基于经济性和热平衡的主动进气格栅策略开发

陈石人,黄勇,肖曦等.基于经济性和热平衡的主动进气格栅策略开发[J].汽车工程师,2021,(12):18-20.

摘要：

主动进气格栅（AGS）在燃油车上已经被成熟应用，而在纯电动汽车上，策略有所不同，由于纯电动车没有发动机进气系统的存在，不用考虑进气温度控制，而驱动电机，OBC/DCDC 等部件效率远高于发动机，其冷却回路冷却需求没有发动机冷却回路高。文章针对某一款纯电动车型，通过 Star CCM+仿真进行降低风阻的 AGS 标定策略开发，通过吐鲁番热区试验进行整车热平衡的 AGS 标定策略开发，最终得出的 AGS 执行策略使整车达到了较好的降阻保温冷却效果。

进气格栅在早期，主要是作为一个整车前脸造型件和外界空气流入车辆前机舱的窗口，其开闭状态和迎风面积是固定的，空气流量和气流方向仅和车速及外界行驶环境相关。而主动进气格栅的核心作用之一是降低车辆能耗，格栅通常在高速时会完全或部分关闭从而减小机舱内气流阻力降低风阻，这样必然会造成整车冷却系统空气流量的减少，极端情况，会出现冷却系统流体热量无法被交换造成整车或部件降级运行。因此，需要综合多个维度来考虑 AGS 的开闭策略，才能保证整车在经济性和热管理中均获得收益.

1 基于整车道路阻力的 AGS 策略

AGS 的核心作用就是降低整车在高速行驶时的风阻，AGS 关闭后，可明显减少机舱内气流的阻力。AGS全开状态和 AGS 全关状态，整车车身外部流场状态基本一致，但是机舱内流场差异明显。在 AGS 全关状态时，从进气格栅进入机舱内形成的涡流得到消除，机舱内的高速气流也基本消除，实现了对机舱内气流的约束，达到降低风阻的效果[1]。

1.1 仿真分析

针对某一款纯电动 BEV 车型，相关车辆参数如表1所示。在虚拟风洞中分别对 AGS 全开、半开、全关 3 种模式进行仿真分析，本研究基于 STAR- CCM+ 软件进行计算，利用 STAR- CCM+ 自带前处理工具进行网格划分，在重点关注区域进行加密，如前保、AGS、机舱等，网格划分后总数量约 3 000 万。分析模型选用标准数 k- ε 湍流模型、速度入口、压力出口以及滑动壁面边界。仿真结果如表 2 所示，车辆前部和机舱内流场分析如图 1 所示。

从表 2 可以看出，在 120 km/h 时速下，AGS 半开和全关的情况下，风阻系数相比 AGS 全开的情况，分别降低 0.005 和 0.016。90~120 km/h 车速下，风阻系数波动较小，根据下式（1），可以大概计算出车辆在高速情况下空气阻力的收益，如表 3 所示。

由表 3 可知，AGS 全关状态相比全开状态，在高车速状态下空气阻力收益逐渐增大。在车速为 120 km/h时，全关的状态空气阻力比全开的状态小 28 N。

1.2 N 挡滑行 AGS 策略

通过仿真，明确 AGS 全关收益，可以简单确定车辆在道路阻力测量时的策略，即 N 挡 AGS 保持全关状态。但需要注意的是，整车 D 挡行驶工况 AGS 开闭的一些策略可能会与 N 挡滑行工况不同，如空调管压力，流体温度，部件温度等变量的不同会造成 D 挡行驶时AGS 开闭状态的改变，因此，在此条件下测量的道路行驶阻力仅适用于常温经济性工况的测试，高温和低温道路阻力测量方式文章暂不提及。

整车 N 挡 AGS 标定流如图 2 所示，除挡位外还考虑了车速的影响，整车 N 挡滑行 AGS 策略如表 4 所示。

在中低车速时，风阻对道路阻力的影响逐渐减小，当车速在 20 km/h 以下时，风阻的影响变得非常微小，于是在低车速下将 AGS 设置为全开，不影响道路阻力测量结果。

