有点长,没时间的可以直接拉到最后看结论。 我并不认同有些人无脑黑蔚来,不过电动/燃油高性能车的比较,的确是一件很有意思的事情,尤其是在两款车的特性截然不同的情况下。
仿真平台
简单来说这个回答是通过一个简化的汽车动力学仿真来实现的。
汽车动力学仿真是一个非常非常非常复杂的过程,有至少成百上千个参数需要设定,我并不可能打 开一个专业的动力学仿真软件来对这个问题进行赛道模拟和回答,因为这要花数个星期,我也没有 足够的数据。
但幸运的是,有一个叫OptimumG的做专业汽车动力学仿真软件的公司,推出了一个 免费的子程序OptimumLap,这个软件只针对对车子最重要的十几个参数进行仿真,所以很适合定 性地研究这个问题。其实这个程序就是给本科生玩的。
因为很多参数被忽略了,比如车辆的三维重心位置,悬架几何,复杂的轮胎动力学模型,这个仿真一定会 带来一些误差,官方说误差一般在5%以内。Grand Tour中Senna和EP9的圈速差距是2秒,只有 3%的差距。所以,最后仿真结果的差别有可能是这些误差造成的。所以,重点不在仿真的结果,重点在看看能输出什么有意思的数据。
车辆参数设定
• 整车基本参数
因为两者圈速差别如此地小,对整车参数进行精确设定就更加有必要了。首先是一些肯定对的参 数,这些参数均取自维基百科,或者麦克拉伦、蔚来自己官网上公布的数据。
McLaren Senna - Wikipedia NIO EP9 - Wikipedia 迎风面积用车宽和车高直接相乘得到。静止加速数据是官方公布的,有一些车评机构自行进行了测 试,与官方公布的区别不大。
这里可以看到,EP9的马力质量比更大,还是四轮独立驱动,照理说 直线加速的成绩应该远比Senna快,但其实并不是。有可能因为EP9的单级减速导致了初段轮上 扭矩并不大,所以0-100没有显著优势。这一点后面也会提到,很重要。
问题在于其他重要参数怎么设定,包括:发动机/电动机map、空气动力学相关参数、轮胎相关参数 这三大类。这三大类参数直接决定了最后的仿真结果。
• 发动机/电动机MAP
Senna:588 kW @ 7250 rpm,800 N·m @ 5500-6700 rpm,红线转速8500 rpm,七速序列式 变速箱。
那么,5500 rpm以下和7250 rpm以上的扭矩特性是怎么样的。好在,5000 rpm以下用到的情况 应该很少(改这些数值对圈速差距在百分之一秒量级),7250-8500 rpm让发动机功率缓慢下降就 可以了,所以,Senna的发动机参数被设成了
变速箱齿比凭感觉设的,就不说了。
EP9:四个完全相同的电机,总峰值功率 1000 kW,0-7500 rpm恒定输出1480 N·m扭矩,此时轮 上扭矩有6334 N·m,单速减速箱,齿比4.283。这里很有意思的一点是,如果7500 rpm能输出 1480 N·m,那么那个点的峰值功率有1162 kW,有可能官网哪里错了,但是影响不大:
• 轮胎参数
轮胎动力学是一个极其复杂的东西,知乎大概没几个人真的搞得清(其实我也没有搞得很清),但 好在,这个软件只需要输入轮胎半径、滚动阻力(设为0)、纵横向附着系数就行了。
轮胎半径其实影响不是很大,因为Senna的变速箱齿比是我自己调的,改齿比等于改轮胎半径, EP9宽广的恒功率输出也让轮胎半径影响不是很大。 Senna轮胎为Pirelli P Zero Trofeo R,前 245/35/R19,后 315/30R20,轮胎半径取0.349 m。
轮胎半径取0.37 m。轮胎附着系数就比较尴尬了。因为这种信息网上根本查不到。通过前面列出的百公里加速数据,其 实可以反推轮胎附着系数,但是OptimumG这个低配版的软件根本没法跑静止直线加速,因为最开 始一段瞬态过程被完全无视了。
