疯狂的风阻_参考网

疯狂的风阻

2020-06-03李尔欣陈家诚林映辉

汽车杂志 2020年5期

关键词：风阻里程系数

李尔欣　陈家诚　林映辉

PART1 风阻到底多费劲

风与电的角斗

为了帮电动汽车增加宝贵的续航里程，车企与消费者们可不少聚焦电池、能量管理、车身轻量……话题。但你可能不知道，风阻系数这看不见的力量，会对省电产生多大效果呢？

最独特的阻力：风阻

0.25、0.23、0.22……本已远离主流视野的风阻系数之争，近来逐渐开始被车厂^拿到新能源车的圈子里来“故伎重施”。不过，这回与风阻系数挂钩的不再是油耗，而是新能源车的续航里程。倒是买车的群众还和从前一样，依然不明白“风阻系数”为何物，更没搞懂这玩意是怎样跟能耗扯上关系的。

好在，风阻系数与能耗之间的关系并非隐晦的秘密，因为在传统燃油车时代，教材就已经讲过，根据公式（一）可知，发动机用于克服空气阻力所消耗的功率N与风阻系数Cd成正比，故风阻系数越小，车辆要达到一定速度所消耗的燃油量就越少。

至于电动汽车，虽说其动力所用的能源不同于传统燃油车，但由于风阻系数只是用来计算风阻大小且相对固定的参数，而与能源类型无关，因此电动汽车的风阻系数依然与能耗成正比，即风阻系数越小，能耗越低。只不过，风阻系数对于电动汽车的意义跟传统燃油车有所不同。

简单来讲，汽车必须由动力单元消耗燃油或电能等能源做功，才能克服行驶阻力跑起来，而在构成行驶阻力的滚动阻力、空气阻力、加速阻力和坡度阻力等4大部分里头，能由厂商主动改善，并且必然存在而不受行驶条件影响的阻力却仅有1个，那就是空气阻力——通常又称为风阻。

虽然根据风阻计算公式（二）来看，车辆的风阻系数Cd、流体的密度ρ、相对运动速度u，以及迎风面积A都能引起风阻Fd的变化，但其中可以相对公平地让普通老百姓都能直接比对的参数，却只有风阻系数Cd。由此可见，在严谨的学术设定之外，风阻系数还真算得上是用以衡量汽车能耗水平的重要参数！

在同等條件下，风阻系数的变化对电动汽车续航里程的影响很明显：保时捷Taycan Turbo的风阻系数为0.22，而保时捷Taycan Turbo S的风阻系数则是0.25，二者均搭载93.4kWh的电池，但二者的WLTP工况的续航里程却分别为348km和343km——风阻系数更低的车型拥有更长的续航里程。

风阻，更考验锱铢必较的电量

对于电动汽车来说，风阻系数的重要性又更甚于传统燃油车。因为，相比能量密度高达44.4MJ/kg的汽油以及48MJ/kg的柴油，单个锂电池的能量密度仅有0.36～0.875MJ/kg——若按1兆焦耳=0.278千瓦时换算，锂电池的能量密度就约等于0.1～0.243kWh/kg.也就是说，即便其他条件都一样，电动车也得消耗数倍于传统燃油车的“燃料”，才能获得与传统燃油车相当的能量，进而达到相近的续航里程。

对此，比亚迪汽车还做过实验：如果用单体容量为160Wh/kg的三元锂电池组建电池堆，纯电动车要想实现500km的续航里程，则整个电池堆的总重至少要有400kg;若换成容量为120Wh/kg的磷酸铁锂电池，电池堆的总重将增至500kg以上;但与此同时，电池的布局又不可过密，更不能无限制地增加数量，不仅如此，电动机还得保持90%以上的工作效率;相比之下，传统燃油车却只需准备工作效率在30%左右的发动机和数十升汽油，无疑轻松得多。

这意味着，电动汽车得比传统燃油车更充分地利用能量，哪怕只是让行驶阻力减少1%也必须全力争取，因为每一点电量都“弥足珍贵”，只有省下更多的电量，才能换来更长的续航里程。

