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新能源汽车外观设计创新研究

袁博
摘 要：汽车外观设计包括车身、外饰、轮胎、轮毂等肉眼可以直接观察到的部分，是对汽车的第一直观的视觉印象，汽车设计线条、质感、层次、车身比例等方面影响甚至直接决定了消费者的购买倾向，近年来随着新能源汽车的快速普及，越来越多新的设计理念和技术被应用到其外观上，对提高汽车性能和美观都起到了重要作用。
关键词：新能源汽车 外观设计 风阻系数
Research on appearance design innovation of new energy vehicles
Yuan Bo
Abstract：Automobile appearance design includes the body， exterior decoration， tire， wheel hub and other parts that can be directly observed by eyes. It is the first intuitive visible impression of the car. Automobile design line， texture， level， body proportion and other aspects even directly determine the consumer's purchase tendency. In recent years， with the rapid popularization of new energy vehicles， more and more new design concepts and technologies have been applied to its appearance， which plays an important role in improving the performance and beauty of the car.
Key words：new energy vehicle， appearance design， drag coefficient
1 汽车外观设计的历史及现状
汽车外观设计主要包括车身外观、外饰搭配、轮胎轮毂等可以直接观察到的车辆组成部分，自1886年汽车诞生以来的100多年发展历史中其外观设计随着技术的革新、工艺的提升和审美的改变同样发生巨大的变化，最早期的汽车由于受限于当时的生产技术和工艺，外观十分简陋，只能被简单地看作是与传统马车不同的交通工具，被称为“马车型车身”，19世纪末到20世纪初全球范围内相继出现了一批汽车制造企业如美国福特公司、英国罗尔斯罗伊斯公司、法国标致公司等，汽车工业开始出现市场竞争，制造技术和工艺开始快速发展，汽车外观设计随之发生重大变化1915年福特汽车公司生产出一种新型福特T型车，外形像一个大箱子，上部装有门窗，这类汽车称为“箱型汽车”，其后又发展出两厢和三厢造型的汽车，箱型汽车的设计一直沿用至今，成为目前最为普遍采用的汽车造型，但早期的箱型汽车外形过于方正，高速行驶的空气阻力大，严重阻碍了汽车的加速，同时增加无畏的损耗，于是设计师开始降低车身高度以减少空气阻力，1934年美国克莱斯勒公司生产的气流牌汽车首先采用了流线型车身，将箱式汽车的挡风玻璃以斜线平滑过渡到引擎盖，取代了之前的垂直设计，大幅度降低了空气阻力，同时使车辆外形更具动感，深受消费者青睐。流线型车身的大量生产是从德国大众公司的甲壳虫汽车开始，该车型一经市场推出便大受欢迎，取得了巨大成功，此后的汽车外观基本沿用了其箱式流线型设计至今。除车前部外，汽车尾部设计也在发生变化，相继出现了宽大的船型车身和溜背式鱼形车身，已经应用到敞篷汽车和超级跑车等小众车型，至此，汽车的造型设计格局基本形成。
进入21世纪后，汽车产业技术水平和生产工艺的革新日新月异，出现了新能源汽车这一划时代的汽车类型，同时传统燃油车开始迈向智能化，早期的新能源汽车外形和燃油车基本一致，随着新能源汽车对加速、续航等性能的要求逐渐提高，使得其外观开始出现新的设计方向，2012年美国特斯拉公司发布的Model S纯电动轿车首次采用半封闭式的进气格栅，由于纯电动汽车没有发动机，不需要空气助燃进气格栅的取消还使车前部的过渡更加平滑，进一步减少空气阻力，同时使新能源车辆极具辨识度，这一超前设计使后来的纯电动车型竞相模仿，新能源汽车的外观设计无论是观感和科技感都给消费者耳目一新的感觉，燃油车客观上无法效仿。
目前燃油车和新能源汽车的车辆外观大体一致，但在车头、车尾、车身比例细节方面有明显区别，双方在保持各自设计特色的同时互相借鉴对方的设计长处，在未来相当长的时间内会维持设计趋同又有显著区别这一现状。
2 外观设计对新能源汽车性能的影响
