汽车工程公司使用 Simcenter STAR-CCM+ 为紧凑型电动 SUV 提供 250 英里的续航里程

里程焦虑大行其道

“里程焦虑”是指担心电池电量耗尽并被困在距离电动汽车（EV）充电站数英里的地方。虽然这是一个新名词，但它几乎不是一个新概念。

自二十世纪初汽车问世以来，里程焦虑就一直存在，当时没有加油站网络，人们开车时车上绑着汽油罐。如今，普通人每天只行驶 40 英里，但福布斯最近的一项研究发现，由于高速公路驾驶，三分之二的潜在电动汽车消费者希望每次充电至少行驶 300 英里。

随着电动汽车成为主流，实现更大的续航里程将成为消费者的决定性因素。特斯拉最近的一项研究指出，空气动力学性能每提高 10%，电动汽车的续航里程就会增加 5% 至 8%。空气动力学性能对于高速公路驾驶变得更加重要。如果速度超过 130 公里（km）/每小时（h）（即 78 英里/小时），大约 80% 的动力用于克服空气动力学损失。显然，更好的空气动力学性能提供了更长的航程。

电动动力总成和少量的运动部件已经使电动汽车能够拥有平坦的车身底部和封闭的前侧而没有格栅，从而提供空气动力学优势。大多数内燃机（ICE）损失来自发动机/传动系统，而风阻是电动汽车性能损失的主要因素，这意味着与内燃机相比，空气动力学改进对电动汽车的重要性是其两倍。

因此，需要持续的空气动力学创新来降低电动汽车的风阻系数（Cd），这是空气动力学性能和效率背后的驱动力。目前市场上空气动力学性能最强的汽车——包括特斯拉 Model S、梅赛德斯 CLA、宝马 5 系和奥迪 A4 的风阻系数都在 0.22 到 0.24 之间徘徊，具体取决于发动机类型和功能。

电动汽车设计能否在不牺牲外形和功能的情况下将 Cd 降低到 0.2？Applus IDIADA 是汽车行业设计、测试、工程和认证服务的全球领导者，西门子的 Simcenter STAR-CCM+ ™ 软件帮助他们实现了这一目标。

“据我们所知，这是市场上第一款 Cd 低于 0.2 的概念电动 SUV，”Applus IDIADA 流体工程产品经理恩里克·阿兰布鲁 (Enric Aramburu) 说。

使用 Simcenter STAR-CCM+ 突破 0.2 Cd 障碍

Applus IDIADA 在 2018 年日内瓦国际车展（GIMS）上发布了 Cd 为 0.19 的紧凑型电动运动型多功能车（SUV）概念车 CRONUZ 项目。

该设计是 Applus IDIADA 设计师和空气动力学家之间无缝合作的结果。设计师设计出符合电动汽车设计敏感性的有吸引力的初始表面、美观的风格、极简主义的空气动力学设计和流线型 SUV 车身。

然后，空气动力学家使用 Simcenter STAR-CCM+ 创建的虚拟风洞通过数值仿真分析车辆的空气动力学性能。Simcenter STAR-CCM+ 是卓著的计算流体动力学（CFD）工具，是 Simcenter™ 产品组合的一部分。

“Simcenter STAR-CCM+ 易于使用，”在 Applus IDIADA 工作了 15 年并一直使用该软件的阿兰布鲁说。“它很强大，有利于自动化。这就是为什么自 12 年前 Simcenter STAR-CCM+ 的第一个版本问世以来，我们一直是其用户的原因所在。”

Applus IDIADA 在六个月内模拟了 600 多个设计方案，逐步将减阻概念融入到每个设计中。这允许流线型和优化的上半身设计，同时保留基本的设计理念。通过 Simcenter STAR-CCM+ 仿真，最终优化的设计在自由空气中提供了 0.17 的阻力系数，而无需尝试对风洞和稳态条件进行建模。风洞测试的最终评估结果为 0.19，证实了仿真-创新-测试方法以及 CRONUZ 作为最具空气动力学概念的紧凑型电动 SUV 的地位。

