摘要：電動(dòng)汽車的外形設(shè)計(jì)對(duì)其續(xù)駛里程和熱管理性能影響重大，它需要同時(shí)考慮低風(fēng)阻和良好的降溫散熱性能。傳統(tǒng)的外形優(yōu)化設(shè)計(jì)都是將這兩個(gè)方面分開處理，導(dǎo)致設(shè)計(jì)目標(biāo)之間存在矛盾和沖突。針對(duì)上述問題，提出了電動(dòng)汽車外形低風(fēng)阻及降溫散熱一體化設(shè)計(jì)的優(yōu)化路徑，探究了多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)框架，并應(yīng)用于基于機(jī)器學(xué)習(xí)的外形優(yōu)化技術(shù)。該優(yōu)化路徑有助于在電動(dòng)汽車外形設(shè)計(jì)初期階段權(quán)衡性能指標(biāo)，獲得整體最優(yōu)解，為提高電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)性和可靠性奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車外形；低風(fēng)阻設(shè)計(jì)；散熱優(yōu)化；優(yōu)化路徑

中圖分類號(hào)：U469" " " "收稿日期：2025-01-17" " " "DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.04.021

Exploration of the Optimization Path of the Low Wind Resistance and Integrated Cooling and Heat Dissipation Design of Electric Vehicles

Liu Wentao" Xia Zhengting

Lanzhou Institute of Information Technology，Lanzhou 730000，China

Abstract：The exterior design of electric vehicles has a significant impact on their driving range and thermal management performance， and it is necessary to consider both low wind resistance and good cooling and heat dissipation performance. Traditional shape optimization design often treats these two aspects separately， resulting in contradictions and conflicts between design goals. In view the problems，the optimization path is proposed about low wind resistance and integrated cooling and heat dissipation design of electric vehicles. It explores a multidisciplinary optimization design framework and applies machine learning based shape optimization techniques. This optimization path helps to balance performance indicators in the early stages of electric vehicle shape design， obtain the overall optimal solution， and lay the foundation for improving the economy and reliability of electric vehicles.

Key words：Electric vehicle appearance;Low wind resistance design;Heat dissipation optimization;Optimized path

1 前言

電動(dòng)汽車作為新能源汽車的代表，因其零排放、低噪音等優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注。然而，電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程和熱管理性能制約了其大規(guī)模應(yīng)用和推廣。在車身外形優(yōu)化設(shè)計(jì)中，減小風(fēng)阻系數(shù)可有效降低車輛行駛的阻力，延長(zhǎng)續(xù)駛里程；優(yōu)化車身散熱系統(tǒng)布局則有利于電池包等動(dòng)力裝置的溫度控制，提高駕駛安全性。傳統(tǒng)的外形設(shè)計(jì)通常將低風(fēng)阻和散熱優(yōu)化分開考慮，但這兩個(gè)目標(biāo)實(shí)際上是相互制約的，風(fēng)阻減小可能會(huì)影響散熱性能，散熱優(yōu)化也可能增大車身風(fēng)阻[1]。因此，行業(yè)亟須一種系統(tǒng)的優(yōu)化路徑來協(xié)調(diào)解決這一矛盾。

2 電動(dòng)汽車外形設(shè)計(jì)的重要性

電動(dòng)汽車的外形設(shè)計(jì)是其市場(chǎng)吸引力的重要組成部分。消費(fèi)者在選擇電動(dòng)汽車時(shí)，外觀往往是其最初考慮的因素之一[2]。一個(gè)具有吸引力的設(shè)計(jì)不僅可以提升車輛的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，還能夠在消費(fèi)者心中留下深刻的第一印象，從而增加購(gòu)買意愿。電動(dòng)汽車外形設(shè)計(jì)的現(xiàn)代感、流線型以及獨(dú)特性，可以有效地傳達(dá)出新能源汽車的先進(jìn)性和環(huán)保理念，如采用平滑的車體線條不僅降低風(fēng)阻，增加行駛里程，還能傳遞速度與未來感的視覺效果。與傳統(tǒng)燃油車相比，電動(dòng)汽車在設(shè)計(jì)上可以更加靈活多變，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)和電池的布局為研究人員提供了更多的創(chuàng)造空間，使得他們能夠打破傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)約束，創(chuàng)造出更具創(chuàng)新性和差異化的產(chǎn)品[3]。