1.3 道路阻力测量

根据仿真结果制定 N 挡滑行 AGS 策略，进行道路阻力测量，分别测量 AGS 在全开和全关的情况下的道路阻力，由于该车型正式上市时，GB/T 18386—2017 已经被 GB/T 18386.1—2021 替代，根据 18386.1 标准要求，测试工况使用 CLTC- P 工况，道路阻力测量直接引用 GB 18352.6—2016，使用国 VI 方式进行滑行[2] [3]。

为了尽量将风速、环境温度和大气压力对道路阻力测量结果的修正影响降到最低，我们在道路阻力测量中分 6 个速度段进行测试，每个速度段按 2 种 AGS开闭策略分别连续进行滑行。速度段的选取分别为135 ~105 km/h，105~85 km/h，85~65 km/h，65~45 km/h，45~25 km/h，25~0 km/h。

道路阻力测量结果如图 3 所示。可以看出，道路阻力在中高速阶段，结果基本和风阻仿真收益一致。车速在 60~120 km/h 之间，实际的道路阻力有 10~25 N 的收益。根据经验，此道路阻力的收益在 CLTC- P 工况下约有 15 km 的续航提升，整车经济性得到改善。

2 基于整车热平衡的 AGS 策略

上文提到，车辆 N 挡滑行时在中高车速关闭 AGS可有效降低整车道路阻力。但在车辆实际行驶过程中，还需考虑整车冷却系统的散热情况。因此，D 挡不能直接采用 N 挡 AGS 策略，应从整车热平衡的角度将电机以及附件等散热需求考虑进来。

2.1 基于部件冷却的 AGS 策略设计

机舱中，OBC、DCDC 以及电机均有冷却需求，AGS策略在降低高速风阻的同时还需要考虑这几个部件的散热。同时，当乘员舱有制冷需求时，空调管路压力逐渐上升，通过开启风扇并匹配合适的 AGS 开度可降低冷媒温度，从而降低空调管路压力。否则会造成压缩机长时间高负荷工作，从而导致能耗偏高且制冷效果差。

目前大部分 BEV 车型，一般采用 OBC、DCDC 或PDU 集成式。电机、减速器和 INV 也采用集成式，且2 个集成式总成之间的冷却回路是串联的，所以对串联冷却回路的水温控制是重点。同时还需考虑这 2 个集成式总成本身的温度以及空调管路压力的影响，建立的标定流如图 4 所示。

图 4 的策略是基于 4 个维度的考虑，分别是水温、OBC 三合一温度、电机温度以及空调管路压力。其中空调管路压力还考虑了车速的影响。

基于串联回路水温的 AGS 策略如表 5 所示，基于OBC 三合一温度的 AGS 策略如表 6 所示，基于电机温度的 AGS 策略如表 7 所示。

由表 5~ 表 7 可知，这 3 个控制策略只考虑 AGS全开和全关的情况，没有考虑部分开启的情况。第一是为了匹配冷却风扇开启的水温阈值，水温上升时，AGS先于冷却风扇全开，使水温快速下降。第二是 AGS 开度是几个策略比较后取大，车速与空调管路压力是考虑了根据车速和空调管路压力部分开启 AGS。因此，存在水温没达到 AGS 开启阈值而车速或空调管路压力根据查表而开启部分 AGS 的情况，这个情况也有利于水温的降低。因此，基于部件的热平衡需求 AGS 策略只考虑全开和全关 2 种情况。

2.2 策略验证

针对上述策略，在吐鲁番极热环境下验证（如图 5所示），环境温度在 42~45 ℃之间。高温浸车 2 h，将AGS 全关，行驶工况如图 6 所示，相关温度如图 7 所示。所有试验数据使用 ETAS ES582.1 记录，使用 INCAMDA7.2 进行数据处理。

由图 7 可知，AGS 全关的情况下，尽管风扇此时开启并且高占空比运转，但仍然无法将热量排出。在较高车速下，相关温度仍然无法控制，水温达到了 75 ℃，电机温度超过了 90 ℃。于是将 AGS 设置全开，继续按图 8的工况行驶，相关温度变化趋势如图 9 所示。

由图 9 可知，随着 AGS 开启，温度迅速得到控制，水温迅速下降，OBC 三合一此时仅 DCDC 在工作，功率不大，温度也从 75 ℃下降到 60 ℃以下。此时电机仍在大功率运转，但温度波动较小，不再上升，达到热平衡。