风阻-0.01=续航+5km=车重-40kg

事实上，由于现在既难以提升电池的能量密度，又没有完善的充电网络与充电技术，眼下还真需要通过降低风阻系数来为电动汽车延长续航里程。例如，据比亚迪方面测算，风阻系数每降低0.01，即可使纯电动轿车的综合工况续航里程增加5km，这相当于车辆减重40kg带来的节能效果。

当然，电动汽车的续航里程并不完全取决于风阻系数，还有电机性能、电池管理系统的智能程度等其他因素也会对其产生影响。另外，风阻系数还会影响到风噪的大小，而空气对于汽车的作用力也不仅限于空气阻力，更具体的内容诸位去翻看正经的“汽车空气动力学教材”自会知晓，此处就暂且略过。真要感兴趣，不妨先看下后边的“如何优化风阻系数”。

在同等条件下，风阻系数的变化对电动汽车续航里程的影响很明显：保时捷TaycanTurbo的风阻系数为0.22，而保时捷TaycanTurboS的风阻系数则是0.25，二者均搭载93.4kWh的电池，但二者的WLTP工况的续航里程却分别为348km和343km-风阻系数更低的车型拥有更长的续航里程。

那些年被风阻改变的造型

要降低风阻，就得减小风阻系数，而汽车身上受风阻系数影响最为明显的，就是造型。毕竟，汽车发展上百年的进化历史早已证明，每次造型潮流的演变都伴随着风阻系数的优化。

风阻系数是这么得来的

车辆的造型一旦被确定，其风阻系数便就此固定，直到再次调整设计细节前，都不会随行驶条件的变化而发生改变。目前，用以测算汽车风阻系数的办法主要有3种：风洞实验、滑行试验、CFD软件模拟。

1风洞实验

这是目前最为标准的风阻系数测算方法。首先，在风洞中固定好车辆的等比例或全尺寸模型，又或者是按规定设置好测试质量的实车;接着，将速度稳定或固定风速的气流吹向车身，并通过车载台记录相应的阻力，由于此时车辆相对静止，因此可忽略滚动阻力，所测得的阻力即为空气阻力;最后根据公式计算出相应的风阻系数。只不过，采用不同的风洞设置，测出来的风阻系数会有所偏差。

2滑行试验

严格来讲，根据官方制定的汽车道路试验标准对车辆进行滑行试验，所测得的是车辆的行驶阻力。因此在试验后，还得根据现场的坡度、风速等数据分别算出车辆的滚动阻力、空气阻力、加速阻力和坡度阻力，然后再由空气阻力推算出风阻系数。

虽然滑行试验要反复试验多次才能得到相对准确的数值，并对试验条件有着严格的要求，但得益于更低的成本，滑行试验在实际应用中仍比风洞实验更受厂商的青睐。

3CFD软件模拟

如今，为节省研发时间与成本，汽车厂商会让CFD计算流体力学工程师先根据设计数据在相关软件里建立模型，进行流体力学的数字化模拟与仿真，并得出新车的空气动力学方案。在此过程中，软件会根据设计数据计算出风阻系数，但这并非车辆最终的风阻系数。由CFD工程师设计方案要做成实体模型，并反复放到风洞中校对、修改，直到模型在风洞中录得厂商预定的风阻系数。

PART2 電动汽车的降风阻绝招

风儿，你别挡着我来电

去年的广州车展上，广汽集团发布了刷新全球乘用车最低风阻系数记录的纯电动车EN0.146。作为一款6座乘用车，其风阻系数只有0.146，而一般轿车的风阻系数大多都在0.25左右。

前面说过，电动汽车对于降低风阻系数，有着比传统燃油动力车更迫切的需求，那……到底有什么适合电动汽车的降风阻药方呢？

不管对燃油车还是电动汽车来说，低风阻系数都意味着行驶时面对的空气阻力越小，不仅可以减少高速行驶时的风噪，更是对提高燃油经济性或续航里程有重要的作用，我们就来看看电动汽车有什么降低风阻系数的做法。