良好的設(shè)計(jì)不僅是美學(xué)的體現(xiàn)，更是技術(shù)創(chuàng)新和品牌理念的傳遞。外觀設(shè)計(jì)能夠體現(xiàn)出一家車企的技術(shù)實(shí)力和設(shè)計(jì)理念，對(duì)于塑造品牌形象、提升品牌價(jià)值具有重要意義，車企通過獨(dú)特的前臉設(shè)計(jì)、LED燈光配置以及車身比例的優(yōu)化，可以使品牌在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出，建立起獨(dú)特的品牌識(shí)別度。電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)還需要考慮到實(shí)用性與用戶體驗(yàn)，如充電便利性、內(nèi)部空間的合理布局以及智能化配置等，這些都是通過外形設(shè)計(jì)直接或間接表達(dá)的。良好的外形設(shè)計(jì)能夠提升用戶的使用體驗(yàn)，增強(qiáng)用戶對(duì)電動(dòng)汽車技術(shù)的信心，從而促進(jìn)電動(dòng)汽車技術(shù)的普及和接受度[4]。

3 電動(dòng)汽車外形低風(fēng)阻及降溫散熱一體化設(shè)計(jì)面臨的問題

電動(dòng)汽車外形優(yōu)化設(shè)計(jì)需要降低風(fēng)阻系數(shù)以延長(zhǎng)續(xù)駛里程，還需要優(yōu)化降溫散熱性能以確保動(dòng)力總成的工作可靠性。然而，風(fēng)阻降低和散熱優(yōu)化這兩個(gè)目標(biāo)在具體設(shè)計(jì)中存在一定的矛盾和沖突，如何在有限的設(shè)計(jì)空間內(nèi)平衡和協(xié)調(diào)這些相互制約的優(yōu)化目標(biāo)，成為亟待解決的關(guān)鍵問題[5]。

3.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)之間的沖突

從美觀性與功能性的角度來看，電動(dòng)汽車研究人員在追求流暢低風(fēng)阻的車身外形時(shí)，需要設(shè)計(jì)更加平滑和緊湊的車體線條，這樣的設(shè)計(jì)可以有效減少空氣阻力，提高車輛的能源利用率和行駛距離。然而，這種設(shè)計(jì)會(huì)限制車輛內(nèi)部空間的布局，特別是對(duì)電池組和散熱系統(tǒng)的安置造成了一定的制約。例如，為了實(shí)現(xiàn)低風(fēng)阻，車輛的前端設(shè)計(jì)可能會(huì)變得更加低矮和封閉，這限制了散熱系統(tǒng)（如散熱器和風(fēng)扇）的大小和效率，因?yàn)檫@些組件需要足夠的空間來進(jìn)行有效的熱交換。電動(dòng)汽車的散熱需求不僅局限于保持電池組的適宜溫度，還需要考慮到電控系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的散熱，這就要求設(shè)計(jì)中必須有足夠的通風(fēng)口和散熱路徑，而這與追求車體的流暢性往往是相悖的。因此，在外形設(shè)計(jì)中，如何在美觀與內(nèi)部布局的功能性之間找到合理的平衡點(diǎn)，是研究人員面臨的一大挑戰(zhàn)。

提高能效與保證系統(tǒng)性能穩(wěn)定性之間的沖突也是電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)中的一個(gè)核心問題。電動(dòng)汽車的能效很大程度上取決于其車身的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，低風(fēng)阻可以顯著減少能量消耗，從而增加單次充電的行駛里程，而電動(dòng)汽車的電池和其他電子組件在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，如果不通過有效的散熱措施進(jìn)行處理，過高的溫度將會(huì)影響電池的性能和壽命，甚至可能導(dǎo)致安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)高效的散熱系統(tǒng)是至關(guān)重要的。然而，高效的散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般需要更多的空間和復(fù)雜的通風(fēng)結(jié)構(gòu)，這可能與追求整車緊湊和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔的低風(fēng)阻目標(biāo)相沖突。因此，研究人員需要在確保電動(dòng)汽車高效運(yùn)行和長(zhǎng)期穩(wěn)定性的前提下，探索創(chuàng)新的散熱技術(shù)，同時(shí)保持車輛設(shè)計(jì)的美觀和實(shí)用性。