汽车外观设计是一项要兼顾多方面的错综复杂的系统工程，影响因素众多，其中概括起来主要有三大要素，即机械工程学、人体工程学和空气动力学：机械工程学决定汽车的动力性、操控性、稳定性等;人体工程学可以为驾乘人员提供足够的活动空间和舒适的驾驶感受;空气动力学要求车辆外形具备良好的流线型，以此减小空气阻力，达到降低能耗和提高速度的目的。
新能源汽车由于内部构造与传统燃油车区别较大，加之目前在续航里程和电池安全方面尚待提高，在诸多方面会影响其性能表现，现阶段对外观设计要求较高。
2.1 风阻系数对加速、续航和能耗的影响
风阻系数是通过风洞实验和下滑实验所确定的一个数学参数，用它可以计算出汽车在行驶时的空气阻力，风阻系数的大小取决于汽车的外形。其表达公式为：
Fd=pv2·A·cd
其中Fd是空气阻力，p是空气密度，v是车辆的行驶速度，A是车辆的迎风面积，Cd即风阻系数，此公式中风阻系数和速度与空气阻力成正比，其他數值不变的前提下，风阻系数越大则空气阻力越大，同样条件下速度v越高则空气阻力越大。空气阻力直接影响车辆在能耗、加速方面的表现，据研究表明车速达到80km/h的时候，其中有60%的油耗都用在对抗风阻上，在时速200km/h以上时，空气阻力几乎占所有行车阻力的85%，而降低10%的风阻，就能节省7%的油耗。目前乘用车的风阻系数普遍在0.3-0.5之间，超级跑车和赛车由于性能要求较高，风阻系数一般在0.25以下，客车、货车等商用车由于车身碰撞方面的考虑风阻系数一般在0.6-0.7之间。
新能源汽车与传统燃油车在外观上相似，但由于目前动力电池技术不够成熟、充换电设施不够完善等因素制约导致其续航里程不甚理想，在目前短期内无法迅速提升技术水平和配套设施现状的情况下，相关汽车企业开始考虑从其他方面来提升续航里程，风阻系数是短期内相对有效和低成本的方法，理论上风阻系数每降低0.01，续航里程可以比原来提升15-20公里，提升效果明显，同时难度也非常大，目前各大新能源汽车都在积极研发低风阻系数的产品。
2.2 车身比例对电池安全的影响
车身比例包括车辆前后配重、轴距长度、前后悬长度等方面，可以直观地体现出车身侧面和前后的协调程度，同时对车内驾乘人员的舒适度产生直接影响，是车辆外观设计的重要组成部分，传统燃油车的车身比例主要与发动机在车辆中的布置有关，前置、中置、后置发动机会影响不同车辆的外观设计，进入到新能源汽车领域，包括混合动力汽车、纯电动汽车、增程式电动汽车和燃料电池汽车等不同类型的汽车内部结构不尽相同，但共同点是都需要空间布置动力电池，目前动力电池布置地方式有四种：底盘布置、车尾布置、车侧布置、车顶布置。部分换电池乘用车型会把动力电池布置在车辆后备箱和侧面位置，少数混合动力客车把动力电池布置在车辆顶部，但后三种布置方式都有共同的明显缺陷：一旦发生追尾、侧面碰撞和侧翻事故，动力电池极易受损，甚至出现自燃、爆炸等恶性事件，出于行驶安全和底盘稳定性方面的考虑目前绝大部分新能源汽车的动力电池都以平铺的方式布置在底盘，但同时会对车辆外观设计产生一定的影响，如何制定车辆前后配重、侧面线条、尾部结构等部分，在维持车辆整体观感的前提下保证动力电池安全和车身稳定性是目前新能源汽车外观设计面临的新挑战。
3 新能源汽车外观设计创新
新能源汽车与燃油车内部构造的显著区别决定了它在外观设计上需要从自身客观现状出发，同时兼顾车辆观感和实用性，并具有明显区别于传统燃油车的标识性。早期的新能源汽车由于技术和理念不成熟，造成其外观与燃油车基本一致，导致续航和安全等性能受到影响，甚至阻碍新能源汽车产业的发展，近年来新能源汽车企业在原有的设计基础上大胆创新，外观设计开始呈现出自身的独特性。
3.1 低风阻系数车身渐成主流
风阻系数对于车辆性能的影响显而易见，由于流线型车身需要高额的设计费用和成熟的生产工艺，同时燃油车的续航里程问题可以通过完善的加油设施来解决，只有专业赛车领域需要超低风阻系数的流线型车身设计，因此传统燃油车企业对于降低普通乘用车风阻系数的整体积极性不高，但新能源汽车一直存在续航里程焦虑问题，而且按照目前的技术革新和配套设施完善进度还需要较长时间才能彻底解决，因此相关企业一直在其他方面寻求解决方法，降低风阻系数是目前短期内最有效的途径，近年来新能源汽车企业一直在不遗余力地投入资金和技术研发低风阻系数的产品，2012年特斯拉公司发布的Model S中大型轿车一经亮相便引起业界关注，除了超强的加速和续航能力外，其车身的风阻系数达到了惊人的0.24Cd，已经超越绝大多数乘用车，迈入低风阻系数的优秀行列，甚至接近专业赛车水平，是当时全球风阻系数最低的新能源量产车型，这一设计对汽车外观和性能是立竿见影的，间接促进了销量。此后，无论是纯新能源汽车企业还是转型的燃油车企业都纷纷加入研发低风阻系数车身的阵营，采用全新平台设计车身，目前各大厂商的新能源汽车旗舰车型的风阻系数普遍在0.2-0.3之间，最低的保时捷Taycan达到了0.22Cd，此外，比亚迪汉、小鹏P7、吉利几何A为和广汽新能源Aion S的风阻系数分别为0.233Cd、0.236Cd、0.2375Cd、0.245Cd，四家中国品牌的新能源汽车风阻系数都低于0.25Cd，中国新能源汽车的车身设计处于世界先进水平。
