基于CFD的新能源商用车续航分析与场景验证

马德术 文书涵 李世强 郑伟光 韦尚军

摘要：新能源商用车的空气动力学性能一直以来都是影响整车续航的重要影响因素。以某款新能源电动轻卡为研究对象，采用CFD数值模拟仿真分析方法，分析不同外观、导流罩等造型因素对车辆风阻的影响，从而计算对整车在不同车载重下空气动力对整车的阻力，得出空气动力对整车续航的影响及关键要素；再以数值模拟的方式进行优化设计及仿真；最后在相同的载重、电池SOC以及环境条件下进行实地场景实验验证，从而提升新能源商用车的续航能力。实验结果表明，在新能源商用车高速行驶条件下，空气动力对续航影响较大，通过改善、封闭驾驶室前围，提高顶导流罩，使用光板货箱等方式，可以有效降低车辆阻力，降低了137%的百公里电耗，并提升了车辆2432 km的续航里程。

关键词：新能源商用车；CFD；空气动力学；续航；场景

中图分类号：U462  收稿日期：2024-04-10

DOI：1019999/jcnki1004-0226202406009

1 前言

随着能源危机与环境污染问题的逐渐凸显，各国积极地制定了一系列措施，加大了对新能源产业的投资建设力度，极大地推动了新能源汽车的发展[1]。目前，我国商用车保有量约占汽车保有量的12%，但是氮氧化物和PM污染物排放量占总量的80%，温室气体排放量占道路交通总排放量的77%，所以商用车是汽车产业减排降碳的关键。为实现“碳达峰、碳中和”的战略目标，商用车低碳化发展将采用多路协同发展的方式，其中发展轻、微型商用车的纯电动化是实现零排放的最佳技术路线[2]。相比传统燃油商用车，纯电动商用车在使用端为零排放，其整体结构较简单、传动效率高、噪声低，适合在全国范围内推广使用。但纯电动商用车也有不可忽视的劣势，如续航里程短，因此纯电动商用车的续航里程也逐渐成为各个企业纯电动商用车车型的核心竞争力[3]。

新能源商用车的续航里程受许多因素的影响，其中空气阻力对汽车的续航里程的影响比较大[4]。尤其是长时间在高速路上行驶的新能源商用车，汽车的速度越大，其受到的空气阻力越大，这无疑会使车辆消耗更多的能量，使得车辆的续航里程缩短。为此本研究对某纯电动轻型商用车进行CFD数值模拟仿真分析，找到车辆的空气阻力对其续航里程的影响因素，进行降风阻的优化设计，从而提高车辆的续航里程。

2 CFD仿真分析原理

CFD仿真作为汽车风阻优化的常用分析手段，在基于有限体积法进行CFD分析求解时，采用均化的流体力学方程组进行三维流场分析，可得到速度场、压力场、温度场分布结果，以及气动六分力值[5]。对于不可压缩流体，其控制方程为如下。

运动方程：

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

式中，[v]为流场速度；[p]为流场压力；[μ]为流体动力黏性系数；[ρ]为空气密度；[?]为拉氏算子。

连续性方程：

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

式中，[ρ]为流体密度；[t]为时间；[Vi]、[Vj]、[Vk]分别为流体速度矢量在i、j、k三个方向上的分量。

仿真采用了Realizable k-ε湍流模型，Realizable k-ε湍流模型可用于各种不同类型的流动模拟，很适合汽车外部流场的模拟。k和ε的相关方程如下：

[??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]为空气流动速度；[Gk]为层流速度梯度产生的湍流动能；[Gb]为浮力产生的湍流动能；[Sk]、[Sε]为用户自定义参数；[σk]、[σε]为方程的湍流Prandtl数；[YM]为在可压缩湍流中过渡扩散产生的波动；[C1]、[C2]、[C1ε]、[C3ε]为常量。

对上述的方程组进行封闭并利用有限元法进行离散求解，即能得到速度压力等信息。

3 原车续航与风阻分析

31 车辆参数

本文研究对象为某纯电动轻型商用车，其车辆基本参数信息与模型如表1和图1所示。

表1 某纯电动轻型商用车基本参数信息

[名称      参数信息       电池容量，kW·h       8114    电机峰值功率，kW      120  后桥速比       4875    迎风面积mm，宽×高       2 180×3 220  货箱形式       瓦楞结构       行驶里程，km      3 440      ]

32 续航分析

收集客户的车辆空载与带载行车路谱，把车辆的行车路谱作为道路边界条件从而进行车辆的续航测试。图2为车辆空车与带载两种状态下行车路谱曲线。

从图2可看出，此路谱中有86%的工况为最高车速88 km/h，对其3次续航测试后的结果如表2所示。

结果显示车辆的续航在150 km，且长时间处于高速工况，而高速工况使风阻变大，这可能是造成续航不够长的原因。

33 风阻分析

对研究车辆进行CFD仿真，并研究车辆运行时的外流场，分析整车风阻情况，找到受风阻影响最大的地方，从而建立优化目标进行车辆的风阻优化，减小风阻，增加续航里程。

图3为车辆速度矢量图，图中黑色圈内由于车顶导流罩偏矮，气流冲击货箱，一部分气流产生较大的分离流动。从图4压力云图也能看到，车辆正前方上端货箱受到较大的正压力，是由于气流冲击引起，另外车辆前脸部分的孔洞会增加气流的耗散，这些因素都会增加车辆的行驶阻力。

