基于CFD的新能源商用車?yán)m(xù)航分析與場景驗(yàn)證

馬德術(shù) 文書涵 李世強(qiáng) 鄭偉光 韋尚軍

摘要：新能源商用車的空氣動(dòng)力學(xué)性能一直以來都是影響整車?yán)m(xù)航的重要影響因素。以某款新能源電動(dòng)輕卡為研究對象，采用CFD數(shù)值模擬仿真分析方法，分析不同外觀、導(dǎo)流罩等造型因素對車輛風(fēng)阻的影響，從而計(jì)算對整車在不同車載重下空氣動(dòng)力對整車的阻力，得出空氣動(dòng)力對整車?yán)m(xù)航的影響及關(guān)鍵要素；再以數(shù)值模擬的方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真；最后在相同的載重、電池SOC以及環(huán)境條件下進(jìn)行實(shí)地場景實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，從而提升新能源商用車的續(xù)航能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在新能源商用車高速行駛條件下，空氣動(dòng)力對續(xù)航影響較大，通過改善、封閉駕駛室前圍，提高頂導(dǎo)流罩，使用光板貨箱等方式，可以有效降低車輛阻力，降低了137%的百公里電耗，并提升了車輛2432 km的續(xù)航里程。

關(guān)鍵詞：新能源商用車；CFD；空氣動(dòng)力學(xué)；續(xù)航；場景

中圖分類號：U462? 收稿日期：2024-04-10

DOI：1019999/jcnki1004-0226202406009

1 前言

隨著能源危機(jī)與環(huán)境污染問題的逐漸凸顯，各國積極地制定了一系列措施，加大了對新能源產(chǎn)業(yè)的投資建設(shè)力度，極大地推動(dòng)了新能源汽車的發(fā)展[1]。目前，我國商用車保有量約占汽車保有量的12%，但是氮氧化物和PM污染物排放量占總量的80%，溫室氣體排放量占道路交通總排放量的77%，所以商用車是汽車產(chǎn)業(yè)減排降碳的關(guān)鍵。為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)，商用車低碳化發(fā)展將采用多路協(xié)同發(fā)展的方式，其中發(fā)展輕、微型商用車的純電動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)零排放的最佳技術(shù)路線[2]。相比傳統(tǒng)燃油商用車，純電動(dòng)商用車在使用端為零排放，其整體結(jié)構(gòu)較簡單、傳動(dòng)效率高、噪聲低，適合在全國范圍內(nèi)推廣使用。但純電動(dòng)商用車也有不可忽視的劣勢，如續(xù)航里程短，因此純電動(dòng)商用車的續(xù)航里程也逐漸成為各個(gè)企業(yè)純電動(dòng)商用車車型的核心競爭力[3]。

新能源商用車的續(xù)航里程受許多因素的影響，其中空氣阻力對汽車的續(xù)航里程的影響比較大[4]。尤其是長時(shí)間在高速路上行駛的新能源商用車，汽車的速度越大，其受到的空氣阻力越大，這無疑會使車輛消耗更多的能量，使得車輛的續(xù)航里程縮短。為此本研究對某純電動(dòng)輕型商用車進(jìn)行CFD數(shù)值模擬仿真分析，找到車輛的空氣阻力對其續(xù)航里程的影響因素，進(jìn)行降風(fēng)阻的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而提高車輛的續(xù)航里程。

2 CFD仿真分析原理

CFD仿真作為汽車風(fēng)阻優(yōu)化的常用分析手段，在基于有限體積法進(jìn)行CFD分析求解時(shí)，采用均化的流體力學(xué)方程組進(jìn)行三維流場分析，可得到速度場、壓力場、溫度場分布結(jié)果，以及氣動(dòng)六分力值[5]。對于不可壓縮流體，其控制方程為如下。

運(yùn)動(dòng)方程：

[dvdt=μρ?2v-1ρ?p]???????????????????????? （1）

式中，[v]為流場速度；[p]為流場壓力；[μ]為流體動(dòng)力黏性系數(shù)；[ρ]為空氣密度；[?]為拉氏算子。

連續(xù)性方程：

[?Vi?t+?Vj?t+?Vk?t=-?ρ?t]????????????????????? （2）

式中，[ρ]為流體密度；[t]為時(shí)間；[Vi]、[Vj]、[Vk]分別為流體速度矢量在i、j、k三個(gè)方向上的分量。

仿真采用了Realizable k-ε湍流模型，Realizable k-ε湍流模型可用于各種不同類型的流動(dòng)模擬，很適合汽車外部流場的模擬。k和ε的相關(guān)方程如下：

[??t（ρk）+??xi（ρkui）=μ+μiσk?k?xj+]

