电动汽车空气动力学减阻的相关概念(一）

最近备受关注的奥迪首款量产纯电动SUV名为e-tron的原型车比同尺寸的传统SUV的Cd 值低了不到70个counts，就续航里程而言，这相当于增加了35公里。其空气动力学研发负责人莫尼·伊斯拉姆在近日接受采访时提到空气动力学在决定电动汽车行驶里程方面起到了重要作用。

相关研究发现，对于电动汽车，高速公路上空气阻力可以达到总驾驶阻力的48%。通过提升电动汽车的空气动力学性能来减少空气阻力可增加汽车的行驶里程，而减阻可以通过合理控制和引导气流来实现。电动汽车可带来更多的空气动力学设计的可能性，在关注当前和未来概念车的空气动力学设计的同时也需要回顾下汽车空气动力学发展的精彩瞬间。

汽车空气动力学发展历史

引入空气动力学指导车辆造型的历史可以追溯到20世纪20年代，阻力系数Cd作为一种无量纲数值用来比较车辆的气动性能。为减少气动阻力，起源于飞艇的流线设计被应用于汽车设计，比较出名的是Jaray的设计。基于多年的飞艇空气动力学的研究经验和带有轮子的“半流线体”风阻测试的结果，Jaray设计出其较著名的作品TatraT77并在之后同汽车制造商如菲亚特，迈巴赫和奥迪合作出不同的设计车型。

Jaray的设计(从左到右):Tatra 、菲亚特合作款、迈巴赫合作款和奥迪合作款

针对Jaray设计的后排乘客的空间非常有限的缺点，其他汽车制造商也加紧了流线型汽车的设计，20世纪20年代末同时期的设计师Chrysler和Charles Dennistoun Burney均有较著名的作品。

Chrysler的设计

Charles Dennistoun Burney和Crossley Motors的合作款

这种设计灵感一直用来指导20世纪40年代和50年代的汽车设计中，直到第二次世界大战后，出现了几种Cd较低的概念车。意大利汽车制造商菲亚特发布了一款名为菲亚特Turbina的概念车，其Cd值为0.14。这款车是为高端性能而开发的，使用的是喷气发动机而不是传统的内燃机。另一家意大利汽车制造商阿尔法•罗密欧也发布了3款概念车，第一款车BAT 5于1953年发布，Cd值为0.23，其次是BAT 7和BAT 9，其Cd值均为0.19。

菲亚特Turbina概念车

1956年阿尔法·罗密欧仿生蝙蝠车（从左至右）：BAT 5、BAT7和BAT9

1960年后，Hucho提供了优化当前车辆设计的方法，基于这些方法，一些研究人员研究并发表了一些通用数据，这些数据在很长一段时间内一直指导着汽车的流线化设计。

奥迪公司在1983年开发了一款由Buchheim设计的名为Audi 100的汽车，据说具有当时生产车辆的最低阻力系数，Cd值为0.30。该车上市6年后，欧宝公司发布了欧宝Calibra，Cd值为0.26，成为市场上阻力系数最低的车型。

从左到右:Audi100、欧宝Calibra

90年代中期以后，制造商开始了对混动汽车和纯电动汽车的研究，由于电池续航里程的影响，气动特性开始被关注。美国通用汽车在1996年发布了纯电动汽车EV1，流线型车身及完全封闭的前后舱盖造就了它0.19的阻力系数值。

1997年丰田发布的一款广受关注的混合动力车普锐斯，至今仍是全球销量最大的混合动力车之一。在2006年第三代普锐斯发布，改进的空气动力学设计使其Cd值仅为0.25。

2006年的第三代普锐斯

此时期传统汽车的气动性能也进行了改进。1999年本田发布的Insight和2001年奥迪发布的奥迪A2的Cd值均为0.25，成为当时市场上阻力系数最低的传统汽车，但这两款车都属于小型车。在风洞和计算机资源都在不断改进的同时政府在汽车的安全、舒适和功能性方面的法规和立法也在不断推进。于2004年底发布的Cd值仅为0.26的宝马3系不仅满足了所有的法规，而且满足了客户对乘客空间和存储空间的要求。

