你的电动车跑不远?都是风阻惹的祸
隐藏式门把手、摄像头取代后视镜,无中网设计封闭式前脸,这些名词都伴随着电动化趋势一同来到我们耳边。
而他们共同的目的就是降低车辆的风阻,从而降低能耗。
接下来是“追风三问”:
同样是降低能耗,为什么电动车现在这么讲究,而传统车却视若无睹?
电动车这么看重降低风阻系数,那么,风阻系数对车辆续航的影响究竟有多大?
在那些介绍风阻系数的文章中,我们经常可以看到,每降低0.01的风阻系数,可以提高10-20公里续航这样的描述,这些数字又是哪来的?
这里有一张表可以参考:
注:我们以常规车辆模型数据做一些理论计算,感兴趣的朋友可以到文章结尾附录中查看验证。
可以看到,在不同的车速下,风阻系数对于纯电动车的续航能力影响还是很大的。
尤其在120km/h小时的高速巡航工况下,每减少0.01的风阻系数,续航可以提高10-16km不等。
具体而言,当风阻系数从一般车辆的0.30降低到行业顶级的0.21时,续航里程提升达到了118km。按比例算,27.7%的夸张幅度足以让每一款电动车都怦然心动。
降低风阻,是提高续航的高效选择
如果想要通过增加电池容量来提升这么多的续航,考虑到重量增加也会导致能耗升高,电量至少需要增加30%以上。以93度电池包计算,需要增加28度电。
这么多电成本就要近20000元,还得要考虑车辆是否有足够的布置空间,增加的重量也需要进行平衡,悬架底盘需要重新调节等等,代价小不了。或者只能期待一下电池技术研发有突破性的进展。
而电驱动系统目前已经达到了极高的90%以上的效率,通过提高电驱系统效率来提高续航的空间确实还有一些,但想要27.7%那么多,还是“可望而不可及”。
这其中的差别,不妨打个比方,公司划拨了一笔研发预算,投到风阻系数研究中可以提高10%的续航,而投入到电驱系统或者电池上可能只有5%的效果。
你说纯电动车能不看重风阻系数吗?
相比较电动车,燃油车简直是个“阔少爷”
电动车比起燃油车更加看重风阻系数的原因,在于燃油车太浪费能源了。
对的,你没有看错。风阻系数对电动车的影响看上去比燃油车更大,是因为燃油车可携带的能量太多了,像个“阔少爷”,花钱(利用能量)反而大手大脚了。
一般而言,燃油车油箱容积60L左右,其综合续航也就是差不多600-700km,与一辆采用90-100kWh电池的电车相当。
但60L油箱中的汽油完全燃烧产生的能量足有1.88*10^9 J,相当于523kWh的电量,能量携带量相差5倍有余。
事实上,燃油车对于汽油化学能的利用率仅为20%不到。能量的浪费主要发生在内燃机燃烧过程,以及刹车盘中。相比之下,风阻造成的能量损失实在九牛一毛。
正因为能量携带量的绝对差异,导致电动车必须要认真利用好每一份电量,减少一切不必要的损失。
不论燃油车还是电动车,车速越高,风阻越大,能耗越高,这个规律都是适用的。但同样降低0.01风阻系数,起到的效果却不同。
就好像同样是5元代金券,冰雪蜜城的5元代金券和劳斯莱斯5元代金券不是一回事。降低风阻系数的收益就是这“5元代金券”,尽管绝对值相同,比例不同,感受就不同了。
正是因为电动车相对燃油车携带的能量少,对能量利用效率足够高,所以,才会对风阻造成的能量损失足够敏感,也就更加看重减少风阻带来的收益。
另外,还有两个因素不可忽略。
电池能量密度正在快速提升,但还没有达到与燃油能量密度同一水平的时候,所以,电动车对能量利用率的渴望明显强于燃油车。
风阻影响较大的是高速工况,这种工况本来就是内燃机的“舒适区”,而电动机则稍逊一筹。
此外,燃油车不在意风阻系数只是一个相对的概念。
早期箱型车身风阻系数足有0.8,上世纪30-40年代通过流线型设计,将车辆风阻系数降低至0.6级别、50-60年代降到0.4、80年代达到0.3。
如今,我们车辆的风阻系数已经达到了较低的0.25-0.35水平。
在这个基础上燃油车继续投资降风阻并不划算。不如继续考虑如何提高发动机热效率,提高变速箱的传动效率。
