Ökad betydelse för aerodynamik i elektriska fordon

Skrivet av Ciarán O’Reilly, docent och Bitr föreståndare på centret för ECO2 Vehicle Design, KTH.

Insatser för att avkarbonisera vägtransporter fokuserar främst på hur energi tillförs till fordon [1,2]. Det är emellertid också värt att överväga varför denna energi behövs av fordon; hur olika energikrav samverkar och hur dessa förhållanden sannolikt kommer att förändras under de kommande åren.

Energikrav

Fordonets rörelse kräver energi för att övervinna tre huvudtyper av motstånd – tröghet, rullmotstånd och luftmotstånd. De första två av dessa är massberoende, medan den tredje är formberoende. Dessa energikrav är fysiska, vilket betyder att energibehovet för en given massa, form och körcykel är fast, oavsett framdrivningssystem.

Ur ett teoretiskt perspektiv är denna uppdelning mellan energibehov och framdrivningssystem korrekt, men i praktiken är bilden lite mer komplex, med många inbördes beroenden i systemet som ofta gör det utmanande att ändra en fordonsegenskap i taget. Även om aerodynamiskt luftmotstånd inte är massoberoende, och ändringar av framdrivningssystemet i princip inte bör påverka aerodynamiken, är verkligheten här igen lite mer komplex.

Luftmotstånd

För bilar är den viktigaste komponenten i luftmotstånd formdrag. Detta påverkas av fordonets totala storlek och också hur smidigt luften kan strömma runt fordonet, dvs hur strömlinjeformad den är. Luftmotstånd är också ett resultat av luftflödet genom fordonet för kylning och förbränning (kylningsdrag), luftflödet avböjs av ytor för att skapa nedkraft (inducerad drag) och friktion mellan luftflödet och ytorna (friktionsdrag).

Ett fordons aerodynamiska prestanda är en egenskap av luftflödet och fordonets totala form snarare än endast summan av separata delar. Exempelvis kan luftmotståndet från bilkarossen och backspeglarna vara större än deras individuella luftmotstånd. Detta emergenta luftmotstånd kallas interferensdrag.

Den totala dragkraften verkar mot fordonets rörelse och därför krävs energi för att övervinna det. Denna kraft och dess förhållande till fordonets form och rörelse genom luften karakteriseras av dragkoefficienten, och typiska moderna bilar har en koefficient på 0,25–0,3.

Aerodynamik av elektriska fordon

Ökad elektrifiering av fordon kommer också att påverka aerodynamik.  I synnerhet, att ta bort förbränningsmotorn tas också behovet av internt luftflöde för förbränning och kylning bort. Detta har potential att ge en minskning av luftmotstånd på 14 %. Det måste dock fortfarande finnas kylning av batterier och annan elektronisk utrustning. Hur exakt detta kommer att påverka aerodynamiken och energibehovet kommer att bero på konfigurationen och om passiv eller aktiv kylning behövs. Andra förändringar kommer också att begränsas av inbördes beroenden i fordonssystemet.

Begränsningar för att minska luftmotstånd

Medan dragkoefficienter på 0,1–0,15 är möjliga, begränsas ansträngningar för att minska luftmotstånd starkt inom fordonskonstruktionen [3]. På en grundläggande nivå, konkurrerar behovet av att ha en liten strömlinjeformad profil och att transportera av passagerare eller gods. Säkerhet ställer också geometriska begränsningar med behovet av att till exempel inkludera crumplezoner.

På en mer komplex nivå prioriteras estetik också för bilar, med till exempel en växande preferens för SUV:er [4] som verkar mot åtgärder för att minska energibehovet eftersom de typiska har en dragkoefficient på 0,35–0,45 och en 25 % större frontal area.

Reducering av luftmotstånd

Åtgärder för att reducera luftmotstånd är ofta begränsade till tillägg som hjulkapslar eller spoilers, som jämnar ut ytan eller avböjer luft [5]. Men deras effekt kan fortfarande vara betydande. Till exempel kan en kåpa under bilen ge en 15% minskning av luftmotstånd [6].

Att ta bort komponenter kan också minska luftmotstånd. Till exempel har backspeglarna på Audi e-tron ersatts med kameror som standard. Detta kan potentiellt ge en minskning på 4% i luftmotstånd. Även om det är betydande, är sådana förändringar kanske betonade på grund av deras synlighet för konsumenterna, och denna SUV har fortfarande en dragkoefficient på 0,28.