[Gk+Gb-ρε-YM+Sk]???????????????????? （3）

[??t（ρε）+??xi（ρεui）=??xjμ+μiσε?ε?xj+]

[ρC1Sε-ρC2ε2k+vε+C1εεkC3εGb+Sε]??????? （4）

式中，[ui]為空氣流動(dòng)速度；[Gk]為層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；[Gb]為浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；[Sk]、[Sε]為用戶自定義參數(shù)；[σk]、[σε]為方程的湍流Prandtl數(shù)；[YM]為在可壓縮湍流中過渡擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)；[C1]、[C2]、[C1ε]、[C3ε]為常量。

對上述的方程組進(jìn)行封閉并利用有限元法進(jìn)行離散求解，即能得到速度壓力等信息。

3 原車?yán)m(xù)航與風(fēng)阻分析

31 車輛參數(shù)

本文研究對象為某純電動(dòng)輕型商用車，其車輛基本參數(shù)信息與模型如表1和圖1所示。

表1 某純電動(dòng)輕型商用車基本參數(shù)信息

[名稱????? 參數(shù)信息?????? 電池容量，kW·h?????? 8114??? 電機(jī)峰值功率，kW????? 120? 后橋速比?????? 4875??? 迎風(fēng)面積mm，寬×高?????? 2 180×3 220? 貨箱形式?????? 瓦楞結(jié)構(gòu)?????? 行駛里程，km????? 3 440????? ]

32 續(xù)航分析

收集客戶的車輛空載與帶載行車路譜，把車輛的行車路譜作為道路邊界條件從而進(jìn)行車輛的續(xù)航測試。圖2為車輛空車與帶載兩種狀態(tài)下行車路譜曲線。

從圖2可看出，此路譜中有86%的工況為最高車速88 km/h，對其3次續(xù)航測試后的結(jié)果如表2所示。

結(jié)果顯示車輛的續(xù)航在150 km，且長時(shí)間處于高速工況，而高速工況使風(fēng)阻變大，這可能是造成續(xù)航不夠長的原因。

33 風(fēng)阻分析

對研究車輛進(jìn)行CFD仿真，并研究車輛運(yùn)行時(shí)的外流場，分析整車風(fēng)阻情況，找到受風(fēng)阻影響最大的地方，從而建立優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行車輛的風(fēng)阻優(yōu)化，減小風(fēng)阻，增加續(xù)航里程。

圖3為車輛速度矢量圖，圖中黑色圈內(nèi)由于車頂導(dǎo)流罩偏矮，氣流沖擊貨箱，一部分氣流產(chǎn)生較大的分離流動(dòng)。從圖4壓力云圖也能看到，車輛正前方上端貨箱受到較大的正壓力，是由于氣流沖擊引起，另外車輛前臉部分的孔洞會增加氣流的耗散，這些因素都會增加車輛的行駛阻力。

綜上所述，車輛的車頂導(dǎo)流罩形狀、貨箱高度、車輛造型等是影響車輛風(fēng)阻的主要因素，另外，貨箱形狀與其他空氣動(dòng)力套件的加裝也會影響車輛的風(fēng)阻。需要依次對這些因素進(jìn)行探索，從而找到降低目標(biāo)車輛風(fēng)阻的方案。

4 CFD仿真優(yōu)化

41 車頂導(dǎo)流罩優(yōu)化

車輛車頂導(dǎo)流罩的作用是對正前方的氣流進(jìn)行引導(dǎo)，將氣流導(dǎo)向較高處流動(dòng)，能很大程度上改善氣流對貨箱的沖擊和駕駛室與貨箱之間空隙處氣流的斷續(xù)現(xiàn)象，減小空氣渦流，從而降低風(fēng)阻。

為了研究導(dǎo)流罩形狀對風(fēng)阻的影響，以及對整車風(fēng)阻進(jìn)行優(yōu)化，選擇了4款不同形狀參數(shù)的車頂導(dǎo)流罩，其外表面面積與導(dǎo)流罩形狀差異如表3與圖5所示。

在相同的條件下對所有車輛模型進(jìn)行CFD仿真數(shù)值模擬，結(jié)果如表4所示。

結(jié)果顯示，4款優(yōu)化導(dǎo)流罩方案相對于原車方案，風(fēng)阻都得到了明顯的改善，車輛的風(fēng)阻系數(shù)從原車的0543最低降到0462，Cd×A降低了1507%。從圖6的車輛表面壓力云圖可以看出，貨箱前端正壓改善也較為明顯。但前輪、前橋及后輪等底盤部件正壓較為明顯，后續(xù)可采用前保下導(dǎo)流板及側(cè)裙降低正壓，從而降低風(fēng)阻。

