一、工程问题界定与分析方法
车底抽吸式主动气动系统的核心任务，是通过受控气流改变车辆表面压力分布，以获得符合操稳目标的气动载荷。与被动气动构件相比，电动涵道风扇提供了独立的能量输入；其收益与代价需在气动系统、电驱系统及整车运行工况之间共同核算。本文关注的工程问题是：在给定安装空间和电功率预算下，风扇与车底流道应如何匹配，才能维持目标压力分布，并控制工况变化带来的性能偏移。
分析采用三层证据结构：第一层为专利直接披露的构型与控制接口；第二层为压力积分、风扇特性及能量平衡等通用方法；第三层为本文明示参数的假设算例。专利图号及权利要求编号用于技术要素定位，通用模型用于建立评价关系，算例仅说明量级与敏感性。本文未使用 Tesla 或云途在该车用构型上的实测数据。
二、专利构型：抽吸入口、扩散通道与风扇阵列
US 12,746,987 B1 的申请人为 Tesla, Inc.，正式申请日为 2024 年 1 月 17 日，临时申请优先权日为 2023 年 1 月 17 日。文件围绕车底入口、车尾出口及其间的扩散通道组织电动风扇系统，并描述高压电池及车辆控制系统的连接方式。其公开技术要素可按表 1 索引至原文 ［1］。
| 原文定位 | 公开技术要素 | 本文关注的工程意义 |
|---|---|---|
| 权利要求 1；图 1、图 2 | 车底入口、较大截面的车尾出口、风扇及位于相邻风扇之间的出口导流片。 | 同时考察入口抽吸、扩压过程及出口流场，不能仅依据风扇数量评价整车效果。 |
| 权利要求 2、3；图 1 | 附加扩散器可采用车底后部倾斜板。 | 主动抽吸与被动扩散结构之间可能存在耦合，需分别比较风扇启停状态。 |
| 权利要求 4、13 | 流路由入口向出口总体向上延伸。 | 出口方向影响尾部压力与动量交换，应在整车受力计算中保留。 |
| 权利要求 10—14；图 3B | 主入口后方的侧入口；部分实施方式具有通向不同风扇的流路。 | 进气来源、回流倾向及各通道分配影响有效抽吸区域。 |
| 权利要求 5—9、15；图 4 | 高压电池与控制系统连接；可依据用户输入或检测条件启用。 | 需评估功率分配与载荷建立过程；公开文件未提供闭环控制性能数据。 |
说明书第 3 栏对图 3B 的解释尤其值得关注：侧入口用于减少主入口从车尾方向吸入空气的倾向。由此可见，风扇处理的总流量与能够作用于目标车底区域的流量并非同一评价量。说明书还描述无附加贴地裙边的实施方式，以及通过较高出口影响车身上部压力的构型。上述内容说明需要分析完整流场，不能将车辆简化为一个具有均匀负压的封闭箱体 ［1］。
三、下压力形成机制与压力载荷模型
3.1 以风扇启停差值界定载荷增量
为了区分风扇作用与原有被动气动作用，比较基准应保持车速、离地间隙及车辆姿态一致。定义局部压力降低量 Δp(x,y) = p_off(x,y) − p_on(x,y)，其中 off 与 on 分别表示风扇关闭和开启。对于近似水平的车底受压区域，压力降低对应向下的载荷增量，可采用式（1）作初步估算。压力载荷由表面压力积分获得的基本方法见 NASA 气动力说明 ［3］。
式（1）包含两个彼此独立的设计变量：压力降低幅度与受压区域范围。提高局部抽吸强度，若同时使低压区收缩，并不必然提高压力积分。因而压力测点应覆盖主入口前方、侧入口附近及后部区域，避免以单点最低压力代替整车载荷。对于图示向上延伸的出口，还需计入尾部外表面压力变化及安装系统的受力贡献。
3.2 低速能力、车速耦合与载荷分布
在气动系数与姿态近似不变时，被动构件的载荷随动压 ρV²/2 变化；主动风扇则可在低车速时继续驱动气流。然而，“低速仍可建立载荷”并不等于“载荷对车速、离地间隙和姿态完全不敏感”。来流、底部通流和尾迹条件会改变系统工作点，风扇启停也可能移动压力中心。除总下压力外，前后轴载荷增量与俯仰力矩同样需要纳入评价 ［3］。