Förutom sådana passiva åtgärder undersöker forskare även att aktivt tillföra energi till flödet i vissa regioner för att ge en övergripande energireduktion. Exempelvis har användning av plasmaställdon visat sig minska luftmotstånd i enkla fall med upp till 10 % [7] i det Energimyndighets finansierade projektet Flow Research on Active and Novel Control Efficiency. Denna teknik kan till exempel tillämpas på A-stolparna eller hjulutrymmen.

Aerodynamik i en ny fordonsarkitektur

Tillväxten av elfordon har också sammanfallit med ökade ansträngningar för att minska fordonets vikt. Även om lättvikten minskar energibehovet från tröghet och rullmotstånd oavsett framdrivningstyp, är incitamentet störst för batterielektriska fordon. Detta beror på att batterier är relativt tyngre energibärare. Så lättare material betyder lägre energibehov, vilket betyder mindre och lättare batterier, och så vidare. Lättare fordon utgör dock nya utmaningar för aerodynamik.

Åtgärder för lättvikts- och dragreducerade fordon konkurrerar ofta med dynamiska stabilitet [5] Till exempel kan fordon bli mer känsliga för vindbyar, vilka ökar säkerhetsaspekterna [7]. Detta innebär att fordonsingenjörer, i ökande grad måste överväga kopplingen mellan aerodynamik och fordonsdynamik när de utformar säkra stabila fordon [8].

Andra funktioner hos fordonet kan också dra nytta av detta kopplade tillvägagångssätt. Till exempel betyder lättare material också att aerodynamiskt genererat ljud kommer att vara mer utmanande att dämpa samtidigt som det blir omaskerat av byten till tysta elektriska motorer.

Dessutom, att överväga samtidigt aerodynamik och strukturell styvhet i ett fordons tak kan utnyttja samverkan mellan båda [9]. Så, krökningen av taket kan väljas för att minska både luftmotståndet och den mängd av material som behövs för att förhindra aerodynamiskt generat fladder. Detta skulle inte bara minska energibehovet från tröghet, rullmotstånd och luftmotstånd, utan skulle också kunna minska energibehovet inbäddat i själva materialen under deras livscykel.

Aerodynamikens relativa betydelse

För en typisk bil är luftmotstånd ungefär 35 % av energibehovet under den NEDC-körcykeln [10]. Men med de nya mer realistiska hastigheterna i den WTLP-cykeln ser samma analys att luftmotstånd ökar till 40% av energibehovet för samma massa och form. När detta kombineras med lättare elektriska fordon ser aerodynamik ut att spela en mer framträdande roll under de kommande åren.

—

I vår forskning vid Center for ECO2 Vehicle Design utvecklar vi metoder för att hantera den typ av avvägningar och funktionella konflikter som beskrivs här. Mer information om vår forskning finns på www.eco2vehicledesign.kth.se.

Referenser

[1] Knobloch et al (2020). Net emission reductions from electric cars and heat pumps in 59 world regions over time, Nature Sustainability.

[2] EC (2019). Communication and roadmap on the European Green Deal, COM/2019/640 final.

[3] Le Good et al (2012). The aesthetics of low drag vehicles, SAE International Journal of Engines 4 (2).

[4] IEA (2019). World Energy Outlook 2019, IEA, Paris.

[5] Howell (2012). Aerodynamic drag reduction for low carbon vehicles, Sustainable Vehicle Technologies: Driving the Green Agenda, 145–154.

[5] Buscariolo et al (2016). Aerodynamic enablers review for automotive applications, SAE 2016-36-0203.

[6] Futrzynski (2017). Effect of drag reducing plasma actuators using LES, Doctoral thesis, KTH Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden.

[7] Winkler et al (2016). Coupling aerodynamics to vehicle dynamics in transient crosswinds including a driver model, Computers & Fluids, 138, 26–34

[8] Bouchouireb et al (2019). The inclusion of vehicle shape and aerodynamic drag estimations within the life cycle energy optimisation methodology, Procedia CIRP, 84, 902–907

[9] Koffler and Rohde-Brandenburger (2010). On the calculation of fuel savings through lightweight design in automotive life cycle assessments, The International Journal of Life Cycle Assessment, 15, 128–135.