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技术 | 汽车风阻开发的意义

2020-03-07 01:00:45·  来源：中国汽研汽车风洞技术  作者：张风利  
　
中国的汽车风阻开发技术一直落后于发达国家，当今中国汽车市场的高度繁荣带来了新的发展机遇。算明白汽车风阻开发的经济帐，是启动本轮汽车空气动力学技术快速发
中国的汽车风阻开发技术一直落后于发达国家，当今中国汽车市场的高度繁荣带来了新的发展机遇。算明白汽车风阻开发的“经济帐”，是启动本轮汽车空气动力学技术快速发展期的基础问题。本期特邀CSAE汽车空气动力学分会委员、比亚迪汽车工程研究院张风利先生为您解读汽车风阻开发发展历程中的三次关键驱动。
 
作者简介

就职于比亚迪汽车工业有限公司汽车工程研究院，中国汽车工程学会空气动力学分会委员。专业方向汽车空气动力学、汽车热管理、汽车CAE仿真。

引  言
1982年，德国奥迪（当时叫NSU汽车联盟）公司开发出了一款划时代的车型---第三代奥迪100。这款车的造型风格和它的上一代车型并无明显区别，但风阻系数却由上一代的0.45降低至0.30，前所未有的挑战了人们对低风阻汽车形体的认知。
第三代奥迪100（C3）
1914年 Count Ricotti 公司的 Alpha Romeo
1938年 BMW328
1933年 Audi 和 Daimler-Benz 设计的低风阻原型车
1928年 市场主流的畅销车型 Daimler-Benz “Stuttgart”
这种流线型车体虽然看似风阻较低，但由于尾部设计不合理，车背部的下洗气流严重，车侧后方会产生严重的涡流，风阻反而很高。当时人们对低风阻开发原理并不十分清楚。
汽车风阻开发真正的转机，发生在石油危机以后。1973年10月，第四次中东战争爆发，欧佩克组织将原油价格从每桶3美元提高到10美元以上。1978年伊朗政局动荡和两伊战争引发第二次石油危机，原油价格从13美元提高到34美元，两次石油危机造成西方经济的全面衰退。汽车是原油消耗的大户，降低汽车油耗不光影响用户消费选择，甚至涉及到国家能源安全。提高发动机热效率，降低整车重量，降低汽车风阻这三大要素逐个纳入了汽车工程化研究开发的日程。
消费需求形成市场，市场聚集资本，资本推动人才、技术和资源的聚集。在巨大的油耗压力推动下，汽车空气动力学的理论基础研究、试验研究、工具方法的开发、人才团队建设迅速发展起来。各大主机厂使出浑身解数投入到汽车空气动力学研究开发中去。在1980年代前后，欧美日各大主机厂纷纷投资建设了自己的汽车风洞，汽车空气动力学特别是汽车风阻的开发站上了汽车技术大舞台的最前排。于是第三代奥迪100面世了。
奥迪100的第三代产品风阻系数0.30，比第二代0.45（一说0.42）整整降低150 counts。按当今车型风阻系数与油耗的对应关系，这大概相当于在发动机热效率、车重等其它要素不变的情况下，综合工况每百公里油耗降低1.2L，划时代的空气动力学车型就此产生。而风阻系数降低这么多，设计师是怎么做到的呢？
第三代奥迪100的风阻系数从0.45降至0.30的主要措施
    注：1.前端向后倾斜，更加圆化；2.冷却空气进气口经过最佳化设计；3.发动机罩斜度增加；4.前窗斜度改变；5.顶盖中部鼓起；6.后风挡倾角增大；7.后行李箱升高；8.车底后下部经过最佳化设计；9.车轮装饰罩扁平化；10.底部平滑化；11.采用圆形轮罩；12.采用流线形的轮辋装饰罩；13.前保拐角圆化；14.A柱断面圆化；15.前风挡的弧度加大；16.C柱向内收拢；17.后保侧部向内收拢。
这款车型的划时代意义就在于此，从此使汽车风阻开发进入了一个即能兼顾消费者审美惯性、乘员空间、工程可行性，又能有效降低风阻和能耗的时代，掀动起一轮汽车空气动力学发展的高潮。
可惜的是，刚刚改革开放的中国汽车工业积弱已久，空气动力学技术的发展和这一轮高潮无缘。
风阻开发的第二轮高潮——尾气排放法规驱动