低风阻与功能性兼顾,谋求平衡点的艺术
技术的整体发展总是呈现螺旋上升态势的。当一项技术达到临界点,边际成本会迅速上升,人们便会寻求通过另外的技术手段来达成新的性能目标。
随着车辆气动造型研究的逐步深入,目前的风阻系数虽然还没有达到极限,但也已经快要来到临界点。
降低风阻的成本会越来越高,收益却会越来越小,甚至还会带来其他方面的贬损。
到那时,电动车也会像现在的燃油车一样,开始寻找别的发展方向,可能又会回归到从储能装置、驱动系统着手,汽车工业的发展便是如此螺旋前进。
车辆设计并不仅仅需要考虑风阻系数,空间、动力系统、美学表达等与风阻系数往往会在天平的两端。如何寻找到完美的平衡点,体现的是一个车企的内功。
智己L7的工程师们通过一个个细节处的优化堆积,经历近900次仿真计算,超150小时风洞试验,从大灯、格栅、前唇、轮眉、后视镜、尾灯、扩散器等等细节处一点点扣出了0.21的极低风阻系数。
与此同时,又细腻地平衡了内部空间、整体造型和驾驶体验。经过不断打磨、调整、优化,才推出了这款艺术般的产品。
如此精益求精,少不了时间的沉淀,智己L7的团队选择将这款倾注了全部心血的产品磨砺得更加出色,让智己L7在交付之时便是一款优秀而成熟的产品。
让我们站在更高的角度去思考,这个世界从来不是非黑即白,而是一种多彩的平衡。我们追求低能耗,提升高效率,谋求影响因子的相对平衡,需要精进一点,再精进一点。
无论完美的圆是否存在,只要我们可以不断趋近它,这个过程本身便很美丽。
附录:风阻系数对续航里程影响
我们可以通过几个初中水平的公式,简单计算不同风阻、车速条件下车辆的能耗与理论续航,顺便加深一下理解。
这里用到了几个初中公式:
车辆动力学方程:
车辆的驱动力等于车辆的滚动阻力、坡度阻力、空气阻力和加速阻力四个阻力之和,这些阻力被统称为行驶阻力。
当我们车辆匀速在平地上行驶时,坡度阻力为零,加速阻力也为零。
此时,行驶阻力就是滚动阻力加上空气阻力。
滚动阻力计算公式:
空气阻力计算公式:
可以看到,滚动阻力和车重m有关,和道路的滚动阻力系数f有关,与车速无关。
而空气阻力则与风阻系数Cd,车辆的投影面积A及车速V相关,尤其是车速,是强相关。
我们以常规电动车型模型数据为例,车重约2吨,一般高速公路铺设的良好沥青路面滚动阻力系数约为0.01,则车辆的滚动阻力为2000*9.8*0.01=196N。
假设其正面投影面积A约为2.5㎡,风阻系数低至0.21。
当车速60km/h时,空气阻力约为89N,80km/h时空气阻力为159N,100km/h时为248N,120km/h时为357N。
那么换成一辆普通的风阻系数0.3的车呢?
其他条件不变,60km/h、80km/h、100km/h、120km/h车速时空气阻力分别为128N、227N、355N和522N。
这两辆车同样行驶100km,60km/h时,风阻系数0.3的车辆比风阻系数0.21的车辆多消耗13%的能量。而在120km/h时,这一差距更是被拉大到了28%。
120km/h时,风阻系数0.21的车辆行驶阻力为196 357=553N。行驶100km的能耗为:
但这是轮上的,要算车辆的能耗还需要除以传动系统以及驱动系统的效率,这里估算从储能装置电池到车轮之间的总传动效率效率为0.9,因此车辆从电池中提取的能量为:
即这辆风阻0.21的车型在120km/h匀速巡航时的百公里电耗约为17.1度。
按照93kWh带电量来算,其120km/h续航里程为544km。(不考虑空调、车内电器、车辆加减速等其他损耗)
那么,换成风阻系数0.3,其他条件不变的车型呢?
以同样的公式算得,其百公里电耗为21.8kWh,同样93度电,其120km/h续航里程仅有426km。两者足足相差了118km。而且电量越高,续航里程的差额越大。
时速60、80、100km/h,风阻系数从0.21到0.30的续航计算过程类似。
最终可以得到文章开头的那张车速、风阻、续航对应表。