陳石人,黃勇,肖曦等.基于經(jīng)濟(jì)性和熱平衡的主動(dòng)進(jìn)氣格柵策略開發(fā)[J].汽車工程師,2021,(12):18-20.

摘要：

主動(dòng)進(jìn)氣格柵（AGS）在燃油車上已經(jīng)被成熟應(yīng)用，而在純電動(dòng)汽車上，策略有所不同，由于純電動(dòng)車沒有發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的存在，不用考慮進(jìn)氣溫度控制，而驅(qū)動(dòng)電機(jī)，OBC/DCDC 等部件效率遠(yuǎn)高于發(fā)動(dòng)機(jī)，其冷卻回路冷卻需求沒有發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻回路高。文章針對某一款純電動(dòng)車型，通過 Star CCM+仿真進(jìn)行降低風(fēng)阻的 AGS 標(biāo)定策略開發(fā)，通過吐魯番熱區(qū)試驗(yàn)進(jìn)行整車熱平衡的 AGS 標(biāo)定策略開發(fā)，最終得出的 AGS 執(zhí)行策略使整車達(dá)到了較好的降阻保溫冷卻效果。

進(jìn)氣格柵在早期，主要是作為一個(gè)整車前臉造型件和外界空氣流入車輛前機(jī)艙的窗口，其開閉狀態(tài)和迎風(fēng)面積是固定的，空氣流量和氣流方向僅和車速及外界行駛環(huán)境相關(guān)。而主動(dòng)進(jìn)氣格柵的核心作用之一是降低車輛能耗，格柵通常在高速時(shí)會(huì)完全或部分關(guān)閉從而減小機(jī)艙內(nèi)氣流阻力降低風(fēng)阻，這樣必然會(huì)造成整車?yán)鋮s系統(tǒng)空氣流量的減少，極端情況，會(huì)出現(xiàn)冷卻系統(tǒng)流體熱量無法被交換造成整車或部件降級運(yùn)行。因此，需要綜合多個(gè)維度來考慮 AGS 的開閉策略，才能保證整車在經(jīng)濟(jì)性和熱管理中均獲得收益.

1 基于整車道路阻力的 AGS 策略

AGS 的核心作用就是降低整車在高速行駛時(shí)的風(fēng)阻，AGS 關(guān)閉后，可明顯減少機(jī)艙內(nèi)氣流的阻力。AGS全開狀態(tài)和 AGS 全關(guān)狀態(tài)，整車車身外部流場狀態(tài)基本一致，但是機(jī)艙內(nèi)流場差異明顯。在 AGS 全關(guān)狀態(tài)時(shí)，從進(jìn)氣格柵進(jìn)入機(jī)艙內(nèi)形成的渦流得到消除，機(jī)艙內(nèi)的高速氣流也基本消除，實(shí)現(xiàn)了對機(jī)艙內(nèi)氣流的約束，達(dá)到降低風(fēng)阻的效果[1]。

1.1 仿真分析

針對某一款純電動(dòng) BEV 車型，相關(guān)車輛參數(shù)如表1所示。在虛擬風(fēng)洞中分別對 AGS 全開、半開、全關(guān) 3 種模式進(jìn)行仿真分析，本研究基于 STAR- CCM+ 軟件進(jìn)行計(jì)算，利用 STAR- CCM+ 自帶前處理工具進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域進(jìn)行加密，如前保、AGS、機(jī)艙等，網(wǎng)格劃分后總數(shù)量約 3 000 萬。分析模型選用標(biāo)準(zhǔn)數(shù) k- ε 湍流模型、速度入口、壓力出口以及滑動(dòng)壁面邊界。仿真結(jié)果如表 2 所示，車輛前部和機(jī)艙內(nèi)流場分析如圖 1 所示。

從表 2 可以看出，在 120 km/h 時(shí)速下，AGS 半開和全關(guān)的情況下，風(fēng)阻系數(shù)相比 AGS 全開的情況，分別降低 0.005 和 0.016。90~120 km/h 車速下，風(fēng)阻系數(shù)波動(dòng)較小，根據(jù)下式（1），可以大概計(jì)算出車輛在高速情況下空氣阻力的收益，如表 3 所示。