综上所述，车辆的车顶导流罩形状、货箱高度、车辆造型等是影响车辆风阻的主要因素，另外，货箱形状与其他空气动力套件的加装也会影响车辆的风阻。需要依次对这些因素进行探索，从而找到降低目标车辆风阻的方案。

4 CFD仿真优化

41 车顶导流罩优化

车辆车顶导流罩的作用是对正前方的气流进行引导，将气流导向较高处流动，能很大程度上改善气流对货箱的冲击和驾驶室与货箱之间空隙处气流的断续现象，减小空气涡流，从而降低风阻。

为了研究导流罩形状对风阻的影响，以及对整车风阻进行优化，选择了4款不同形状参数的车顶导流罩，其外表面面积与导流罩形状差异如表3与图5所示。

在相同的条件下对所有车辆模型进行CFD仿真数值模拟，结果如表4所示。

结果显示，4款优化导流罩方案相对于原车方案，风阻都得到了明显的改善，车辆的风阻系数从原车的0543最低降到0462，Cd×A降低了1507%。从图6的车辆表面压力云图可以看出，货箱前端正压改善也较为明显。但前轮、前桥及后轮等底盘部件正压较为明显，后续可采用前保下导流板及侧裙降低正压，从而降低风阻。

由图7的车辆Y=0截面速度矢量图显示，4种导流罩均改善了原车车顶气流冲击车厢的问题，改善了气流的分离流动，而图7e中可以看见比较明显的气流流动分离，是导流罩D风阻偏大的原因。

从图8的Z=19 m截面速度矢量图可以看到，原车货箱头部速度较高，是气流冲击带来的结果。导流罩B相对于导流罩A货箱两侧贴体流动性能更优，而导流罩C与导流罩D相对于导流罩B，贴体流动性更优。

42 前脸优化

在与竞品车对比时发现，竞品车与研究车辆造型差异大，竞品车驾驶室前进气格栅与前保险杠均为封闭状态，且宽度较研究车辆窄115 mm，但风阻系数竞品车要低得多。

对某纯电动轻型商用车进行前脸优化，如图9对原车前脸进气格栅与前保险杠进行封闭，再对两个状态的车辆模型进行CFD数值模拟分析，表5结果显示封闭进气格栅与保险杠后风阻系数下降了5%，这表明了车辆前脸造型会影响车辆的风阻，从而影响车辆的续航里程。

43 货箱优化

针对货箱形式和高度对风阻的影响展开探索与优化，设置三个货箱方案进行CFD仿真和分析对比，方案A为矮货箱与光板车辆，方案B为高货箱与瓦楞板车辆，方案C为高货箱与光板车辆，其中矮货箱比高货箱矮250 mm。

表6方案A与方案C对比，风阻降低了21%，说明在其他条件相同的情况下货箱高度对车辆风阻影响较大。方案B与方案C相比，风阻增加了78%，使用光板货箱能有效降低风阻，货箱形式也是影响风阻的因素之一。

结合图10表面压力云图与图11车辆Y=0截面速度矢量图，方案A货箱上端气流冲击较小，气流分离情况比较轻微，方案B与方案C货箱上与前脸部分正压较大，气流分离情况与气流冲击较为严重，但上述情况方案C相比于方案B要轻微。

5 场景验证

对优化后的车辆进行场景验证，如图12与图13所示，通过更换导流罩、封闭前脸进气格栅以及采用光板货箱等手段，在实际典型道路上进行续航测试，测试工况为去程空载回程满载，采集行车路谱，测试结果如表7所示。与第二节中的表2进行数据对比，整体优化后，车辆的百公里平均电耗下降了617 kW·h，优化了137%，续航里程增加了2432 km，比原车提升了1615%。

对某纯电动轻型商用车优化前后整车进行全高速工况测试，全程高速工况下空载电耗降低72%，带载工况下电耗下降822%，优化效果明显，如图14所示。

6 结语

本研究通过对某纯电动轻型商用车不同优化方案进行CFD仿真分析和对比，找到了影响续航里程的因素，通过降低风阻使车辆的续航里程增加，车辆的导流罩造型、前脸造型、货箱造型是影响续航里程的主要因素，另外，车辆的其他气动件如保险杠下导流板、尾翼和侧裙等也会影响车辆的续航里程，在所有因素中，导流罩造型的影响最大，最高能降低15%的风阻。为此通过在实际道路条件下的场景验证，车辆空载和满载能耗明显降低，通过优化导流罩、前脸造型及货箱造型后，车辆能提升2432 km的续航里程。

参考文献：

[1]王津电动汽车续航里程的研究分析与优化[J]汽车实用技术，2022，47（23）：12-18

[2]邱彬，彭海丽我国商用车低碳化发展环境研究与技术路径分析[J]汽车工程学报，2022，12（2）：127-136

[3]韦慧红，肖国钰纯电动汽车续航提升方案探究[J]时代汽车，2023（13）：85-87

[4]彭聪纯电动汽车续驶里程影响因素[J]汽车实用技术，2022，47（14）：6-8

[5]王新宇，王登峰，范士杰等商用车空气动力学附加装置减阻技术的研究及应用[J]机械工程学报，2011，47（6）：107-112

作者简介：

马德术，男，1988年生，工程师，研究方向为新能源整车开发应用。

韦尚军（通讯作者），男，1988年生，工程师，研究方向为新能源整车集成与测试技术。