純電動汽車主動進氣格柵策略開發(fā)及能耗貢獻量研究

純電動汽車主動進氣格柵策略開發(fā)及能耗貢獻量研究摘要：介紹了一套完整的主動進氣格柵整車熱管理控制策略平臺架構和開發(fā)流程，基于多款純電動汽車試驗驗證，充分利用大數(shù)據(jù)研究、理論分析、高低溫環(huán)境艙試驗匹配等手段，完成了對主動進氣格柵整車熱管理控制策略的正向開發(fā)，并結合純電動車型熱泵空調(diào)系統(tǒng)完成了整車能耗貢獻量對比試驗分析。研究表明，新開發(fā)的主動進氣格柵整車熱管理策略在常溫、低溫環(huán)境下均有較好的節(jié)能收益，高溫環(huán)境下可及時響應整車熱管理系統(tǒng)的散熱需求，同時具備平臺化應用的可行性。關鍵詞：主動進氣格柵；電動汽車；熱泵空調(diào)系統(tǒng)；節(jié)能收益；平臺化StrategyDevelopmentandEnergyConsumptionContributionAnalysisforActiveGrilleShutterinElectricVehiclesAbstract:Thearticleproposesacompletesetofthermalmanagementstrategyplatformarchitectureanddevelopmentprocessfortheactivegrilleshutter.Theforwarddevelopmentofthethermalmanagementstrategyhasbeencompletedthroughbigdataresearch,theoreticalanalysisandmatchingwithhigh-lowtemperatureenvironmentalcabintestingforvarioustypesofelectricvehicles.Thecomparativeanalysisofvehicleenergyconsumptioncontributionwasconductedbyconsideringtheheatpumpair-conditioningsystemoftheelectricvehicles.Theresultsshowthatthenewlydevelopedthermalmanagementstrategyforactivegrilleshutterprovidesenergy-savingbenefitsinbothnormalandlowtemperatureenvironments,canrespondpromptlytotheheatdissipationrequirementsofthevehiclethermalmanagementsystemathightemperatures,andissuitableforplatformapplication.Keywords:activegrilleshutter;electricvehicles;heatpumpair-conditioningsystem;energysavingincome;platform《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035）》中明確指出：到2025年，純電動乘用車新車平均電耗量降低至12kWh/100km。為實現(xiàn)這一目標，降低整車空氣阻力對純電動車型的開發(fā)顯得尤為重要。主動進氣格柵（ActiveGrilleShutter，AGS作為一種有效降低整車空氣阻力的措施［1近幾年在純電動車型上得到了廣泛的應用。20世紀二三十年代，AGS在乘用車上的首次應用主要是為了提高低溫下發(fā)動機的暖機速率［2］。隨著流體力學理論的完善及相關試驗技術的進步，研究表明，AGS關閉能減少外部氣流進入前艙，進而減少汽車行駛過程中的壓差阻力，減少因空氣阻力帶來的整車能量損失［3］。對純電動熱泵車型，在夏季環(huán)境溫度下，關閉AGS可降低整車空氣阻力并減少驅(qū)動能耗，但關閉AGS也會導致冷卻模塊散熱不足，從而帶來空調(diào)壓縮機及風扇能耗的增加；在冬季環(huán)境溫度下，關閉AGS除了能降低空氣阻力，還能減少電機電控及前艙管路的對流熱損失，縮短冷啟動暖機時間，對于需要從高壓冷卻回路回收熱量的熱泵車型，關閉AGS還能提高高壓冷卻回路的冷卻液溫度，進而提高了熱泵對高壓回路的余熱回收效率［4-5］。因此，純電動汽車AGS開閉控制策略的開發(fā)應同步考慮整車使用過程中的復雜條件及其他性能對格柵進氣量的需求，才能實現(xiàn)整車能耗最優(yōu)［6-7］。