特斯拉Model S 空气动力学开发解析（接上篇）

相对内燃机而言，电动传动系统的能源效率具有显著的优点，虽然电动汽车的动力性能普遍不如内燃机汽车，但特斯拉所研发的这款Model S却不在此列。其中一个重要因素就是其出色的空气动力学性能。本期“汽车风洞技术”解析系列将为大家介绍这款车的空气动力学开发过程。

3详细开发过程
特斯拉给Model S 所设定的阻力系数很小，非常具有挑战性。这就使得每一个很细小的性能增量细节都需要考虑，以避免许多独立的阻力增量逐渐积累而达到一个相当大的阻力增量。为此，每一个外表面部件和车身密封元件都经过了严格的空气动力学品质的检验。

在这一过程中，CFD仿真起了很大的作用。CFD获得的流场可视化结果可以帮助空气动力学工程师解释一些异常流动现象。在其期间空气动力学工程师的优化结果也需要不断的与造型师协商沟通，以便顺利的推进车型的减阻工作。

4冷却系统开发
电动汽车的冷却要求要比传统动力系统要低一些，但却更复杂，因为电机、动力电子设备、电动汽车动力系统电池组具有很大的热质量，而且冷却剂的最高温度比相同功率的内燃机低得多。这意味着电动汽车的动力系统中过剩的热量必须在较小的温差条件下转移到周围空气中。

通过研究了大量的冷却解决方案，特斯拉采用三台热交换器安装在相互连通的管道中，并主动控制进气口气流以管理它们之间在不同运行条件下的气流分布。

这个配置提供了周围空气和各个热交换器管内流体之间的最高温差，使其热传导被最大化。而通过使用分布的热交换器和调整气流方向，避免使用传统堆叠的热交换器，使得冷却阻力也被最小化。

Model S 冷却进气口布局

在更进一步的空气动力学、冷却系统、款式的优化后，Aerobuck升级为改进的冷却系统和最新的外表面，另外增加了简化的悬架和动力系统部件的复制品。用来验证模拟在有无冷却阻力的前提下外部空气阻力的对比。并核实在不同风速和摆角下预期的冷却系统质量流量。同时部分模型表面安装了压力表接头以提供更高的相似度来研究瞬态升力和阻力现象。

由于时间安排的问题，Aerobuck模型的试验被迫从克莱斯勒的气动声学风洞转到了福特在艾伦帕克市的风洞，不过在两个风洞之间进行了很好的相关性分析。

最初采用主动格栅的目的仅是冷却外部进风口，不过在研究中，显示了其在关闭更多的进风口面积时，所带来的减阻效果。下图显示了不同的方案对减小空气阻力的效果。

All intakes blanked

OB + IB lower blanked

only OB blanked

only IB lower blanked

IB 2/3 blanked at duct throats

OB blanked + IB 2/3 blanked at throats

5原型车的开发
随着汽车冷却系统开发的完成，特斯拉很快就将该系统装在了Model S 原型车上，并进行了原型车的第一次风洞试验。另外，原型车中还安装了对动力冷却系统的主动格栅系统和弹簧与减震器同心布置的悬架（代替了空气悬架）。原型车没有包含外部密封单元，不过用测试胶带进行了替代。

在保证了最大相似度的前提下， 经过风洞试验，Aerobuck模型车和原型车的阻力系数相差不到1%。尤其是，在发现了对细小的几何特征如面板配合、内饰设计的小细节等的特别关注，有效地消除其阻力系数增量，这是非常值得的。

Model S 原型车

6车轮和轮胎阻力
此外，特斯拉还进行了一个分支项目来测试滚动车轮对汽车空气动力性能的影响。该项目的其中一个目的是研究汽车在风洞固定地面和全道路模拟测试时的差异。另外，看能否找到一种方法减小车轮滚动对汽车流场带来的不利影响。

Model S 车轮CFD仿真

其中的大部分研究都是运用CFD仿真做的，对滚动车轮采用滑移网格的方法。在研究过程中发现，滚动车轮对汽车外部流场的作用可以降低阻力系数将近0.015。

因此车轮随后的开发目的变为最小化车轮的'滚转损失'同时优化外部气流。自此，整个空气动力阻力的度量变为考虑汽车在纵向方向的受力总和，即“平移阻力”。

CFD仿真出的Model S 车轮附近流场

7模型车的空气动力性能
模型车的风洞测试结果显示，在进行了大量的空气动力优化后，Model S 的阻力系数达到了一个非常低的值0.26，整体升力也很低。下图显示了主动格栅关闭的Model S。

特斯拉Model S

对整个平均风阻系数的计算和监视，可以保证汽车在更多的真实行驶环境下都是最优化的，而不仅仅只是直行情况。试验是根据SAE J1252进行的，采用了美国240个站点的当地气象数据。在一系列速度范围的每一个评估点，汽车朝着正北方行驶。在40 km/h到100 km/h之间，最高的加权摆角均小于5°。在这种评估方式下，Model S 的阻力系数仅比直行条件下高出0.006。

8结论
Model S 超凡的空气动力性能验证了项目整个开发策略的有效性。从最开始的汽车概念设计，让空气动力学家和设计师一同工作，对于奠定这个性能的基础是非常重要的。在后续的工作中，空气动力学工程师和设计师共同紧密地合作也促成了最终的汽车空气动力学敏感组件的设计开发。尽管一些小设计改动所引起的空气动力微不足道，但其累计效应会产生很大的影响，若没有空气动力学工程师的帮助，很容易失去这些有价值的成果。

广泛使用CFD仿真，并结合全尺寸风洞对Aerobuck的测试，这是一种成功的开发方法学。理想化的Aerobuck模型车和原型车之间的最小的阻力增量，突出了创建模型表面细节的重要性，以及针对汽车大量气动敏感的设计问题能够找到实际解决方法。在开发复杂的、多级热管理系统的开发中显得尤为正确。

CAERI 视点
相比较传统内燃机汽车，空气动力学对电动汽车的作用更为重要。这主要是由于电动汽车在减速过程中是可以将汽车制动能量回收到电池中的，但空气阻力造成的能量损失是无法回收的，那么过大的空气阻力，将降低电动汽车可回收的能量比。因此特斯拉在Model S车型开发中才会投入巨额经费，以降低其空气阻力。

在国内，国家也一直在推广电动汽车等新能源汽车的开发和市场推广，但限于目前国内在CFD仿真和风洞试验方面的不足和缺乏，也在一定程度上制约了国内电动汽车技术的发展。随着国内以重庆中国汽研为代表的一批汽车风洞的陆续建成，相信在未来国内电动汽车的空气动力学开发将会步入一个新的阶段。