由表 3 可知，AGS 全關(guān)狀態(tài)相比全開狀態(tài)，在高車速狀態(tài)下空氣阻力收益逐漸增大。在車速為 120 km/h時(shí)，全關(guān)的狀態(tài)空氣阻力比全開的狀態(tài)小 28 N。

1.2 N 擋滑行 AGS 策略

通過仿真，明確 AGS 全關(guān)收益，可以簡單確定車輛在道路阻力測量時(shí)的策略，即 N 擋 AGS 保持全關(guān)狀態(tài)。但需要注意的是，整車 D 擋行駛工況 AGS 開閉的一些策略可能會(huì)與 N 擋滑行工況不同，如空調(diào)管壓力，流體溫度，部件溫度等變量的不同會(huì)造成 D 擋行駛時(shí)AGS 開閉狀態(tài)的改變，因此，在此條件下測量的道路行駛阻力僅適用于常溫經(jīng)濟(jì)性工況的測試，高溫和低溫道路阻力測量方式文章暫不提及。

整車 N 擋 AGS 標(biāo)定流如圖 2 所示，除擋位外還考慮了車速的影響，整車 N 擋滑行 AGS 策略如表 4 所示。

在中低車速時(shí)，風(fēng)阻對道路阻力的影響逐漸減小，當(dāng)車速在 20 km/h 以下時(shí)，風(fēng)阻的影響變得非常微小，于是在低車速下將 AGS 設(shè)置為全開，不影響道路阻力測量結(jié)果。

1.3 道路阻力測量

根據(jù)仿真結(jié)果制定 N 擋滑行 AGS 策略，進(jìn)行道路阻力測量，分別測量 AGS 在全開和全關(guān)的情況下的道路阻力，由于該車型正式上市時(shí)，GB/T 18386—2017 已經(jīng)被 GB/T 18386.1—2021 替代，根據(jù) 18386.1 標(biāo)準(zhǔn)要求，測試工況使用 CLTC- P 工況，道路阻力測量直接引用 GB 18352.6—2016，使用國 VI 方式進(jìn)行滑行[2] [3]。

為了盡量將風(fēng)速、環(huán)境溫度和大氣壓力對道路阻力測量結(jié)果的修正影響降到最低，我們在道路阻力測量中分 6 個(gè)速度段進(jìn)行測試，每個(gè)速度段按 2 種 AGS開閉策略分別連續(xù)進(jìn)行滑行。速度段的選取分別為135 ~105 km/h，105~85 km/h，85~65 km/h，65~45 km/h，45~25 km/h，25~0 km/h。

道路阻力測量結(jié)果如圖 3 所示?？梢钥闯?，道路阻力在中高速階段，結(jié)果基本和風(fēng)阻仿真收益一致。車速在 60~120 km/h 之間，實(shí)際的道路阻力有 10~25 N 的收益。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，此道路阻力的收益在 CLTC- P 工況下約有 15 km 的續(xù)航提升，整車經(jīng)濟(jì)性得到改善。

2 基于整車熱平衡的 AGS 策略

上文提到，車輛 N 擋滑行時(shí)在中高車速關(guān)閉 AGS可有效降低整車道路阻力。但在車輛實(shí)際行駛過程中，還需考慮整車?yán)鋮s系統(tǒng)的散熱情況。因此，D 擋不能直接采用 N 擋 AGS 策略，應(yīng)從整車熱平衡的角度將電機(jī)以及附件等散熱需求考慮進(jìn)來。

2.1 基于部件冷卻的 AGS 策略設(shè)計(jì)

機(jī)艙中，OBC、DCDC 以及電機(jī)均有冷卻需求，AGS策略在降低高速風(fēng)阻的同時(shí)還需要考慮這幾個(gè)部件的散熱。同時(shí)，當(dāng)乘員艙有制冷需求時(shí)，空調(diào)管路壓力逐漸上升，通過開啟風(fēng)扇并匹配合適的 AGS 開度可降低冷媒溫度，從而降低空調(diào)管路壓力。否則會(huì)造成壓縮機(jī)長時(shí)間高負(fù)荷工作，從而導(dǎo)致能耗偏高且制冷效果差。

目前大部分 BEV 車型，一般采用 OBC、DCDC 或PDU 集成式。電機(jī)、減速器和 INV 也采用集成式，且2 個(gè)集成式總成之間的冷卻回路是串聯(lián)的，所以對串聯(lián)冷卻回路的水溫控制是重點(diǎn)。同時(shí)還需考慮這 2 個(gè)集成式總成本身的溫度以及空調(diào)管路壓力的影響，建立的標(biāo)定流如圖 4 所示。