本文結合某純電熱泵車型，從正向開發(fā)角度為純電熱泵車型AGS控制策略開發(fā)提供一種思路。11AGS策略需求評估1.1開發(fā)需求分析為提高純電動熱泵車型續(xù)駛里程，綜合考慮整車熱管理、動力經(jīng)濟性、產(chǎn)品可靠性三方面需求，開發(fā)出符合純電熱泵平臺的AGS控制策略。圖1為某熱泵車型空調(diào)系統(tǒng)原理簡圖?？照{(diào)制冷循環(huán)冷媒依次經(jīng)過壓縮機、車內(nèi)換熱器、車外換熱器、電池包及蒸發(fā)器、氣液分離器，最后回到壓縮機，從而實現(xiàn)電池包和乘員艙的冷卻，即制冷模式下圖1中冷媒流動順序為1→12→空調(diào)制熱循環(huán)冷媒依次經(jīng)過壓縮機、車內(nèi)換熱器及電池包、板式換熱器、氣液分離器，最后再回到壓縮機，即制熱模式下圖1中冷媒流動順序為1熱泵系統(tǒng)通過兩種模式吸收熱量，模式一為余熱回收，即熱泵系統(tǒng)通過回收電驅(qū)動系統(tǒng)正常工作的冷卻回路熱量為電池包及乘員艙加熱。模式二為余熱回收+余熱補償，即當環(huán)境溫度低于某一數(shù)值，導致電驅(qū)動系統(tǒng)冷卻回路熱量不滿足熱泵系統(tǒng)吸熱需求時，會觸發(fā)驅(qū)動電機進入低效工作模式，產(chǎn)生額外熱量供給熱泵系統(tǒng)。圖1某熱泵車型空調(diào)系統(tǒng)原理1.2功能定義綜合產(chǎn)品可靠性、動力經(jīng)濟性多方面需求，控制AGS開啟關閉狀態(tài)。環(huán)境溫度較高時，在滿足整車熱管理系統(tǒng)（含電驅(qū)動系統(tǒng)、充配電系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、電池包、智能駕駛系統(tǒng)等）散熱需求的前提下，根據(jù)AGS開啟或關閉時的整車行車驅(qū)動能耗和整車熱管理系統(tǒng)能耗（含壓縮機、電子風扇、電子水泵、鼓風機等）之和最優(yōu)來控制AGS工作狀態(tài)。環(huán)境溫度較低時，為提高電驅(qū)動回路冷卻液溫升速率和維溫狀態(tài)，增大熱泵系統(tǒng)余熱回收效率，非故障模式應盡量保持AGS關閉。1.3AGS策略參數(shù)為了將AGS開閉需求轉(zhuǎn)化為可與整車控制器進行數(shù)據(jù)交互并作出反饋的實時信號，對AGS控制參數(shù)進行分解，如圖2所示。整車對AGS開閉控制主要考慮三方面需求：行車能耗，熱管理系統(tǒng)散熱及其能耗，其他相關性能。行車能耗主要與汽車行駛阻力相關，汽車在平坦道路上的行車阻力由空氣阻力、滾動阻力及加速阻力構成，計算公式為：F=Ff+Fw+Fj。（1）式中：F為汽車行駛阻力，N；Ff為汽車滾動阻力，N；Fw為空氣阻力，N；Fj為加速阻力，N。Fw=0.5ρ×CD×A×u2。（2）式中：ρ為空氣密度，kg/m3；CD為空氣阻力系數(shù)；A為汽車正迎風面積，m2；u為車速，m/s。由于汽車在平坦路面勻速行駛時，滾動阻力和加速阻力基本不變，且影響空氣阻力的正迎風面積A、空氣密度ρ也不會有太大波動，所以汽車在平坦道路勻速行駛時汽車行駛阻力主要受車速影響。熱管理散熱主要包含電池包、空調(diào)系統(tǒng)、電驅(qū)動總成、充配電的散熱，對應控制參數(shù)可以分解為環(huán)境溫度、IPM溫度、IGBT溫度、電機繞組溫度、電控水溫，其主要目的是結合整車冷卻基本需求制定相關保護策略。熱管理能耗主要包含空調(diào)壓縮機、電子風扇、電子水泵及鼓風機的功耗，且主要為壓縮機、電子風扇功耗，壓縮機和電子風扇的工作狀態(tài)變化均以空調(diào)系統(tǒng)壓力作為判斷依據(jù)。圖2AGS相關控制參數(shù)1.4AGS策略框架義，后文會進行詳細說明。AGS控制參數(shù)確認后，基于控制參數(shù)搭建AGS控制程序邏輯框架并進行任務分解，相關內(nèi)容如圖3所示。充電狀態(tài)下為滿足電池冷卻需求應保證AGS開啟；非充電狀態(tài)下AGS開閉應在優(yōu)先滿足關鍵高壓系統(tǒng)部件可靠性的基礎上，以車速和環(huán)境溫度為判定條件，綜合考慮能耗、整車散熱等方面的需求。