除了车辆前方会直接受空气阻力的影响，在后方空气并未及时补充，因此会产生真空区域（伴有涡流），使车辆前后气压不同，出现气压差，形成新的空气阻力，因此新能源汽车企业不仅要对车头降低风阻系数，还要考虑车尾外观对风阻系数的影响，目前普遍流行的解决方案是车尾同样采用流线型即溜背式设计，保时捷Taycan、特斯拉Model 3、比亚迪汉、小鹏P7等车型都采用此设计，在其它车型方面，特斯拉Model X、广汽新能源Aion LX、蔚来EC6等SUV也都纷纷采用后尾部的溜背式设计，不仅可以降低风阻系数，同时流线型设计还使外观普遍平庸的SUV更具动感，但由于车内后排位置靠近车尾，溜背式设计不可避免地会挤占后排座位的上部空间，使乘坐者头部空间略显不足，这一劣势在SUV车型上体现地尤为明显，汽车企业下一步需要在外观和空间方面需求平衡点，使车辆更好地兼顾观赏性和实用性。
3.2 隐藏式和智能化外饰
汽车外饰是指除车辆除车身之外其他可观测到的部分，主要包括进气格栅、前后保险杠、后视镜、车灯、天窗、雨刮、门把手、车身裙板、外侧围、前后风挡玻璃、后排气管等部分，相对于内饰，外饰是可以直接观看到的，虽然占外观比例不高，但同样是车辆外观的重要组成部分，外饰的设计往往能影响车辆的风阻系数、整体观感和实用性，在燃油车时代外饰不如车身受设计师的重视，在某些细节上易被忽视，某些外饰部分甚至出现了车型设计趋同化，如几乎所有厂商的后视镜和侧门把手外观都基本一致，这一理念使外饰数十年间的变化不明显，设计几乎停滞不前。
进入新能源汽车时代，这种情况发生了根本性改变，新能源汽车兼具节能性和智能化，需要考虑风阻系数和内部构造的独特性来重新设计外观，车身部分可以借鉴和延续燃油车的设计路线，而外饰设计由于低成本和简易性，可以采用更加新颖和激進的设计理念，2012年特斯拉公司推出的Model S轿车首次采用了半封闭式的进气格栅，引发业界关注，2016年4月发布的Model 3更进一步，直接取消进气格栅，采用全封闭一体式前脸设计，成为全球首款完全取消进气格栅的车型，引起业界哗然，随后比亚迪、保时捷、吉利等车企开始竞相效仿这一设计，同时车尾部的排气管逐步取消、隐藏式侧门把手开始运用等车辆前后部和侧面外饰的取消和隐藏可以使车身线条更加平滑，进一步降低风阻系数，燃油车由于发动机的存在客观上无法实现这一设计。
除了隐藏式外饰，新能源汽车由于内部结构简单、电子元件众多，使其智能化水平更高，也是新能源汽车外饰的另一大发展方向，目前已经广泛应用于新能源汽车的外饰有智能化门把手即电动伸缩式门把手，可以自动感知驾驶者的到来进行伸缩，比亚迪、特斯拉、吉利、荣威、蔚来、广汽等主要汽车企业的新能源车型均采用此设计;智能化车灯可以使驾驶者自己编排车灯设置增加车辆的安全性和观赏性，目前比亚迪已经率先实现了新能源汽车的智能车灯功能。此外，流媒体后视镜、智能雨刮等外饰陆续出现，但由于现阶段技术水平和相关政策法规的限制还无法投入量产，相信不远的未来可以实现。
3.3 更易实现的理想车身比例
新能源汽车的动力电池和驱动电机普遍采用平铺在底盘的方式，使其上部车身空间充裕，几乎不受内部结构的影响，可以对车身比例进行更加科学合理的设计，如前后50：50配重是指在水平面上车辆中轴线的质心与前后轴的距离相等，即静置在平地时，汽车载荷均匀分布在四个车轮上，前轴和后轴的载荷相同，能够大大提升整车的运动属性及彎道表现，展现出绝佳的操控体验，而视觉上会更加协调。由于大多数燃油轿车和SUV都采用前置发动机和前轮驱动，很难实现50：50配重，而纯电动汽车没有发动机，多采用四轮驱动，可以较为容易地实现，目前比亚迪e系列、长城wey新能源、江淮i系列车型已经实现50：50配重，使其观感和驾乘体验进一步提升。
3.4 新材料在车辆外观的应用
燃油车车身一直以来主要采用钢、铝、铁等金属材料，新能源汽车的出现使材料的运用更加多元化，如企业为了车辆的续航里程在车身上使用更多的全铝合金、碳纤维等轻质材料，辅助电子元件的大量使用促使太阳能板开始应用到车辆顶部帮助获取电量，这些新材料的应用会部分改变车辆的外观，一方面使新能源汽车外形更具科技感，更重要的是解决新能源汽车存在的实际问题。
4 结语
新能源汽车在外观设计方面的创新为汽车长久以来相关固定的外形增添多样性和实用功能，逐步在转变消费者对汽车外观固有的刻板印象，就如同产品本身一样，为汽车市场带来新的活力和增长点，进一步推动汽车产业的整体发展。
2020年度河南省社会科学院基本科研费项目——河南战略性新兴产业融合发展研究（20E37）
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