圖 4 的策略是基于 4 個(gè)維度的考慮，分別是水溫、OBC 三合一溫度、電機(jī)溫度以及空調(diào)管路壓力。其中空調(diào)管路壓力還考慮了車速的影響。

基于串聯(lián)回路水溫的 AGS 策略如表 5 所示，基于OBC 三合一溫度的 AGS 策略如表 6 所示，基于電機(jī)溫度的 AGS 策略如表 7 所示。

由表 5~ 表 7 可知，這 3 個(gè)控制策略只考慮 AGS全開和全關(guān)的情況，沒有考慮部分開啟的情況。第一是為了匹配冷卻風(fēng)扇開啟的水溫閾值，水溫上升時(shí)，AGS先于冷卻風(fēng)扇全開，使水溫快速下降。第二是 AGS 開度是幾個(gè)策略比較后取大，車速與空調(diào)管路壓力是考慮了根據(jù)車速和空調(diào)管路壓力部分開啟 AGS。因此，存在水溫沒達(dá)到 AGS 開啟閾值而車速或空調(diào)管路壓力根據(jù)查表而開啟部分 AGS 的情況，這個(gè)情況也有利于水溫的降低。因此，基于部件的熱平衡需求 AGS 策略只考慮全開和全關(guān) 2 種情況。

2.2 策略驗(yàn)證

針對上述策略，在吐魯番極熱環(huán)境下驗(yàn)證（如圖 5所示），環(huán)境溫度在 42~45 ℃之間。高溫浸車 2 h，將AGS 全關(guān)，行駛工況如圖 6 所示，相關(guān)溫度如圖 7 所示。所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用 ETAS ES582.1 記錄，使用 INCAMDA7.2 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

由圖 7 可知，AGS 全關(guān)的情況下，盡管風(fēng)扇此時(shí)開啟并且高占空比運(yùn)轉(zhuǎn)，但仍然無法將熱量排出。在較高車速下，相關(guān)溫度仍然無法控制，水溫達(dá)到了 75 ℃，電機(jī)溫度超過了 90 ℃。于是將 AGS 設(shè)置全開，繼續(xù)按圖 8的工況行駛，相關(guān)溫度變化趨勢如圖 9 所示。

由圖 9 可知，隨著 AGS 開啟，溫度迅速得到控制，水溫迅速下降，OBC 三合一此時(shí)僅 DCDC 在工作，功率不大，溫度也從 75 ℃下降到 60 ℃以下。此時(shí)電機(jī)仍在大功率運(yùn)轉(zhuǎn)，但溫度波動(dòng)較小，不再上升，達(dá)到熱平衡。

上述策略所涉及的工況較為理想，在高車速情況下行駛，為了更好的驗(yàn)證策略，選取更為嚴(yán)苛的工況進(jìn)行測試驗(yàn)證。環(huán)境溫度為 43~45 ℃，坡道為 12%，在AGS 全開情況下，反復(fù)加減速，然后高速爬坡，行駛工況如圖 10 所示，相關(guān)溫度變化趨勢如圖 11 所示。

由圖 11 可知，在比較嚴(yán)苛的爬坡工況下，全開AGS，電機(jī)溫度全程未超過 150℃，水溫和 OBC 三合一溫度控制在 65℃左右，很好的滿足了冷卻需求。

2.3 基于車速和空調(diào)熱負(fù)荷的 AGS 策略

上文主要列舉了高溫工況下 AGS 全開和全關(guān)的情況，在常溫環(huán)境下正常行駛，通常不考慮乘員艙制冷需求，理論上 AGS 全關(guān)情況下，是完全可以滿足部件冷卻需求的。但高溫環(huán)境下，必然存在乘員艙制冷需求，空調(diào)持續(xù)在大負(fù)荷工況運(yùn)轉(zhuǎn)，使空調(diào)管路產(chǎn)生較高壓力，冷凝器散熱負(fù)荷增大，同時(shí)散熱器負(fù)荷也逐步增大，使水溫逐漸升高，此時(shí)可以考慮利用 AGS 步進(jìn)電機(jī)特性，分擋控制，達(dá)到降低空調(diào)管路壓力和水溫的目的。