为了便于比较，仿真得出第一个 CONUZ 车型的 Cd 为 0.27，帮助突出了需要改进的领域。

阿兰布鲁补充道：“Simcenter STAR-CCM+ 让我们知道，我们甚至可以在制造原型之前实现创纪录的阻力值。

仿真引领空气动力学创新

CRONUZ 的两个创新功能是降低阻力的关键 - 主动系统和优化的驾驶室/车身底部设计。

汽车的空气动力学性能始终是空气动力学家和设计师之间、性能和美学之间的经典争斗。主动空气动力学系统负责汽车在运行中移动的部件，以对汽车周围的气流产生积极影响。主动空气动力学在一级方程式赛车中被引入，但迅速被禁止，现在作为减阻系统（DRS）重新出现，是汽车行业实现燃油效率、减少阻力和增加下压力的下一个突破。这些系统确保在各种驾驶情况下都具有理想空气动力学性能，无论是经济模式下的低阻力还是运动模式下的高下压力，同时保持设计师的设计敏感性和造型要求。

CRONUZ 具有用于前整流罩和主动摇杆的主动系统，它们在低速和停车时隐藏。在高速或需要时，主动系统被部署，改变汽车周围的气流（实际上是汽车的形状）以保持从前到后的连接，同时最大限度地减少车轮周围的湍流，这是关键的阻力因素之一。

40% 的空气动力学损失来自驾驶室和车身底部区域，这为优化提供了很大的空间。优化的轮辋设计、低底盘系统（在 80 英里/小时后展开）和下方几乎完全封闭的驾驶室最大限度地减少了驾驶室的湍流，并确保了从前到后的附体流动——这是减少阻力的主要驱动力。

Simcenter STAR-CCM+ 中的稳态仿真显示，主动系统减少了 20 个阻力（一个阻力计数等于 0.001 的 Cd）。即使考虑到仿真中未包括的风洞支架和不稳定性，这也证实了主动系统阻力的大幅减少。风洞测试最终显示减少了 14 个计数。

这些创新通过迭代 Simcenter STAR-CCM+ 中的主动系统、轮辋和车身底部驾驶室盖的各种设计来实现，以找到最佳性能组合。这些设计改进在构建唯一的原型之前减少了 55 个阻力。

最具空气动力学特性的 EV 概念车

与轿车和双门轿跑车相比，电动 SUV 具有标志性的外观——掀背车形状和更高的高度——这些特征增加了阻力，使得优化空气动力学具有挑战性。随着多达九款电动 SUV 计划推向市场，2019 年也可能是电动 SUV 的一年。该领域的空气动力学创新至关重要，CRONUZ 为这一市场领域日益增长的突破性空气动力学提供了解决方案，这些解决方案可以减少阻力。

该车由公司在中国和西班牙的团队合作，在 18 个月内从零开始开发，实现了一流的空气动力学价值。该概念车还为 Applus IDIADA 提供了一个平台，以提供破纪录的空气动力学设计大师级水准。这款四座 C 级 SUV 配备 200 升电池组，重量为 1,500 公斤（kg），由两个电动电机驱动，设计续航里程为 250 英里（400 公里）。

对于概念车来说，CRONUZ 看起来很像量产车。这是有原因的。Applus IDIADA 致力于提供创新的减阻空气动力学功能，这在量产型电动 SUV 上可行。流线型、吸引人的设计和车辆功能是 CRONUZ 的核心要求。

使用仿真来优化设计是实现设计与空气动力学完美和谐的关键。

仅通过与风洞结果非常吻合的稳态仿真，工程师们很快就确定了一种可以打破 0.2 Cd 障碍的设计。

“如果没有 Simcenter STAR-CCM+，我无法想象开展这样的项目，”阿兰布鲁说。“通过构建数字孪生，我们能够在流程的早期通过仿真尝试各种设计可能性。仿真是设计创新的关键。”

CRONUZ 的空气动力学创新将帮助主要的原始设备制造商（OEM）和电动汽车初创公司减少阻力并增加续航里程。这种具有主动系统的变革性汽车在过去十年中格外突出，似乎能够成为汽车空气动力学的未来。