所以,这个只能猜。而且这个软件只要求输入轮胎半径不要求输入 轮胎宽度,所以这方面的信息也被忽视了。所以姑且先都取1.4。EP9轮胎更快,而且是赛道胎,所 以EP9的抓地力应该更好。
• 空气动力学
空气动力学就四个参数,阻力系数 ,升力系数 ,迎风面积和空气密度。主要是前面两个 怎么办。
先来看阻力系数,因为0-300 kph加速时间是已知的,并且软件初段加速的误差影响不大,所以通 过调节阻力系数,来使得0-300加速成绩满足公开的信息(Senna 17.5秒,EP9 15.9秒),得到 Senna阻力系数0.35,EP9 阻力系数0.8。
差距很大,但是这个有合理的解释,先往下看。 升力系数的话,两辆车都有官方的下压力数据公布,EP9 在240 kph时有24 kN下压力。Senna在 155 mph是有800 kg下压力。
经过计算,得到Senna升力系数1.01,EP9升力系数3.33。对照阻力 系数的数据,Senna升阻比为2.89,EP9升阻比为4.16,都挺合理的。EP9的气动其实蛮吓人的。但 是根据经验,这个计算得到的EP9的升力系数可能偏大了。
赛道建模
在进行仿真前,先要输入赛道。我的做法是从Google Map上面截了一张图,获得比例尺,然后在 Photoshop里和官方给的图重叠,得到下面这张图,右下角是200 ft比例尺。
然后把这张图扔到CATIA(某CAD软件)里,按照赛道描出来,最后把参数输进OptimumLap里, 就好了,赛道总长2.6 km。这条赛道和实际形状会有点出入,因为我是按照行车线画的,而不是赛道的中心线,所以有些地方可能不准。
仿真结果
终于最重要的要来了! Senna 73.98秒,和实际结果差不多。EP9 67.44秒,比GT成绩快了8秒,比Senna快了6秒。蔚来黑子!明明EP9快!这个结果要分析一下。
分析的过程其实比这个数值本身更有意义。首先,我怀疑是 不是因为EP9是四驱的,这个简化的汽车动力学模型计算四驱我觉得不靠谱。所以我把EP9改成了两 驱,EP9的成绩降到68.13秒。下面这张图四驱版和两驱版EP9的速度-行车距离图。
也就是说,这每 个x轴上的点对应着一个赛道位置。可以看到,四驱版EP9加速更快,过弯速度也有优势。但说实 话,加速没有我想象当中得快。 接下来仅仅比较两驱版EP9和Senna比较合适。
同样是这张图,差别就很明显了。图3是横向加速度 曲线(代表了过弯的极限)。这就很明显了,EP9尽管车子重,但只比Senna重26%,但是下压 力可是Senna的三倍!所以,过弯有显著优势。EP9的马力质量比也比Senna高。
1200 m点的重刹弯是You Name Here,2100 m的地方是老太婆弯。可以看 到,Senna基本上是全功率输出。而EP9有很多时候,用不了全功率。简单来说这赛道车速太 慢了不适合EP9。
那说了半天,仿真结果告诉我们EP9快,但为什么其实Senna快呢?难道蔚来骗我们,虚报数据了 吗?我觉得实际原因还是因为这个仿真软件不能真实反映车子的特性。
Senna没什么问题,结果很准。但是,EP9是四轮独立驱动,每个轮子有250 kW的电机,加起来1 MW,但是,仿真软件处理 的时候,是当做总共有1 MW,然后可以任意分配给四个轮子来计算的。
举一个例子,在所有图上 200 m的地方,对应了下图箭头所示的位置。发车以后,经过了200 m的加速,两辆车都开到了 150-200 kph的速度。Senna因为气动套件没有EP9夸张,所以被迫减速。这个时候EP9因为下压力 巨大,所以仍然可以继续加速。问题在于,EP9用到了2.5G的横向加速度,这个时候已经接 近四轮的抓地极限。