进入到1990年代，世界各国的环境污染形势愈加严峻，各发达国家相继颁布了严格的汽车排放法规。以欧洲为例，2012年CO2的排放标准为132g/公里，2013年130g/公里，2020年95g/公里，2025年和2030年要达到78克/每公里和68克/每公里的远期目标。从2013年起，新车CO2排放每超标一克及以内的罚款5欧元，超标两克罚款15欧元，超标三克罚款25欧元，之后每超标一克罚款95欧元。而2019年以后，每超过1克，就需支付95欧元的罚金。
按1L汽油产生2.3kg二氧化碳计算，2020年要达到95g/km的CO2排放要求，新车油耗需要降低至4.1L/100km，实现难度非常大。对于一家新车平均油耗5L/100km的车企，平均每车每公里排放CO2约115g，2020年以后在欧盟将受到约1900欧元的罚款。对于一家年生产百万台新车的车企，罚款将达约19亿欧元。
 欧洲轻型汽车排放标准的实施时间
中国轻型汽车排放标准实施时间
排放对油耗的倒逼，一方面使新能源汽车踏上汽车发展的舞台，另一方面使空气动力学迎来了第二轮发展高潮。在2000~2010年前后，世界各大主机厂均进一步加大了对空气动力学的研发投入，重新建设或改扩建了更先进的风洞试验室。CFD仿真技术得到推广普及，使人们对汽车流场的认识更直观更透彻，风阻设计优化的迭代效率大大提升，也使更低风阻车型的量产开发成为可能。
2010年前后的一些低风阻车型
风阻开发的第三轮高潮——新能源汽车驱动
2005年前后，中国汽车市场开始迅猛增长，汽车产业发展进入快车道。汽车空气动力学技术也逐步开展，但过程曲折，驱动力仍不足，到了2009年中国第一个汽车专用气动-声学风洞才在同济大学投入运营。因为起步晚，自主品牌对国外大主机厂的技术追赶异常艰辛，所以中国自主的汽车产业走了一条和国外不同的道路---大力发展新能源汽车。从2013年开始国家陆续出台新能源汽车的财政补贴和行业扶持政策，中国的新能源汽车呈现井喷式发展，也正是因为新能源汽车，中国汽车的风阻开发找到了属于自己的发展契机。
汽油的能量密度约44.4J/kg，合12.3kWh/kg，内燃机在综合工况的工作效率约在20~30%。而电动汽车使用的磷酸铁锂电池包的系统能量密度只有约120Wh/kg，三元电池包的系统能量密度也只有160Wh/kg，综合工况的工作效率约在80~90%。因此动力电池的能量密度远逊于汽油或柴油等化石能源。另一重要制约因素是电池包的体积密度，当前纯电动乘用车除了续航还要面临更严峻的碰撞安全挑战，需要为电池包预留足够的碰撞吸能空间，单车搭载60~70kWh电量已经是极限，对应的续航里程极限值约500~600km，而三元电池包的重量高达400kg以上，而对磷酸铁锂电池包重量将达到500kg以上。为了继续提升续航里程，“开源”在短期内没有太好的方法，就不得不考虑“节流”了。
“节流”的方法有很多，但是挖掘潜力大的措施并不多。经过多年的持续进步，电动动力总成的能量转换效率已经达到较高水平。整车结构拓扑优化技术和高强度钢板的应用使整车轻量化达到一个台阶以后，再降低整车质量主要依靠替代轻质材料了，而这无疑会增加成本。轮胎滚动阻力系数几无潜力可挖。国内的各大主机厂“蓦然回首”，发现还有风阻这块“短板”未曾补上，且降能耗的潜力巨大。
根据比亚迪汽车测算，对一台续航500km的纯电动轿车，风阻每下降10counts，综合工况纯电续航里程可提升约5km，相当于减重40kg的降能耗效果。传统的三厢轿车风阻系数约0.30，如果降低至0.24，在其它配置和成本不变的情况下续航里程可提升约30km（6%），或者说同等续航里程下，可减少约1kWh电量。动力电池的价格如按照1000元/kWh计算，单车可降低1000元，某企业纯电动乘用车年销量按20万台计算，将有2亿元经济收益。于是，中国汽车风阻开发经过数十年的徘徊和彷徨，猛然就站上了风口浪尖。
比亚迪汉EV---比亚迪首款超低风阻车型，风阻系数0.23
参考资料
1、武藤真理,《汽车空气动力学》；
2、Wolf Heinrich Hucho,《Aerodynamics of road vehicles》；
3、百度网络搜索。
 
 
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