3.2 一體化設(shè)計(jì)難度較大

電動(dòng)汽車在追求外形低風(fēng)阻及降溫散熱一體化設(shè)計(jì)時(shí)，面臨的一體化設(shè)計(jì)難度較大主要體現(xiàn)在多功能復(fù)合設(shè)計(jì)要求高和技術(shù)整合復(fù)雜性兩個(gè)方面。

a.多功能復(fù)合設(shè)計(jì)要求高的問題在于電動(dòng)汽車不僅需要滿足基本的行駛功能，還需兼顧能效、安全、舒適性等多方面的性能。低風(fēng)阻設(shè)計(jì)要求車身線條必須流暢，以減少空氣阻力，這意味著需要對(duì)車輛的前臉、車頂曲線以及后尾部設(shè)計(jì)進(jìn)行精細(xì)的調(diào)整。同時(shí)，為了有效散熱，研究人員必須設(shè)計(jì)合理的空氣流通路徑，包括進(jìn)氣口和出氣口的位置及大小必須考慮到內(nèi)部電池和電子設(shè)備的散熱需求。對(duì)低風(fēng)阻與高效散熱的雙重要求，使得研究人員必須在保持車輛美觀與實(shí)用性的同時(shí)，進(jìn)行復(fù)雜的空氣動(dòng)力學(xué)模擬和熱流動(dòng)分析，確保各項(xiàng)性能的最優(yōu)化。電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)還需考慮到電池安置的空間與保護(hù)，電池作為電動(dòng)汽車的核心部件，其安全性直接關(guān)系到車輛的可靠性和用戶的安全，因此在追求低風(fēng)阻的同時(shí)，還需確保電池的固定和防護(hù)措施不受影響，這就大大增加了設(shè)計(jì)的難度和復(fù)雜性。

b.技術(shù)整合的復(fù)雜性也是一體化設(shè)計(jì)面臨的重大挑戰(zhàn)。電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)不僅是單一學(xué)科的應(yīng)用，而且是涉及汽車工程、電子工程、熱力學(xué)、材料科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的綜合體現(xiàn)。在低風(fēng)阻與散熱一體化設(shè)計(jì)過程中，需要將這些不同領(lǐng)域的技術(shù)有效地整合到一個(gè)統(tǒng)一的車輛設(shè)計(jì)中。例如，電動(dòng)汽車的電機(jī)和控制系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量需要通過散熱系統(tǒng)有效排出，這不僅涉及熱交換器的設(shè)計(jì)，還要考慮到其與車體造型的協(xié)調(diào)，以及如何通過車身設(shè)計(jì)自然引導(dǎo)空氣流動(dòng)達(dá)到冷卻效果。現(xiàn)代電動(dòng)汽車越來越多地采用智能化技術(shù)，如自動(dòng)駕駛輔助系統(tǒng)、車聯(lián)網(wǎng)功能等，這些技術(shù)的集成也需要在車輛設(shè)計(jì)初期就進(jìn)行考慮，以便確保所有系統(tǒng)的協(xié)同工作不會(huì)因設(shè)計(jì)調(diào)整而受到影響?？鐚W(xué)科的技術(shù)整合，不僅對(duì)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的專業(yè)能力提出了更高要求，也使得設(shè)計(jì)過程更加復(fù)雜和艱巨。

4 電動(dòng)汽車外形低風(fēng)阻和散熱一體化設(shè)計(jì)優(yōu)化路徑

針對(duì)電動(dòng)汽車外形低風(fēng)阻及降溫散熱一體化設(shè)計(jì)所面臨的目標(biāo)矛盾、一體化設(shè)計(jì)難度較大等諸多挑戰(zhàn)，研究人員需探索一種高效的、系統(tǒng)的優(yōu)化路徑，在有限的設(shè)計(jì)空間內(nèi)平衡和協(xié)調(diào)風(fēng)阻降低與散熱優(yōu)化這兩個(gè)相互制約的目標(biāo)。同時(shí)，該優(yōu)化路徑還應(yīng)具備高度的自動(dòng)化水平和廣泛的適用性，以適應(yīng)現(xiàn)代虛擬化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需求，縮短開發(fā)周期，降低設(shè)計(jì)成本。優(yōu)化路徑如表1所示。近年來，隨著計(jì)算技術(shù)和人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，基于參數(shù)化建模的多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化框架和機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的外形優(yōu)化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，為解決電動(dòng)汽車一體化設(shè)計(jì)優(yōu)化問題提供了有力的技術(shù)支撐。

4.1 構(gòu)建基于參數(shù)化建模的多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化框架

在電動(dòng)汽車外形設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)低風(fēng)阻和散熱性能的一體化是提升整車能效與散熱能力的重要目標(biāo)，研究人員可以構(gòu)建基于參數(shù)化建模的多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化框架，在空氣動(dòng)力學(xué)、熱管理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等多領(lǐng)域間協(xié)調(diào)優(yōu)化，平衡不同設(shè)計(jì)目標(biāo)之間的矛盾，確保整體性能的提升。

