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从蔚来ES6谈汽车空气动力设计

2019-03-08 22:26:17·  来源:EV知道原创  作者:周凯  
 
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作者:周凯EV知道原创转载请注明出处风阻系数、风阻这两个名词这两年随着电动汽车的日趋普及,以及油价的上涨而成为关系车辆电耗、油耗的朋友非常关注的一项技术
 
作者:周凯
EV知道原创 转载请注明出处
风阻系数、风阻这两个名词这两年随着电动汽车的日趋普及,以及油价的上涨而成为关系车辆电耗、油耗的朋友非常关注的一项技术参数。那么这个东西到底有什么意义?都影响了什么呢?
一、风阻与风阻系数
无论对于新能源汽车还是传统汽车,风阻都是车辆行驶过程中的重要能耗因素,特别是高速下的更是占据了绝大多数能量消耗。例如在110km/h的行驶状态下,风阻的能耗占比已经超过了70%。在燃油车领域有“风阻系数每下降10%燃油经济性提升7%”之说,而对于新能源汽车来说,由于受电池容量的限制,自然比燃油车更加关注风阻性能,其自身的能耗水平成为了评价一款电动汽车实用性甚至优劣的重要指标。
因为简单来说风阻的大小主要是由风阻系数、迎风面积与速度的平方共同决定的,计算公式为:正面空气阻力=(风阻系数x空气密度x车头正面投影面积x车速的平方) ÷2。可见速度对于车辆能耗的影响非常明显,这也是电动汽车在高速运行时续航里程掉落非常快的根本原因。
 
可是为了保证车辆的实用性和适用性,无论是车头正面投影面积还是用户的行驶速度都不能做出过度妥协,那么主机厂自然只好在风阻系数上做文章了。这也就使得我们传统印象中老“212”那样方头方脑的硬派越野也就越来越罕见了,如今似乎只能去奔驰G级上缅怀一二了。
 
至于如何有效降低风阻系数,虽然有其理论依据,但在对于汽车气动外形设计已经做过大量优化工作的当下,其实只有通过大量的仿真模拟计算与风洞实验来更近一步了。
 
说起风洞实验,可能很多人都觉得这个航空行业的专利。没错,但随着汽车的时速不断增高合对于风阻系数越来越斤斤计较,这项实验也逐渐广泛应用于汽车行业。
 
二、风阻系数的优化
 
这里以蔚来汽车的新产品ES6为例,介绍一下汽车行业特别是电动汽车领域当前对于风阻系数优化的主要措施。之所以用ES6举例,除了蔚来汽车非常高的关注度外,其0.28Cd的超低风阻系数成绩也是关键因素。这个数据虽然与特斯拉Model X那骇人成绩相比还有差距,但却可与奔驰、捷豹等老牌车企一较长短。
空气动力学/流体力学有句话叫“形决定流”,就是说什么样的形状早就什么样的流场。SUV这一类高大车身造型的车,其在经过一定的启动优化后,风阻系数平均水平就在0.34Cd左右的水平上下波动。这个水平还是经过气动工程师优化过的数值,要是5-10年前的SUV如果是0.37-0.4也很正常。
而ES6是如何在这样的行业基础上又将风阻系数整体降低了近20%呢?其实不外乎依托于电动车的先天优势和设计团队的精心打磨。
 
电动车的的原生优势,比如前舱不再需要迁就庞大的发动机,让造型设计更加自由;大幅减小的进气隔栅便足以满足电驱动单元的冷却需要;平整的电池包平置在汽车底部且无需排气管,底盘的平整度浑然天成等等诸如此类。
 