四、风扇工作点、并联阵列与输入功率
4.1 压升—流量匹配
风扇标称转速、自由进气流量或航空静推力，均不能单独确定安装后的气动能力。实际工作点由风扇特性与系统需求共同确定，式（2）仅表达匹配条件。系统需求函数除流量外，还依赖离地间隙 h、车速 V、入口与出口边界，以及已给定的通道几何。DOE/AMCA 风扇系统手册提供了特性曲线、系统曲线及安装影响的通用分析方法 ［2］。
图 2 在固定转速的假设风扇曲线上，将系统等效阻抗由 A 降至 B，工作点转向较高流量与较低压升。该示例说明：增加通流量可能伴随压升下降，不能以风量增加直接推断下压力增加。真实车底系统受三维进气与外部来流影响，系统曲线也未必遵循单一二次关系；应以安装测量或经验证的流场计算确定。
4.2 多风扇布置与局部工况
专利图 2 展示四个并排风扇，但说明书允许其他数量，并描述部分入口与不同风扇组连接的实施方式。在共用压力边界、进气均匀且忽略相互干扰的理想并联近似下，可以采用式（3）。并联主要增加给定压升下的总流量能力，压升不能按风扇数量相加。若通道分隔、入口畸变或尾部相互作用显著，各单元需分别计算工作点 ［1］、［2］。
4.3 气流功率与电驱效率链
在低马赫数、密度变化可忽略且近似定常的条件下，风扇对气流做功的功率可由流量与总压升的乘积估算。换算至电输入端时，需要依次计入风扇、电机和逆变器效率。效率定义必须与所使用的总压或静压口径一致，不能将不同口径的效率混用 ［2］。
工程选型应同时获取压升—流量—转速图谱及效率图谱，并在安装边界下复核。航空 EDF 的静推力反映其特定试验边界下的轴向受力；车底主动气动则首先要求目标压力分布与流量供给。二者共享风扇与电驱设计方法，但指标之间不存在可直接套用的比例换算。
五、离地间隙与边界漏流的敏感性
对于缺少理想密封边界的车底低压区，压力水平与周边补气通路有关。为揭示几何敏感性，可将某一短漏隙等效为孔口，采用式（5）估算由外界压力差驱动的漏流。该模型是本文的简化推导，未描述专利中的三维车底通流；真实通道中的摩擦、入口收缩及非均匀间隙需由测量修正。
| 等效间隙 h | 开口面积 Lh | 估算漏流 Q_leak | 相对 10 mm 工况 |
|---|---|---|---|
| 10 mm | 0.060 m² | 1.93 m³/s | 基准 |
| 15 mm | 0.090 m² | 2.89 m³/s | +50% |
| 20 mm | 0.120 m² | 3.86 m³/s | +100% |
表 2 取 L = 6 m、C_d = 0.65、ρ = 1.225 kg/m³、压差 = 1500 Pa，均为示例输入。结论是：在要求压差维持不变时，开口增大会提高补气需求；它没有证明实际风扇能维持该压差。若风扇转速固定，工作点与压力分布将随通路改变而重新建立。因此，离地间隙、悬架压缩、俯仰与横滚应作为系统输入，而不宜仅作为安装尺寸记录。
六、假设算例：载荷收益与整车能量代价
6.1 参数、计算与适用范围
为使评价关系可复核，以下设定一组低马赫数、近似定常的示例参数。平均车底压力降低量与风扇总压升分别输入，不通过专利图形反推尺寸，也不依据某款航空产品推定车用能力。各参数只是构成计算工况，不能证明存在满足该工况的实际硬件。
2 m² 有效受压区域的载荷与电功率核算
场景设定：假定车底压力降低近似均匀，上部表面压力变化可忽略。设风扇总压升比平均车底压力降低量高 500 Pa；该差值只是本算例的净附加压头假设，不是通用换算系数。
- 由式（1）：ΔF_p ≈ 2.0 × 1500 = 3000 N，约合 306 kgf。kgf 为力的单位，不表示车辆质量或额外载重。