1取消前进气格栅

这可是专属于纯电动车方能享用的降风阻良方，因为大家都知道，燃油动力车、混合动力车、增程动力车……只要有用上发动机的车，就少不了需要进气，并且发动机运转时也会产生巨大热量，相应的散热系统需要“撞风”散热，因此不得不设计具有一定尺寸的进气格栅来满足散热的需求，但这样会增加车身前部的空气阻力，使空气分子更容易堆积。所以后来有一些燃油车配备了主动进气格栅的功能，当速度达到一定，系统判断发动机没有特别大的散热需求时就会控制叶片把进气格栅封闭起来，以减少空气阻力。

但纯电动汽车没有以上烦恼，散热的要求大大降低，因此就算有进气格栅更多也只是装饰功能，所以各类纯电动车无例外地会把车头尽可能的盖起来（油改电的对比起来更明显），以最小化车身前部压力，减少撞风面积。要知道，汽车在看不见的空气中穿梭，无数空气分子在车身前部被压缩，从而使车身前部的空气压力增加，这就是所谓的前方压力。在此之后，空气分子会从车身上方、两侧以及底部寻找离开车头高压区的出路。能够尽可能降低这样的压力，就会让车更容易破风前行，降低电耗！

除此之外，前挡风玻璃也是会产生前方压力的地方，因此广汽集团的EN0.146概念车、大众的XL1概念车或勒芒赛车都会把前挡风玻璃设计得非常倾斜，但这样会影响车内的空间，因此一般家用车很少采用如此极端的设计！

2平滑的车身线条

一辆车的风阻系数是经过无数复杂的方程计算以及风洞“吹”出来的，但简单来说，风阻系数与物体表面的粗糙程度有关，所以我们会看到那些追求极致低风阻系数的车，车身表面都会十分平滑，减少与空气的摩擦效果，而且没有排气管等布局的电动车底盘可以做得非常平整，气流可以十分流畅地通过车身表面。

同时，后视镜和轮圈等汽车必须的部件容易划破原本完整的气流，造成紊乱的湍流，因此不仅仅是概念车，也不分电动车还是燃油车，像国外版的奥迪e-tron和雷克萨斯ES等车型可以选择“虚拟后视镜”一就是传统的后视镜移除，用体积小得多又可以获取宽广视野的摄像头代替，并通过屏幕实时地投影两侧车身后方的情况。

至于另外一个容易产生湍流的部位一轮圈，在保证一定設计感的基础上尽可能保持表面平整，大众XL1概念车甚至会将后轮的大半部分覆盖起来，以保持车身表面的统一性。

3慢慢收细的车尾

汽车穿过空气，会在尾部留下一个空洞，由于空气末能马上填补这个空洞，形成了一个瞬间的负压区或者“真空区"，但由于车辆在不断前进，因此这个“瞬间”也会一直存在并跟着跑，产生一股把车向后吸的力量，而这个无法填补的空洞就叫“流动分离"。

虽然这个真空空洞是在车辆的后部产生，但随着车速的，上升也会产生更多的真空吸力，所以限制流动分离的区域同样十分重要。一般来说，车尾的垂直面积越大就会产生越明显的流动分离，因此SUV的风阻系数往往比三厢轿车大不少，并不仅仅是因为它的迎风面积大。

我们同样可以在那些追求极致气动效果的概念车或赛车上看到从车身到尾部慢慢收窄，这是为了让空气可以贴着车身渐渐流向尾部的负压区，不必突然填补大量空洞的区域。而且尾部真空区产生的真空后向吸力往往还大于车头撞风的阻力，因此减少尾部的流动分离十分重要！

4底盘平整化

大家都知道燃油车的底盘是非常“杂乱”的，发动机、油底壳、变速箱、排气管、油箱等等，所以稍微高档一些的车型都会用护板尽可能地把底盘盖起来，这不仅仅是出于美观和保护作用，而是车辆高速行驶时会有大量气流从下方通过，不平整的底盘会产生更多空气阻力。

但电动汽车就大不一样了，纯电动车的底盘布局可以作到像滑板车一样平整、简单，因为只需要一块大平板承托住电池组，并且把小体积的电机安装在结构框架之中，电动车就可以把底盘做得非常平整，所以几乎所有纯电动车都会把底盘盖得严严实实，这对于降低车身下方的空气扰流阻力十分有帮助！

