自動車エンジニアリング会社が、Simcenter STAR-CCM+を使用して、EVのコンパクトSUVで航続距離250マイルを達成

航続距離への不安がキーワード

「航続距離への不安」とは、バッテリーの充電が切れて、電気自動車 (EV) の充電ステーションから何マイルも離れた場所で立ち往生してしまうのではないかという不安です。新しい用語ですが、新しい概念ではありません。

航続距離の不安は、ガソリンスタンドのネットワークがなく、人々がガソリン缶を車に縛り付けて走り回っていた1900年代初頭の自動車の黎明期から存在していました。現在、平均的な人の1日の走行距離はわずか40マイルですが、最近のフォーブス誌の調査によると、潜在的なEVユーザーの3分の2は、高速道路走行を見越して、1回の充電で少なくとも300マイルの航続距離を望んでいます。

EVが主流になるにつれて、より長い航続距離が消費者のEV購入の決め手になるでしょう。テスラの最近の調査によると、空力性能が10%向上すると、EVの航続距離が5～8%向上します。高速道路での走行では、空力性能がさらに重要になります。時速130キロメートル (時速78マイル) を超える速度では、動力の約80%が空力損失を克服するために使用されます。空力性能が向上すれば、航続距離が伸びるのは明らかです。

電動パワートレインと少数の可動部品により、EVはすでにフラットな下部ボディとグリルのない閉じられたフロントサイドを実現しており、空力的な利点をもらしています。内燃機関エンジン (ICE) の損失のほとんどはエンジン/ドライブトレインに起因しますが、EVの性能損失の主な原因は風の抵抗であり、EVの空力改善はICEと比較して2倍重要であることを意味します。

したがって、空力性能と効率性を左右するEVの抗力係数 (Cd) を低減するには、継続的な空力のイノベーションが必要です。テスラモデルS、メルセデスCLA、BMW 5シリーズ、アウディA4など、現在市場に出回っている最も空力性能に優れた車のCd値は、エンジンの種類や機能にもよりますが、いずれも0.22から0.24の間に収まっています。

電気自動車の設計では、形状や機能を犠牲にすることなくCd値を0.2未満にすることができるのでしょうか？自動車業界向けの設計、テスト、エンジニアリング、および認証サービスの世界的リーダーであるApplus IDIADAは、シーメンスのSimcenter STAR-CCM+™ソフトウェアを使用してその目標を達成しました。

「私たちが知る限り、これはCd値が0.2未満の市場初のコンセプト電動SUVです」と、Applus IDIADAの流体エンジニアリング製品マネージャーのEnric Aramburu氏は述べています。

Simcenter STAR-CCM+でCd値0.2の壁を破る

Applus IDIADAは、ジュネーブ国際モーターショー (GIMS) 2018で、CD値0.19のEVコンセプトカーのコンパクト・スポーツ用多目的車 (SUV) であるCRONUZプロジェクトを発表しました。

このデザインは、Applus IDIADAのデザイナーと空力学者のシームレスな協力の結果です。デザイナーは、EVデザインの感性に合わせた魅力的な初期サーフェス、審美的に心地よいスタイル、ミニマルな空力デザイン、効率的なSUVタイプのボディを生み出しました。

次に、Simcenter STAR-CCM+で作成した仮想風洞を使用して、数値シミュレーションにより車両の空力性能を解析しました。Simcenter STAR-CCM+は、トップクラスの数値流体力学 (CFD) ツールであり、Simcenter™ポートフォリオの一部です。

「Simcenter STAR-CCM+は使いやすいです。強固で、自動化に適しています。12年前にSimcenter STAR-CCM+の最初のバージョンが登場して以来、私たちが積極的に使い続けているのもそのためです」と話すのは、Applus IDIADAに15年間勤務し、ずっとこのソフトウェアを使用してきたAramburu氏です。

Applus IDIADAは、6か月間にわたって600以上の設計案をシミュレーションし、各設計に抗力低減のコンセプトを段階的に組み込んでいきました。これにより、基本的なデザイン・コンセプトを維持しながら、上部ボディのデザインを合理化し、最適化することができました。Simcenter STAR-CCM+のシミュレーションにより、最終的に最適化した設計は、風洞のモデル化を試みることなく、定常状態で自由空気中の抗力係数 (Cd値) 0.17を達成しました。風洞試験の最終評価では、Cd値が0.19となり、シミュレーションを駆使した革新的なテスト・アプローチの成果に加え、最も空力性能に優れたEVコンセプトのコンパクトSUVとしてのCRONUZの地位を確保しました。

比較のために、シミュレーションに基づく最初のCRONUZモデルのCd値は0.27であり、改善が必要な領域を特定するのに役立ちました。

「Simcenter STAR-CCM+を活用したことで、プロトタイプを構築する前から記録的な抗力係数を達成できることがわかっていました」と、Aramburu氏は付け加えます。