- 由式（4）：η_sys = 0.70 × 0.94 × 0.97 = 0.63826；P_e,fan ≈ 4.0 × 2000 / 0.63826 = 12.53 kW。
- 在参数保持不变的 60 s 内，风扇耗电约为 12.53 × 60 / 3600 = 0.209 kWh；该值未包括附加冷却与其他辅助用电。
| 平均压力降低 | 假设风扇总压升 | 局部载荷增量 | 风扇电输入 |
|---|---|---|---|
| 1000 Pa | 1500 Pa | 2.00 kN | 9.40 kW |
| 1500 Pa | 2000 Pa | 3.00 kN | 12.53 kW |
| 2000 Pa | 2500 Pa | 4.00 kN | 15.67 kW |
表 3 维持 Q = 4 m³/s、A_eff = 2 m² 及 η_sys = 0.63826，并沿用净附加压头 500 Pa 的假设，属于规定工况间的算术比较。它不是同一风扇固定转速下的运行轨迹；实现各工况仍需通过转速及特性图谱验证。若中间工况的总效率由 0.63826 降至 0.50，在相同流量与压升下，电输入将增至 16.0 kW，增幅约 27.7%，而式（1）的压力载荷保持不变。
6.2 降低阻力与降低电耗的区别
专利将降低阻力列为设计目标，但整车电耗需要同时计入风扇用电。对于相同稳定车速的比较，定义 ΔD = D_on − D_off，正值表示阻力增加；可采用式（6）进行一阶能量核算。该关系为本文基于机械功率 D×V 与传动效率的推导，不包含瞬态加速、轮胎损耗变化及附加热管理负荷。
以算例 12.53 kW 风扇用电、100 km/h（27.78 m/s）车速及 η_drive = 0.90 为例，抵消风扇用电所需的阻力降幅约为 406 N。该阈值仅由假设输入计算，专利没有提供相应阻力数据。在低车速下，同等阻力降幅对应的推进功率节省更小；因此，应按任务工况分别评价操稳收益与能量效率，不能把“增加下压力且降低阻力”直接写成“提升续航”。
七、系统集成与验证：从单元图谱到整车载荷
云途在本文采用的评价顺序，是先明确目标载荷与任务工况，再建立安装边界及电功率预算，最后选择能够覆盖工作包线的风扇与电驱组合。该顺序把单体性能与系统需求联系起来，也明确了进入样机验证前必须补齐的数据。对于本专利构型，建议按表 4 形成测量闭环。
| 验证层级 | 需要控制或测量的条件 | 用于判断的输出 |
|---|---|---|
| 风扇与电驱单元 | 进气密度、转速、总压升、流量、电压电流及温度；同步记录测量不确定度。 | 压升—流量图谱、效率图谱、连续工况温升及异常工况边界。 |
| 安装流道与进排气 | 入口畸变、扩散器分离、通道分配、出口方向；核对总压与静压测量口径。 | 安装损失、各单元工作点、压力恢复及流量分配。 |
| 车辆气动系统 | 相同车速下风扇启停对比；扫描离地间隙、俯仰、横滚及侧向来流。 | 表面压力图、总下压力、前后轴载荷增量、俯仰力矩及阻力变化。 |
| 控制与供电耦合 | 风扇启停、功率受限、单元失效；记录载荷建立与衰减过程。 | 响应时间、载荷变化率、压力中心迁移与车辆系统协调需求。 |
| 环境与持续运行 | 进水、砂石与防护结构；按明示距离和工况测噪声；记录电驱热平衡。 | 性能衰减、声学频谱、防护结构压损及维护要求。 |
采用 CFD 时，应明确风扇特性输入、地面运动及来流边界，保留与离地间隙相匹配的网格分辨率，并进行网格敏感性检查。简化压力跃迁模型可用于总体匹配研究，但不能自动证明叶片尺度非定常流动或噪声表现。计算结果应与压力测量、流量测量及整车力测量对应，避免用一张流线图代替性能验证。