知识加油站风阻系数不是越小越好

或许你会奇怪，一边说要如何降低风阻系数，为何又要说风阻系数不是越小越好？

对于家用车来说，平时行驶速度不高，降低风阻来提高续航里程更加重要，但跑车和各种赛车不是需要更小的风阻吗？不一定，因为它们在高速时更需要下压力！所以性能车尾部的大尾翼就是与降低风阻背道而驰的，像F1赛车的风阻系数比SUV都高，但其迎风面积却又比SUV小得多，因此整体承受的风阻还是非常小的。

空气动力学是一套非常复杂的学问，讲究就是平衡！

PART3 电动轿车、跑车、SUV的风阻絮语

迎风而上

说完电动汽车降低风阻的学问，接下来是找几款代表车型迎风跑跑了……

风阻8、3、2

车辆风阻来源有两个重要因素，一个是迎风面，一个是车身乱流。体型高大的蔚来ES6在设计车身时也着重从这两点思考如何降低风阻。首先，前脸迎风面部份，蔚来ES6拥有上下两组AGS（ActiveGrillShutter）主动式进气格栅，它的设计是窄口的，一方面能够满足驱动单元全力发挥性能时需要的散热空气，而车辆机件散热需求较低时，会关闭AGS叶片，从而减少空气流入机舱，降低空气阻力。

在造型设计方面，蔚来ES6在引擎盖折角上经过细微优化，让X-Bar前脸达到理想视觉效果的同时，空气阻力降低0.7%。经过前脸的优化，蔚来ES6在降低风阻系数的同时，还能有效提升续航表现，理论上在120km/h时速下能额外贡献25km的续航里程。

在空气动力学的设计上，电动车最大的优势之一在于有规整的底盘，易于空气流通，蔚来ES6在此基础上，通过底部护板角度的设计，能够引导气流更快速的通过。加上平布在车辆底盘中间的电池组，因此在高速行驶时能带来更良好的车辆稳定性表现，理论上在120km/h时速下续航里程能再增加28km。此外工程师针对蔚来ES6翼子板曲线幅度设计、扰流板形状倾斜角优化、A柱面差曲率等等方面的进行打磨。最终蔚来ES6获得了0.28的风阻系数。

Model3作为特斯拉品牌最新的量产轿车，它的造型设计可谓带领汽车行业再次走上一个新高度。首先最抢眼的莫过于它完全取消前格栅的设计，一体化的前脸是纯粹的电动化风格，这也给用户带来很强烈的视觉冲击。我们说过，最佳的风阻造型是水滴状，取消中网后，Model3能够将前脸造型做得更加圆润，更加降低风阻系数。

与超跑追求强大下压力的做法不同，Model3作为一款日常通勤车，它在设计空气动力学时首要考虑的是减阻和降低能耗。所以它的整体造型是目前汽车中最接近水滴形的造型设计，看上去更加圆润。其次在機舱盖、翼子板、腰线、车尾等等位置做了导流槽，让空气能够更流畅的通过，而这也是整车少见有肌肉感和棱角的设计。还有就是应用了低风阻的轮圈、隐藏式门把手等等设计，以上种种造就了Model3低达0.23的风阻系数！

不管是特斯拉Model3还是蔚来ES6，它们都属于普通通勤车的范畴，因此在设计风阻系数的时候主要考虑的是能耗优化，只要达到既定的目标就可以了。但是对于保时捷Taycan这样的顶级电动跑车来说，风阻系数必须将性能优化考虑进去。因此从造型上就能看出，保时捷Taycan与另外两者是不一样的。

造型上的不一样有哪些呢？首先自然是跑车更低矮，更流线的造型，其次是遍布全车的导流槽、通风孔、尾翼、扩散器等等设计，于是成就了0.22的风阻系数！得益于良好的风阻以及强大的电机，保时捷TaycanTurboS能够输出560kW的最大功率，百公里加速时间仅2.8秒，表显最高时速更是达到了260km/h。当然性能强悍的它在续航里程方面的表现也是毫不逊色的，465km的NDEC续航里程足以媲美主流电动车，再加上保时捷独有的800V超高电压快充系统，把底盘上那块容量为93.4kWh的电池组从5%的亏空点亮充至80%仅需22.5分钟。