上述策略所涉及的工况较为理想，在高车速情况下行驶，为了更好的验证策略，选取更为严苛的工况进行测试验证。环境温度为 43~45 ℃，坡道为 12%，在AGS 全开情况下，反复加减速，然后高速爬坡，行驶工况如图 10 所示，相关温度变化趋势如图 11 所示。

由图 11 可知，在比较严苛的爬坡工况下，全开AGS，电机温度全程未超过 150℃，水温和 OBC 三合一温度控制在 65℃左右，很好的满足了冷却需求。

2.3 基于车速和空调热负荷的 AGS 策略

上文主要列举了高温工况下 AGS 全开和全关的情况，在常温环境下正常行驶，通常不考虑乘员舱制冷需求，理论上 AGS 全关情况下，是完全可以满足部件冷却需求的。但高温环境下，必然存在乘员舱制冷需求，空调持续在大负荷工况运转，使空调管路产生较高压力，冷凝器散热负荷增大，同时散热器负荷也逐步增大，使水温逐渐升高，此时可以考虑利用 AGS 步进电机特性，分挡控制，达到降低空调管路压力和水温的目的。

AGS 的控制电机一般为步进电机，理论上是可以实现 0~100%开度的无级调节。但为了简化冷却需求防止电机长时间工作，一般选取 0%、20%、40%、60%、80%、100%这 6 个开度，结合车速与空调管路压力，形成标定策略如图 12 所示。

由图 12 可知：1）高速行车，没有乘员舱制冷需求或者乘员舱制冷需求较小时，可将 AGS 全关，最大程度降低高速行驶时的风阻；2） 高速行车，环境温度较高，乘员舱制冷需求较大时，可部分或全部开启 AGS，目的是为了降低空调管路压力，也能一定程度降低高速行驶时的风阻；3）低速且有乘员舱制冷需求时，也可部分或全部开启 AGS，低速行车时，风阻影响较小，开启 AGS 对能耗影响也不大。

该策略验证在动态环境舱内进行，考虑了极端工况空调最大制冷能力，策略能在降低风阻的情况下同时降低空调管压力，文章不做详述。

3 基于充电工况的 AGS 策略

在充电工况中，AGS 策略较为简单，车辆处于静止状态，不用考虑风阻，只需要考虑 2 点：

1）乘员舱制冷需求或电芯制冷需求，该维度策略与图 11 一致，在空调管路压力比基准压力高时全开AGS，使空调管路压力迅速降低，如表 8 所示。

2）慢充 OBC 三合一降温需求，当温度超过某一阈值时会降级运行。OBC 三合一温度和冷却回路水温关系较大，在水温较低时，AGS 直接全部关闭，达到保温效果。在水温较高时，AGS 直接全部打开，提前降低水温，从而降低 OBC 三合一温度。策略也比较简单，与非充电模式一致，如表 9 所示。

标定策略针对上述 2 种情况，按策略查表，两者取大即可，如图 13 所示。

尽管充电模式策略与非充电模式策略基于空调压力和水温维度都一致，但还是单独设置了该充电模式策略，是为了提高标定灵活度，便于后期标定参数区分。

4 结论

文章基于多个维度对纯电动汽车的 AGS 开闭策略进行了设计和验证，较好的达到了降阻保温散热的效果，可应用于后续新开发车型。

1）文章提到 N 挡时 AGS 全关策略，滑行所得出的国 VI 道路阻力曲线，仅适用于常温 WLTC 和常温CLTC- P 工况续航。针对高温与低温工况续航，由于AGS 的 D 挡策略结合了车速和空调压力等变量，存在高车速工况 AGS 部分或全部开启的情况，这与 N 挡滑行的策略是不符的。因此，高温和低温工况续航测试，需要按 D 挡 AGS 策略进行滑行，得出的曲线才更加符合实际情况。

2）可变式相比常开式进气格栅，由于 AGS 较多的处于全关状态，前机舱相关零件热负荷更大，开发前期需要做好相关计算和仿真，保证零部件的使用寿命。

3） 图 12 基于车速和空调管路压力的 AGS 策略，实际采用取整查表和回差策略，不做插值查表，否则会造成 AGS 开度频繁变化，影响 AGS 电机使用寿命，并且不能达到很好的散热降阻效果。