シミュレーションが空力のイノベーションを導く

CRONUZの抗力低減の鍵となるのは、2つの革新的な機能、つまり、アクティブ・システムと最適化したホイールハウス/下部ボディ設計です。

自動車の空力性能については、空力学者とデザイナーの間で常に、性能を取るか審美性を取るかでせめぎ合ってきました。アクティブ空力システムとは、走行中に移動して車の周囲の空気の流れにプラスの影響を与える車の部品を指します。アクティブ空力は、かつてF1™レースで導入された後、すぐに禁止されましたが、現在再びF1レースで抗力低減システム (DRS) として注目されています。アクティブ空力は、自動車業界における燃料効率、抗力の低減、ダウンフォースの増加を達成するための画期的な次世代技術です。これらのシステムは、デザイナーのデザイン感性とスタイリング要件を維持しながら、エコノミー・モードでの抗力やスポーツ・モードでの高ダウンフォースなど、あらゆる運転状況に最適な空力を保証します。

CRONUZは、フロント・フェアリングとロッカーのアクティブ・システムを備えており、低速時や駐車時には隠れています。高速走行時またはオンデマンド走行時には、アクティブ・システムが始動し、車 (実際には車の形状) の周りの空気の流れを変化させ、空気抵抗の主な原因の1つであるホイールハウス周りの乱気流を最小限に抑えながら、フロントからリアまで密着した状態を保ちます。

空力損失の40%はホイールハウスと下部ボディの領域に起因しており、最適化の余地が大いにあります。最適化したリム設計、低い下部構造 (時速80マイル超で下げられる)、および下からほぼ完全に閉じられたホイールハウスにより、ホイールハウスの乱気流が最小限に抑えられ、フロントからリアまで車体に密着したスムーズな流れが確保されます。これは抗力低減の主な要因になります。

Simcenter STAR-CCM+を使った定常状態シミュレーションにより、アクティブ・システムが抗力を20カウント (1抗力カウントはCd値の0.001に相当) 低下させることがわかりました。シミュレーションに含まれていない風洞マウントや非定常性を考慮しても、アクティブ・システムによって抗力が大幅に低減することを確認できました。風洞試験では、最終的に抗力を14カウント低下させることがわかりました。

これらのイノベーションは、アクティブ・システム、リムおよび下部ボディのホイールハウス・カバーのさまざまなデザインをSimcenter STAR-CCM+で繰り返し試行し、最適な性能を発揮する組み合わせを見つけることで実現しました。こうした設計改善を通じて、唯一のプロトタイプを製造する前に、抗力が55カウント低減しました。

最も空力性能に優れたコンセプトEV

電動SUVは、セダンやクーペに比べてハッチバックの形状と車高が高いという特徴的な外観を持ち、抗力を増加させるため、空力を最適化することが困難です。2019年は、9車種もの電動SUVが市場に投入される予定で、電動SUVの年になると考えられます。この市場分野における空力イノベーションは重要であり、抗力を低減する画期的な空力ソリューションを求めるニーズの高まりに対して、CRONUZは解決策を示しています。

この車は、白紙の状態から開発を始めて、中国とスペインのチーム間のコラボレーションにより、18か月でクラス最高の空力性能を実現しました。このコンセプト車両は、Applus IDIADAに記録破りの卓越した空力設計を実現するプラットフォームも提供します。200リットルのバッテリー・パックと1,500キログラムの重量で設計された4人乗りのCクラスSUVは、2つの電気モーターで走行し、航続距離は250マイル (400キロメートル) に設計されています。

コンセプトカーとしては、CRONUZは量産車によく似ています。それには理由があります。Applus IDIADAは、量産型電動SUVで実現可能な、抗力を低減する革新的な空力性能を目指しました。効率的で魅力的なデザインと車両の機能性は、CRONUZの中核的な要件でした。

シミュレーションを使用して設計を最適化することは、デザインと空力性能の完璧な調和を実現するための鍵です。

風洞の結果と一致する定常状態のシミュレーションだけで、エンジニアはCd値0.2の壁を打ち破る設計をすぐに特定しました。

「Simcenter STAR-CCM+なしで、このようなプロジェクトを実施することは想像できません。デジタルツインを構築して、プロセスの早い段階でシミュレーションを実施することで、さまざまな設計の可能性を試すことができました。シミュレーションは、設計イノベーションの鍵です」と、Aramburu氏は言います。

CRONUZの空力イノベーションは、抗力の低減と航続距離の延長において、大手相手先ブランド製造企業 (OEM) とEVスタートアップ企業の双方を支援するものです。ここ10年間で顕著になった、アクティブ・システムを備えたこのような形状変化する車は、自動車の空力技術の未来になるでしょう。