除了为性能服务外，保时捷Taycan上面也有许多小的减小风阻设计同样是为了增加续航服务的，例如轮圈上的碳纤维导风片能够减小车辆在运转时轮圈上的风阻，比如在前大灯～下方有条进气道能够让气流从车轮两边通过从而降低空气阻力，并且给刹车降温提供额外的空气。还有隐藏式的门把手、自动升降尾翼都能为风阻系数及续航表现提供不小的助力。

安静又迅猛

前文讲过，通过降低风阻，能够有效提升电动车的续航里程，但是里程的提升不仅仅取决于风阻系数，是由时速、工况、驾驶习惯、载重等等综合因素共同组成的，因此在驾驶的过程中很难通过风阻的降低感受到续航的提升。那么降低风阻对驾驶感受最直接的影响体现在哪呢？

对于跑车和轿车这种本身就具备流线型外壳的车型来说，电动车和燃油车的风阻差异很难直接从驾驶上感受到，但是对于SUV车型来说驾驶感受就明显不同了。对于SUV，尤其是尺寸比较大的中大型SUV而言，因为设计原因往往就将造型做成方方正正的样子，如此一来便大大增加迎风面，因此在驾驶过程中能够感受风阻带来的噪音会对车内乘坐舒适性造型较大影响，另外经过车身的乱流也会对高速行驶的稳定性造型影响。相比之下，这些问题在电动车上则被大大改善了。以蔚来ES6为例，虽然是一台有1965mm车身宽度、1758车身高度的SUV，但是通过动空气动力学优化，缩小前脸进气口、引擎盖折角上细微优化等等方式，让正面流经车身的气流能够更顺滑快速的通过车身，从而减小阻力，也降低噪音。因此同样是中型SUV，但是在高速行驶时蔚来ES6所表现出来的风噪算是相当低，甚至可以说丝毫不逊色于更加流线的轿车。

除了噪音以外，稳定性是驾驶电动车时感受到的最大优势。首先电动车的电池组大多平铺在底盘位置，这样一来底盘重心就大大降低，在变道时更低的重心也让车身更平稳快速的完成驾驶员的操作指令。其次是电动车平整的底盘也有利于气流的快速平稳流通，而不会有多余乱流产生，在这可以参考电动车的加速表现，特斯拉Model3后驱版百公里加速时间为5.6秒，蔚来ES6性能版百公里加速时间为4.7秒，而保时捷TaycanTurboS的百公里加速时间更是仅为2.8秒，堪比最顶尖的HyperCar。这其中的因素当然有电机强大性能输出的功劳，但是正式因为更流线的造型，更低的风阻，才能轻易将加速时间做到如此迅捷。在加速的过程中，车辆会老老紧贴地面，从而带来更强的抓地力，在这样天然的优势下，自然能做到极快的提速表现。

不同类型，不同策略

从以上三款不同类别的车型来看，电动车都具备一个普遍的优势一动力结构的布局设计更加自由，车身整体性更高，因此想要设计出极低风阻系数的车身并不是一件困难的事。以蔚来ES6为例，0.28的风阻系数在电动车之中并不属于拔尖表现，但是相比传统燃油车型（奥迪Q5L风阻系数0.3），依然要好上不少。

但是从类别上来看，电动车在风阻设计时俨然有不少派别诞生，包括以蔚来ES6为代表的“传统派”依然占据目前市场多数，因为多数消费者还是更愿意接受造型熟悉的电动车，这样在换车过渡时不需要适应过程;另一派别则是以特斯拉Model3为代表的未来派，其外观风格更科幻，更有视觉冲击力，虽然有点儿挑战消费者视觉认知，但依然在新兴市场收获了不少的用户青睐，像小鹏……等新能源品牌同样有走该方向发展的趋势，相信随着电动车的普及，以后有这样科幻造型的电动车也会越来越多的。

倒是以保时捷Taycan为代表的顶级跑车在设计方面最为成熟，众所周知，风阻系数一直是顶级跑车设计之中必不可少的重要一环，想要获得更好的性能表现，风阻是跑车设计时绕不开的问题，在进入电动车时代，超低的风阻系数既能兼顾性能表现，又能带来很好的续航里程，可谓是一举两得。

特斯拉Model3

（长续航后轮驱动版）

动力系统.