下压力突变还可能改变轮胎法向载荷与车辆俯仰响应。单元故障时，损失的载荷大小、分布及衰减速率均应测量，再由整车团队评估控制协调。总下压力无法按固定比例直接换算为过弯速度或制动距离；这些指标还受到轮胎载荷敏感性、路面条件与车辆动态的共同影响。
八、工程结论与涵道风扇设计的可迁移方法
- 车底主动抽吸系统应以安装后的压力分布及载荷积分评价；风扇数量、转速或单体静推力不足以独立表征整车效果。
- 风扇总压升与车底静压降低属于不同评价量。两者之间的关系应由完整流道及外部流场建立，功率估算需保持压力与效率定义一致。
- 离地间隙与车辆姿态同时影响进气边界和工作点，应作为气动包线变量；追求更高流量可能伴随压升或效率下降。
- 操稳收益与净能量收益应分别按任务评价。风扇电耗、阻力变化、持续工况和载荷瞬态共同决定系统集成价值。
对航空与其他安装式涵道风扇项目，可迁移的是“任务需求—安装边界—单元图谱—系统验证”的方法。航空推进的目标是推力与任务能量，车用主动气动的目标是压力载荷与操稳；相同部件概念并不意味着相同设计工况。相关技术体系可参阅电动涵道风扇技术页，航空任务匹配方法见无人机电推进选型指南。
若项目涉及非标进排气或受限安装空间，建议先形成流量、压升、尺寸、工作电压、连续运行时长及声学边界的需求表，再通过定制电动涵道风扇服务讨论匹配方案。本文为云途基于公开资料的独立技术评述；现有航空产品链接仅作技术参考，不表示 Tesla 项目合作或车用适配验证。
工程问题补充
新一代 Roadster 是否已经确认采用这项电动涵道风扇专利？
截至 2026 年 9 月 30 日，尚未确认。US12746987B1 未点名 Roadster；专利构型与量产车辆配置需分别核实。
四个并排风扇是否意味着压升增加四倍？
在相同压力边界下，理想并联主要叠加流量能力，压升不能按数量相加。若入口和通道不同，各单元还需分别评估工作点。
文中 3 kN 下压力与 12.53 kW 功耗来自哪里？
它们由本文明示的面积、压力、流量及效率假设计算得出，属于方法示例，不是 Tesla 或云途在该车用构型上的测试数据，也不是性能预测。
航空 EDF 静推力能否直接换算为汽车下压力？
不能直接换算。单体静推力与车身压力载荷属于不同系统指标，需建立安装流道、压力分布及完整受力之间的关系。
这项专利与冷气推进器或汽车悬浮有什么关系？
该专利描述由电机驱动风扇处理环境空气的气动系统，未披露冷气推进器集成或悬浮能力。冷气推进器使用储存的加压气体经喷嘴产生反作用推力，两者的能量与工质供给方式不同。
参考资料与分析边界
［1］Tesla：Electric Fan Car，US 12,746,987 B1
USPTO 专利文件；相同文件 PDF 镜像。原文核对范围为首页、说明书第 1—4 栏、权利要求 1—15 及图 1—4。本文将其用于构型定位，未据此推定量产性能。
［2］DOE / AMCA：Improving Fan System Performance
风扇系统技术手册，重点参考印刷页码 6—8 的性能曲线与效率定义，以及系统泄漏和多风扇布置章节。本文据其通用方法构建评价框架，未将工业风机数据用于预测 Tesla。
［3］NASA Glenn：Aerodynamic Forces
气动力与压力积分说明。用于压力载荷方法的基础说明；本文局部车底近似及算例假设另行定义。
［4］NASA：冷气推进系统资料
NASA 技术资料。仅用于区分储气喷射与持续吸入环境空气的电动风扇系统。
［5］Roadster 活动日期报道
Drive Tesla，2026 年 9 月 28 日，引述 Tesla 改期公告。该报道仅用于信息状态说明，不作为本文技术模型的依据。
资料核对日期：2026 年 9 月 30 日。本文结论受所列模型条件与假设参数约束；对后续量产构型的评价，需要相应几何、工况及实测数据。