从左至右：1999年本田发布的Insight和2001年奥迪发布的A2

2005年发布的宝马3系轿车

对从20世纪20年代发展起来的汽车空气动力学发展历史的回顾，可以看出设计师们对降低风阻系数所做的努力。

当前与未来汽车空气动力学的发展

汽车的减阻装置分为被动减阻装置和主动减阻装置，法规限制下的空气动力学新技术正在向主动减阻装置发展，这些装置只有在需要时才会工作，如高速路行驶时。

2013年梅赛德斯-奔驰发布的当时市场上阻力系数最低的名为CLA的车型同时采用了主动和被动减阻装置。其采用的主动进气格栅在启动或引擎和刹车不需要冷却而关闭时，可降低10%的阻力系数。它的后视镜外壳，改善了的A柱曲率，设计良好的后端设计和底部的扩压器也均体现了良好的空气动力学特性。

2016年，特斯拉公司发布的Model S的Cd值为0.24。因为电动汽车不像传统汽车那样需要大量冷却，该车前端是封闭的。除了气帘，被动减阻装置还包括气动轮圈、隐藏门把手和浮动c柱，这些可减少车辆的尾迹。其推出的Model X是市场上第一辆纯电动SUV，与S型唯一的区别是后车顶扰流板，可在高速度下提供下压力。

从左至右:特斯拉Modle S、ModleX

2017年宝马发布的新5系轿车，Cd值为0.22，它的减阻装置包含主动格栅、后轴区域额外的镶板覆盖、前端的气帘、前轮罩通风和气动轮圈。

概念车由于不受法规的设计限制，更容易设计成具备卓越气动性能的外形，也预示了未来空气动力学改善方向。

2011年，大众发布了XL1超高效率车型，Cd值为0.19。首先侧视镜被换成了相机，此外后面的轮罩是全覆盖的，该车还采用了闭合前缘和浮动c柱。

2015年法兰克福车展上，梅赛德斯-奔驰和奥迪等设计的概念车均采用主动气动装置和其他设计以减少阻力。梅赛德斯-奔驰推出的概念智能气动汽车，具有多种主动气动特性。在80公里/小时左右，从常规模式切换到气动模式。为了减少后端尾迹，尾端延长390毫米，前保险杠下部的扰流板向下折叠60毫米以改善车身下部气流。前保险杠侧面部分的襟翼向外延伸25毫米，向后移动200毫米，以改善通过前轮拱的气流。启用所有主动减阻装置后，阻力系数将从0.25降至0.19。除此之外，IAA概念车使用了摄像头而不是传统的侧镜，去掉了门把手和巨大的轮罩开孔来改善空气动力学性能。

在同一个车展上还有奥迪的概念SUV车型e-tron Quattro，据介绍，e-tron Quattro概念车具有500公里以上的续航里程，这得益于其主动的空气动力学特性，Cd值为0.25的这款车因此成为该领域的佼佼者。与梅赛德斯IAA概念车一样，所有的空气动力学特性都是在车速达到80公里/小时后启用的。车辆的主动车顶扰流板延长了100毫米，以延迟后方气流的分离，从而减少尾迹，与此同时，主动扩散器从车辆较低的尾端延伸100毫米。除此之外，侧窗台向外延伸50毫米，引导气流通过后轮。

近日，基于e-tron prototype概念车打造的品牌首款量产纯电动SUV奥迪e-tron进入大家的视野，其中一项备受关注的黑科技是虚拟外后视镜技术。除了设计师最满意的虚拟外后视镜技术外，该车车底设计也很有特色，车底处类似“酒窝”的凹痕分布也使气流更顺畅地流过车底。

整车风洞烟流

从左至右：局部烟流、车底“凹坑”设计

总结

传统的车辆空气动力学改进方法是通过优化车辆的几何形状来实现的，法规限制下，气动装置成为提升气动特性的方法，而常规的气动装置常是被动的。随着便宜的电子元件的引入，主动气动装置应用会越来越广泛。关于可应用在车身上的气动装置可整理如下：

针对表中的气动装置在基于DrivAre的电车不同车型配置模型的气动效果将在后续发表中展示。

参考文章来源： 

Aktas U, Abdallah K. Aerodynamics Concept Study of Electric Vehicles[D].Master Thesis,Chalmers University of Technology,2017. 

编者：马晓静

评论润色：张英朝

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