基于參數(shù)化建模，首先對(duì)汽車外形、進(jìn)氣口、散熱器布局等關(guān)鍵幾何特征進(jìn)行參數(shù)化處理，生成可調(diào)控的設(shè)計(jì)變量集合。參數(shù)化模型通過CAD軟件（如CATIA、SolidWorks）建立，核心設(shè)計(jì)變量包括車身曲線、進(jìn)氣口大小及位置、散熱器傾角等。隨后，基于參數(shù)化模型，構(gòu)建空氣動(dòng)力學(xué)（CFD）、熱管理（如冷卻系統(tǒng)性能仿真）和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如強(qiáng)度和重量?jī)?yōu)化）三大領(lǐng)域的多學(xué)科仿真模型，并通過采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口（例如基于Python或MATLAB的腳本），實(shí)現(xiàn)不同學(xué)科模型的耦合與數(shù)據(jù)交互，確保各學(xué)科間的優(yōu)化目標(biāo)與約束條件相互協(xié)同。

4.2 應(yīng)用基于機(jī)器學(xué)習(xí)的外形優(yōu)化技術(shù)

在電動(dòng)汽車外形低風(fēng)阻與散熱一體化設(shè)計(jì)中，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的外形優(yōu)化技術(shù)能夠顯著提升優(yōu)化效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，引入機(jī)器學(xué)習(xí)模型對(duì)復(fù)雜的非線性關(guān)系進(jìn)行建模和預(yù)測(cè)，可以在降低計(jì)算成本的同時(shí)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化過程的自動(dòng)化和智能化。

在完成參數(shù)化建模后，設(shè)計(jì)優(yōu)化進(jìn)入基于機(jī)器學(xué)習(xí)的搜索與迭代階段。將機(jī)器學(xué)習(xí)代理模型與多目標(biāo)優(yōu)化算法（如遺傳算法NSGA-II或粒子群優(yōu)化PSO）相結(jié)合，能夠在降低風(fēng)阻和提升散熱性能之間進(jìn)行快速權(quán)衡。通過優(yōu)化算法生成初始設(shè)計(jì)變量組合，然后利用代理模型快速預(yù)測(cè)每組設(shè)計(jì)的風(fēng)阻系數(shù)、散熱效率等性能指標(biāo)，接著將這些預(yù)測(cè)結(jié)果反饋至優(yōu)化算法中，更新設(shè)計(jì)變量并生成新的設(shè)計(jì)方案，如此循環(huán)迭代，直至滿足優(yōu)化目標(biāo)或設(shè)計(jì)變量收斂于全局最優(yōu)解。基于機(jī)器學(xué)習(xí)的外形優(yōu)化技術(shù)還支持結(jié)合強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法，通過動(dòng)態(tài)調(diào)整優(yōu)化策略或探索全新設(shè)計(jì)空間，提高優(yōu)化方案的創(chuàng)新性和全局性，最終，優(yōu)化結(jié)果可通過高精度仿真或物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，確保設(shè)計(jì)方案的可行性。

通過構(gòu)建基于參數(shù)化建模的多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化框架，并應(yīng)用基于機(jī)器學(xué)習(xí)的外形優(yōu)化技術(shù)，電動(dòng)汽車外形低風(fēng)阻與散熱性能的協(xié)同優(yōu)化可以在復(fù)雜的多目標(biāo)場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)快速收斂。這種技術(shù)路徑顯著減少了仿真計(jì)算的時(shí)間成本，還為設(shè)計(jì)人員提供了更多創(chuàng)新可能性，推動(dòng)外形設(shè)計(jì)的精細(xì)化和智能化發(fā)展。

5 結(jié)語

電動(dòng)汽車外形設(shè)計(jì)面臨低風(fēng)阻和良好散熱這兩個(gè)相互制約的目標(biāo)，傳統(tǒng)的分離設(shè)計(jì)方式難以平衡這一矛盾?；趨?shù)化建模的多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化框架和機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的外形優(yōu)化技術(shù)為解決這一問題提供了有力途徑。研究人員可通過參數(shù)化建模定義關(guān)鍵幾何特征，構(gòu)建空氣動(dòng)力學(xué)、熱管理和結(jié)構(gòu)分析仿真模型，并借助優(yōu)化算法和機(jī)器學(xué)習(xí)代理模型在設(shè)計(jì)空間中高效搜索和迭代，實(shí)現(xiàn)低風(fēng)阻與良好散熱性能的有機(jī)統(tǒng)一，獲得整體最優(yōu)解。未來，電動(dòng)汽車外形優(yōu)化設(shè)計(jì)將融合更多先進(jìn)計(jì)算技術(shù)，為構(gòu)建高效節(jié)能、安全可靠的新能源交通系統(tǒng)貢獻(xiàn)力量。

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作者簡(jiǎn)介：

劉文濤，男，1993年生，講師，研究方向?yàn)槠嚪?wù)工程。