AGS 的控制電機(jī)一般為步進(jìn)電機(jī)，理論上是可以實(shí)現(xiàn) 0~100%開度的無級調(diào)節(jié)。但為了簡化冷卻需求防止電機(jī)長時(shí)間工作，一般選取 0%、20%、40%、60%、80%、100%這 6 個(gè)開度，結(jié)合車速與空調(diào)管路壓力，形成標(biāo)定策略如圖 12 所示。

由圖 12 可知：1）高速行車，沒有乘員艙制冷需求或者乘員艙制冷需求較小時(shí)，可將 AGS 全關(guān)，最大程度降低高速行駛時(shí)的風(fēng)阻；2） 高速行車，環(huán)境溫度較高，乘員艙制冷需求較大時(shí)，可部分或全部開啟 AGS，目的是為了降低空調(diào)管路壓力，也能一定程度降低高速行駛時(shí)的風(fēng)阻；3）低速且有乘員艙制冷需求時(shí)，也可部分或全部開啟 AGS，低速行車時(shí)，風(fēng)阻影響較小，開啟 AGS 對能耗影響也不大。

該策略驗(yàn)證在動(dòng)態(tài)環(huán)境艙內(nèi)進(jìn)行，考慮了極端工況空調(diào)最大制冷能力，策略能在降低風(fēng)阻的情況下同時(shí)降低空調(diào)管壓力，文章不做詳述。

3 基于充電工況的 AGS 策略

在充電工況中，AGS 策略較為簡單，車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)，不用考慮風(fēng)阻，只需要考慮 2 點(diǎn)：

1）乘員艙制冷需求或電芯制冷需求，該維度策略與圖 11 一致，在空調(diào)管路壓力比基準(zhǔn)壓力高時(shí)全開AGS，使空調(diào)管路壓力迅速降低，如表 8 所示。

2）慢充 OBC 三合一降溫需求，當(dāng)溫度超過某一閾值時(shí)會(huì)降級運(yùn)行。OBC 三合一溫度和冷卻回路水溫關(guān)系較大，在水溫較低時(shí)，AGS 直接全部關(guān)閉，達(dá)到保溫效果。在水溫較高時(shí)，AGS 直接全部打開，提前降低水溫，從而降低 OBC 三合一溫度。策略也比較簡單，與非充電模式一致，如表 9 所示。

標(biāo)定策略針對上述 2 種情況，按策略查表，兩者取大即可，如圖 13 所示。

盡管充電模式策略與非充電模式策略基于空調(diào)壓力和水溫維度都一致，但還是單獨(dú)設(shè)置了該充電模式策略，是為了提高標(biāo)定靈活度，便于后期標(biāo)定參數(shù)區(qū)分。

4 結(jié)論

文章基于多個(gè)維度對純電動(dòng)汽車的 AGS 開閉策略進(jìn)行了設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，較好的達(dá)到了降阻保溫散熱的效果，可應(yīng)用于后續(xù)新開發(fā)車型。

1）文章提到 N 擋時(shí) AGS 全關(guān)策略，滑行所得出的國 VI 道路阻力曲線，僅適用于常溫 WLTC 和常溫CLTC- P 工況續(xù)航。針對高溫與低溫工況續(xù)航，由于AGS 的 D 擋策略結(jié)合了車速和空調(diào)壓力等變量，存在高車速工況 AGS 部分或全部開啟的情況，這與 N 擋滑行的策略是不符的。因此，高溫和低溫工況續(xù)航測試，需要按 D 擋 AGS 策略進(jìn)行滑行，得出的曲線才更加符合實(shí)際情況。

2）可變式相比常開式進(jìn)氣格柵，由于 AGS 較多的處于全關(guān)狀態(tài)，前機(jī)艙相關(guān)零件熱負(fù)荷更大，開發(fā)前期需要做好相關(guān)計(jì)算和仿真，保證零部件的使用壽命。

3） 圖 12 基于車速和空調(diào)管路壓力的 AGS 策略，實(shí)際采用取整查表和回差策略，不做插值查表，否則會(huì)造成 AGS 開度頻繁變化，影響 AGS 電機(jī)使用壽命，并且不能達(dá)到很好的散熱降阻效果。