因为横向重量转移,外侧轮胎的负荷比内侧轮胎大。那么对应地,外侧轮胎提 供的牵引力应该也比内侧轮胎大。可是,两个外侧轮胎最大只能提供各250 kW的驱动力,而内侧轮 胎不能提供250 kW的驱动力,所以其实用不到 1 MW,很可能只有五六百。
但反观Senna,因为 有限滑差速器,动力可以完美分配到内外侧轮胎,外侧轮胎扭矩大,内侧轮胎扭矩小,整个后轴可 以完全地提供最大功率。所以OptimumLap的简化仿真,是按照传统燃油车的布局设计的,更能真实反映Senna的成绩,而高估了EP9的成绩。
为什么我猜测是这个原因,因为仿真软件没有要求我告诉它这车子是四轮独立驱动的。所以说,尽 管EP9峰值功率有1 MW,并且是四轮驱动,但是并不是任何时候都能完整地用到这1 MW的。 那么现在我就有了一个想法,EP9不太适合这条赛道,那怎么样让他适合呢?
我做了三件事情,一 是把功率直接减半,变成500 kW,二是把四驱改为后驱,所以假设这500 kW动力直接驱动后轮, 用差速器把动力分配给两个车轮。三是把单级减速箱改成了两档的变速箱(齿比分别为1.9和1), 那再来跑仿真,会怎么样呢?这车我叫他EP4.5。注意,即使功率减半,我车重还是1.7吨,没有调 过。下面是所有成绩的汇总。
根据我对于OptimumLap软件的理解,我把车子设定成后驱+差速器的设计,仿真的成绩应该会比 较接近真实成绩。也就是说,哪怕功率减半,只要500 kW能一直输出,那借助EP9的气动优势,它还是可以在Eboladrome比Senna快。下面这张图就很明显表现出来了这一点。
EP4.5尽 管功率低,车子重,加速比Senna慢,但是过弯性能太强了,弥补了功率的不足。所以,实际EP9 的成绩不好可能也是空气动力学套件并没有那么强的原因造成的。
写在最后
• 如果只看功率、车重、空气动力学,假设轮胎一样。EP9肯定比Senna快。
• 回去看最开始百公里加速的成绩,会发现两车几乎没差。这很令我诧异。
因为四轮驱动的电动车 最大的优势就是静止加速。EP9的四轮独立驱动导致了这车子不能用变速箱,所以在电机7500 rpm之前,都不能输出最大1 MW功率,根据NIO提供的齿比,7500 rpm = 244 kph,也就是 说,低速弯EP9的动力没有优势。
也就是说,EP9不适合Eboladrome。
电动赛车还是需要 变速箱的。换了低齿比的变速箱,即使限制了功率,EP4.5也没有显著变慢,这说明了 Eboladrome对于功率的需求真的很低。
• 四轮独立驱动是一种很优雅的设计,但是很可惜,这要求了冗余动力更大,在Eboladrome这种 赛道上,要么都是超低速弯,要么都是高速弯。对于低速弯,EP9的1 MW动力一点用都没。 对于高速弯,由于每个轮胎负荷不同,四轮独立驱动系统中,对应的驱动电机的动力可能 不能发挥出来。这种时候可能前后双电机+电子差速器的结构更加合理。
• 我原本以为,尽管EP9气动下压力巨大,但不能抹平车重的劣势,但实际上,EP9的下压力还是 非常有用的。并且,很有可能EP9的轮胎抓地力比Senna更好,因为EP9直接用的是比赛胎,两 车的后轮尺寸差不多。但是因为EP9是四轮驱动,前轮也很宽,所以EP9的过弯极限还是很高的。 有评论说,可能EP9的实际气动性能没有我仿真设得那么高,或者EP9更难推到极限,这也 是有可能的。
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