达到最小且不再变化。现代汽车的尾翼更多的是与侧后围高度融合(赛车除外)，不过分凸显其作用。

　　3结束语

　　集成化、智能化将是未来电动汽车的发展趋势。空气动力学的设计也将在未来电动汽车设计中占有越来越重要的位置，同时未来多变的造型也给空气动力学设计提出了新的挑战。本文结合传统汽车空气动力学的研究结果，提出了针对电动汽车空气动力学设计中需要注意的问题，对今后电动汽车的设计给出了一定的指导和参考。

　　参考文献

　　(5)车轮与轮腔特性。由实验可知，有轮腔覆盖的车轮比完全暴露在空气中的车轮在行驶中的气动性能要好很多。对于都有轮腔包覆的车轮而言，车轮的大小及车轮与轮腔间距的影响就变得很重要了。图8说明了气动阻力系数、气动

　　[1]傅立敏.汽车空气动力学[M].北京：机械工业出版社，2006.

　　[2]Lawrence D.Burns.Reinventing theAutomobile：Personal UrbanMobilityforthe21st Century[M].Cambridge：MITPress(MA)，2010.[3]谷正气.汽车空气动力学[M].北京：人民交通出版社，2005.[4]余捷.基于提升续驶里程的电动汽车车身造型参数研究[D].天津大学，2009

　　[3]升力系数与车轮和轮腔特性参数的关系曲线，特性参数为被轮腔覆盖的车轮高度h与车轮直径D之比。由图可知，当h/D=0.75时气动阻力系数与升力系数最小。当然，前轮由于转向的需要，所需的空腔比后轮的要大，空腔对外部气流更为开放。因此，前轮所受的气动阻力和气动升力比后轮大。

　　收稿日期：2012-05-21

　　《北京汽车》2012.No.5

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