后永磁同步电机·电动车单速变速箱·置电机后轮驱动

性能

電机总功率202kW·电机总扭矩404Nm·0～100km/h加速5.3s·最高车速225km/h·耗电量12.8kWh/100km（工信部）·纯电续航里程668km（工信部）·电池能量80kWh

底盘

前、后通风盘式刹车·前双叉臂、后多连杆式独立悬挂·前、后235/45R18轮胎

车身尺寸

4694×1850×1443mm（长×宽×高）·轴距2875mm·车重1745kg

保时捷Taycan（Turbo S）

动力系统

前后永磁同步电机·2挡自动变速箱·双电机四驱

性能

电机总功率560kW（前电机最大功率190kW、后电机最大功率335kW）·电机总扭矩1050Nm（前电机最大扭矩400Nm、后电机最大扭矩550Nm）·0～100km/h加速2.8s·最高车速260km/h·耗电量27kWh/100km（工信部）·纯电续航里程465km（NEDC）·电池能量93.4kWh

底盘

前、后陶瓷通风盘式刹车·前双叉臂、后多连杆式独立悬挂·前、后265/35R21轮胎

车身尺寸

4963×1966×1378mm（长×宽×高）·轴距2900mm·车重2295kg

蔚来ES6（首发纪念版）

动力系统

前永磁同步电机、后交流异步电机·电动车单速变速箱·双电机四驱

性能

电机总功率400kW（前电机最大功率140kW、后电机最大功率240kW）·电机总扭矩725Nm·0～100km/h加速4.7s·最高车速200km/h·电量-kWh/100km（工信部）·纯电续航里程430km（工信部）·电池能量70kWh

底盘

前、后通风盘式刹车·前双叉臂、后多连杆式独立悬挂·前、后255/50R20轮胎

车身尺寸

4850×1965×1731mm（长×宽×高）·轴距2900mm·车重2200kg

THE END

未来，让风为我所用

如今，对于降低行车风阻系数，主要围绕在研究车身周围的空气自然流动，减小阻力的消耗。但未来，将不止于这种路线，而是更多强调化被动为主动，如何主动利用好流动风力，而这绝对是新能源车突破瓶颈再进化的一大重点！

继续玩风

1A柱形态

根据CFD仿真计算所得出的数据，车辆A柱的形态会直接影响气流在前挡玻璃前部的分离，对整车风阻系数影响非常明显，而目前针对汽车A柱区域的研究主要分析其气动噪声性能，因此，未来还存在优化潜力。

当增大A柱内侧面偏移量△1有利于A柱区域气流附着，并有效降低整车风阻系数。当△1>7mm时△Cd随之变化幅度较小。当△I<7mm时整车风阻系数随着之有较大幅度的降低。

除此之外，减小A柱迎风面与前挡玻璃面高度差可以有效改善A柱区域气流分离，降低整车风阻系数。当△h《5mm时，风阻系数的变化随△h的变化而产生的变化较大，当△h≥5mm时，风阻系数随△h的增大而降低的趋势则较缓。A柱内侧面与前挡玻璃交线偏移量的改变会加剧A柱区域气流的分离情况，越大分离效果越显着，不利于整车风阻系数的优化。

2摄像头后视镜

相较于传统后视镜，摄像头的广角镜头和各项图形处理技术外加AR技术成就的流媒体，综合下来可以有效减少甚至消除驾车时的视觉盲区，提供更广阔的视野，提升驾车安全性。并且比起传统后视镜体积更小更符合空气动力学，降低风阻系数。

根据资料显示，将后视镜更换为摄像头后，整车迎风面积平均能下降2.56%，提升燃油经济性，改善汽车效能。预计到2023年，日本29%的新車都将换上摄像头后视镜。

3涡流发生器

涡流发生器以往更多运用在飞机机翼上表面的前沿部分，可提升低速和高迎角状态下飞机的稳定性，并对机翼的空气动力学性能起到显著作用，改善流体分离现象。作为一种气动机构，它开始装置在车辆上，起到减小阻力从而改善油耗的作用，使得气流能平滑地流过车体，让车后的低压端流区域远离车体，改变边界层的性质，减小前后压力差带来的压力。