而说到精心打磨,那就是多方面的因素了。高效的团队合作与先进的研发手段缺一不可。蔚来空气动力及热管理团队的在空气动力学及热管理方面有着丰富的经验的26名工程师,在中国和欧洲分别建造了两套1:1的模型车,双线并进提升效率。并与其设计团队紧密合作,大大提高了研发效率。
而在研发上CFD流体仿真测试广泛应用,以计算机模拟各个工况下的车辆空气动力学表现。CFD的应用大幅度提高了开发效率、降低开发的时间、金钱和人力。但CFD无法完全替代风洞试验,只有真正的让风吹过车身,才能够收集到最真实的数据并切实优化、解决问题,蔚来ES6长达150小时的风洞试验是巨大的投入,但也毫无疑问的带来更优秀、可信赖的真实结果。
最终ES6在设计上实现了充分发挥了电动汽车的原生优势和多种有效优化细节(以下信息来源于蔚来官方资料):
1、AGS主动式进气格栅:气动阻力-8%,120kph车速下续航里程+23km
蔚来ES6拥有上、下两组进气格栅,用来满足空调以及动力驱动单元的散热需要。由于电驱动单元的散热要求相比内燃机要低很多,所以在汽油车上常见的“大嘴”变成了精致的窄开口,在满足功能需要的前提下大幅降低了进入前舱的空气,配合全系标配的上下双AGS(Active Grill Shutter)主动式进气格栅,在换热需求较低的情况下关闭AGS叶片,配合严苛的泄漏量标准,最高可以降低气动阻力达到8%,在120kph车速下提升续航里程达23km之多。
2、引擎盖转折角:气动阻力 -0.7%,120kph车速下续航里程+2km
引擎盖转折角是空气动力学开发的重要分离点,如何在家族化X-Bar典型特征上进行局部的细微优化,对空气动力学开发是一个挑战,引擎盖转折角成为工程师开发突破的重点。经过对转折面曲率十数次的迭代优化,在实现最佳视觉效果的同时,气动阻力降低达到0.7%,对120kph车速下续航里程贡献了2km的提升。
3、平整的底盘布局:气动阻力-10%,120kph车速下续航里程+28km
行驶过程中,会有大量的空气进入车底,无论是副车架,电机或者众多的管路,都会成为空气伺机而入、增加阻力的“死角”。蔚来ES6作为一款电动车,电池包平整的布置在车辆中间,同时匹配上前后副车架底部护板,可以引导气流在底部快速通过,不仅提升车辆高速行驶时的稳定性,更降低气动阻力达到10%,120kph工况下续航里程提升28km。
4、前轮挡板:气动阻力-8%,120kph车速下续航里程+23km
前轮挡板的存在感很低,很多用户可能都没意识到它的存在,而它却是提升空气动力学的重要一环。在没有阻挡的情况下,空气会直接进入车轮和轮罩中的空腔,经过车轮卷吸并散乱的进入车辆底部和两侧,形成强烈的涡流,前轮挡板则可以有效的疏导气流避免此情况的发生。经过多轮针对前轮挡板尺寸、布置位置、硬度等因素的优化,最终气动阻力降低高达8%,120kph车速下续航里程增加23km。
5、后扰流板:气动阻力-3%,120kph车速下续航里程+9km
作为车辆尾部设计的重要元素,后扰流板不仅为ES6增加了年轻运动的视觉效果,更切实有效的提升了整车空气动力学表现。在开发过程中,针对后扰流板的长度、高度以及倾斜角度进行了数十次的迭代优化,最终实现气动阻力降低3%、120kph续航里程增加9km的优异成果。
6、后翼子板:气动阻力 -2%,120kph车速下续航里程+6km
作为尾部重要的设计元素,后翼子板的作用绝非美观这么简单,事实上它也是空气动力学的重要元素之一,更加趋于“锋利”的翼子板可以强制气流分离,让高速气流远离尾涡区域。蔚来ES6后翼子板的分离点以及曲率经过多轮调整优化,最终降低了2%的气动阻力,120kph工况下续航里程增加6km。
7、A柱:气动阻力 -1.5%,120kph车速下续航里程+4km
A柱的设计不仅是空气动力学的一部分,更关乎安全、视野、风噪、水管理等性能,用户感知度高。在开发过程中,综合平衡各方性能,空气动力学工程师针对A柱的面差、圆角、面曲率进行了十数次的迭代优化,最终实现气动阻力降低1.5%、120kph续航里程增加4km。
8、主动式空气悬架:气动阻力-2.5%,120kph车速下续航里程+7km
 
蔚来ES6首发纪念版以及性能版均配备了主动式空气悬架,当车速达到限值时,车身高度会自动降低20mm,能够大幅减少流经车辆底部的气流,降低进入尾涡的气流能量,以优化约2.5%的气动阻力,在120kph工况下续航里程增加7km。
 
总结:
 
当然气动外形的优化,远不止以上这些,还有更多的细节,哪怕这个细节只能带来0.001Cd的降低,也是工程师们努力的成功。最终在蔚来工程设计团队的努力下,ES6最终拿出了0.28Cd优秀成绩。其团队甚至充满信心的表示,之所以不做的更低一些主要是考虑到了整车的造型与空间适应性(空间够不够用、乘坐感受舒适与否等),而与风阻三者间进行的平衡。
 
这也说明了汽车是一项庞大的系统工程,任何一项参数的设定都不是随意为之或者是去过度追求,而是一系列缜密的平衡取舍的过程。新技术与新动力的使用,使得汽车在很多方面获得了不同于以往的调整可能,也为汽车市场带来了更加多样化的产品。
(文中部分图片来源于网络)