由圖7的車輛Y=0截面速度矢量圖顯示，4種導(dǎo)流罩均改善了原車車頂氣流沖擊車廂的問題，改善了氣流的分離流動(dòng)，而圖7e中可以看見比較明顯的氣流流動(dòng)分離，是導(dǎo)流罩D風(fēng)阻偏大的原因。

從圖8的Z=19 m截面速度矢量圖可以看到，原車貨箱頭部速度較高，是氣流沖擊帶來的結(jié)果。導(dǎo)流罩B相對于導(dǎo)流罩A貨箱兩側(cè)貼體流動(dòng)性能更優(yōu)，而導(dǎo)流罩C與導(dǎo)流罩D相對于導(dǎo)流罩B，貼體流動(dòng)性更優(yōu)。

42 前臉優(yōu)化

在與競品車對比時(shí)發(fā)現(xiàn)，競品車與研究車輛造型差異大，競品車駕駛室前進(jìn)氣格柵與前保險(xiǎn)杠均為封閉狀態(tài)，且寬度較研究車輛窄115 mm，但風(fēng)阻系數(shù)競品車要低得多。

對某純電動(dòng)輕型商用車進(jìn)行前臉優(yōu)化，如圖9對原車前臉進(jìn)氣格柵與前保險(xiǎn)杠進(jìn)行封閉，再對兩個(gè)狀態(tài)的車輛模型進(jìn)行CFD數(shù)值模擬分析，表5結(jié)果顯示封閉進(jìn)氣格柵與保險(xiǎn)杠后風(fēng)阻系數(shù)下降了5%，這表明了車輛前臉造型會影響車輛的風(fēng)阻，從而影響車輛的續(xù)航里程。

43 貨箱優(yōu)化

針對貨箱形式和高度對風(fēng)阻的影響展開探索與優(yōu)化，設(shè)置三個(gè)貨箱方案進(jìn)行CFD仿真和分析對比，方案A為矮貨箱與光板車輛，方案B為高貨箱與瓦楞板車輛，方案C為高貨箱與光板車輛，其中矮貨箱比高貨箱矮250 mm。

表6方案A與方案C對比，風(fēng)阻降低了21%，說明在其他條件相同的情況下貨箱高度對車輛風(fēng)阻影響較大。方案B與方案C相比，風(fēng)阻增加了78%，使用光板貨箱能有效降低風(fēng)阻，貨箱形式也是影響風(fēng)阻的因素之一。

結(jié)合圖10表面壓力云圖與圖11車輛Y=0截面速度矢量圖，方案A貨箱上端氣流沖擊較小，氣流分離情況比較輕微，方案B與方案C貨箱上與前臉部分正壓較大，氣流分離情況與氣流沖擊較為嚴(yán)重，但上述情況方案C相比于方案B要輕微。

5 場景驗(yàn)證

對優(yōu)化后的車輛進(jìn)行場景驗(yàn)證，如圖12與圖13所示，通過更換導(dǎo)流罩、封閉前臉進(jìn)氣格柵以及采用光板貨箱等手段，在實(shí)際典型道路上進(jìn)行續(xù)航測試，測試工況為去程空載回程滿載，采集行車路譜，測試結(jié)果如表7所示。與第二節(jié)中的表2進(jìn)行數(shù)據(jù)對比，整體優(yōu)化后，車輛的百公里平均電耗下降了617 kW·h，優(yōu)化了137%，續(xù)航里程增加了2432 km，比原車提升了1615%。

對某純電動(dòng)輕型商用車優(yōu)化前后整車進(jìn)行全高速工況測試，全程高速工況下空載電耗降低72%，帶載工況下電耗下降822%，優(yōu)化效果明顯，如圖14所示。

6 結(jié)語

本研究通過對某純電動(dòng)輕型商用車不同優(yōu)化方案進(jìn)行CFD仿真分析和對比，找到了影響續(xù)航里程的因素，通過降低風(fēng)阻使車輛的續(xù)航里程增加，車輛的導(dǎo)流罩造型、前臉造型、貨箱造型是影響續(xù)航里程的主要因素，另外，車輛的其他氣動(dòng)件如保險(xiǎn)杠下導(dǎo)流板、尾翼和側(cè)裙等也會影響車輛的續(xù)航里程，在所有因素中，導(dǎo)流罩造型的影響最大，最高能降低15%的風(fēng)阻。為此通過在實(shí)際道路條件下的場景驗(yàn)證，車輛空載和滿載能耗明顯降低，通過優(yōu)化導(dǎo)流罩、前臉造型及貨箱造型后，車輛能提升2432 km的續(xù)航里程。

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作者簡介：

馬德術(shù)，男，1988年生，工程師，研究方向?yàn)樾履茉凑囬_發(fā)應(yīng)用。

韋尚軍（通訊作者），男，1988年生，工程師，研究方向?yàn)樾履茉凑嚰膳c測試技術(shù)。