本節(jié)中車速及環(huán)境溫度的劃分主要依據(jù)等速能耗試驗及全國環(huán)境溫度調(diào)研結果分別進行定22AGS控制策略開發(fā)在AGS控制策略基本框架基礎上，本文從環(huán)境溫度、電控水溫及關鍵高壓系統(tǒng)部件保護閾值、空調(diào)系統(tǒng)壓力保護閾值等多方面綜合考慮，確保AGS控制策略在優(yōu)化整車能耗時也滿足整車可靠性需求。2.1環(huán)境溫度分區(qū)國外學者已有根據(jù)氣候分布大數(shù)據(jù)研究整車能圖3AGS程序控制邏輯框架耗的案例［8-9］本文通過引入正態(tài)分布理論［10根據(jù)中國典型城市夏季氣候（每年6月、7月、8月）環(huán)境分布和乘用車保有量分布概率，定義（-2σ,+2σ)為“常溫環(huán)境”，可覆蓋中國夏季車輛運行95%的氣候環(huán)境，表征車輛夏季行駛常規(guī)整車熱管表征空調(diào)制冷需求較小或者沒有；定義（+2σ,+∝)為“高溫環(huán)境”，表征中國市場夏季較極端的氣候環(huán)境，整車熱管理散熱需求較大。為了準確評估出車輛在實際運行狀態(tài)下的環(huán)境溫度分布，先對全國乘用車保有量進行調(diào)研，圖4為國家統(tǒng)計局發(fā)布的2020年全國汽車保有量分布情況［11］。再基于全國汽車保有量對全國各省份日均環(huán)境溫度進行加權處理，以表征客戶實際用車時的環(huán)境溫度信息。式中：Pi為夏季全國日均溫度加權占比；Wj為某城環(huán)境溫度不同，整車驅(qū)動及熱管理對AGS策略需求不同，在制定AGS控制策略時應根據(jù)環(huán)境溫度的不同進行溫度分區(qū)控制，在制定相關策略時需考慮以下三方面。1）高溫環(huán)境區(qū)間：優(yōu)先滿足整車熱管理散熱需求。2）常溫環(huán)境區(qū)間：綜合行車驅(qū)動能耗和整車熱管理系統(tǒng)能耗之和最低作為AGS開啟或關閉的控制因素。3）低溫環(huán)境區(qū)間：在保證車輛運行可靠性和AGS產(chǎn)品低溫凍結可靠性的前提下，優(yōu)先滿足行車降空氣阻力和熱泵余熱回收需求。2.2電控水溫及關鍵高壓系統(tǒng)部件過溫保護在高溫大負荷工況下，關閉AGS導致的冷卻性能不足會影響高壓系統(tǒng)的使用壽命，嚴重時可能會觸發(fā)儀表報警，在制定AGS策略時需要綜合考慮相關電控水溫及關鍵高壓系統(tǒng)部件過溫保護策略以保證產(chǎn)品可靠性。圖5～7分別為某電動汽車在部分復雜工況下（NewEuropeanDrivingCycle，NEDC）IGBT溫度、 IPM溫度、電機繞組溫度與電控水溫的對應關系。分析試驗數(shù)據(jù)可知：1）不同工況下IGBT溫度、IPM溫度、電機繞組溫度與電控水溫差異較大且無明顯的規(guī)律性。最大。3）電機繞組溫度與電控水溫差異最大。圖8為2021年夏季某電動車關鍵高壓系統(tǒng)部件溫度分布調(diào)研結果。圖42020年全國各省份汽車保有量圖5IGBT溫度與電控水溫關系曲線圖6IPM溫度與電控水溫關系曲線綜上所述，AGS控制策略需要考慮并滿足三方2.3空調(diào)系統(tǒng)壓力保護面需求。在環(huán)境溫度比較高的條件下，AGS關閉雖然能1）高溫大負荷工況下避免電控水溫或關鍵高降低整車空氣阻力減少行車驅(qū)動能耗，但由此帶來壓系統(tǒng)部件過溫導致動力受限甚至切斷。的冷凝器換熱不足同樣會造成空調(diào)壓力升高，壓縮2）復雜環(huán)境工況下避免AGS頻繁開閉。機能效比降低，風扇占空比加大，這些勢必會造成3）結合客戶用車過程中的實際表現(xiàn)，避免策整車熱管理能耗增加。為了使整車能耗最優(yōu)，分別略設置值導致AGS常開或常閉。進行了AGS開閉狀態(tài)下的道路滑行試驗及AGS開圖7電機繞組溫度與電控水溫關系曲線圖8夏季關鍵高壓系統(tǒng)部件溫度大數(shù)據(jù)調(diào)研結果閉狀態(tài)下的環(huán)境艙等速能耗試驗。圖9為“常溫”與“高溫”臨界溫度下AGS開閉對整車能耗的影 響，包含不同車速AGS關閉相較打開時熱管理能 耗增加量與行車能耗減少量兩條關系曲線。當實際 車速低于曲線交點對應的車速時，行駛車速定義為“低速”，當實際車速高于曲線交點對應車速時，行駛車速定義為“中高速”。圖9AGS開閉對整車驅(qū)動能耗及熱管理能耗的影響當車速低于兩條曲線交點對應速度值時，為保持整車能耗最優(yōu)應開啟AGS，可以選取曲線交點AGS開啟對應的空調(diào)高壓壓力作為觸發(fā)AGS開啟模式的壓力閾值。當車速超過兩條曲線交點對應速度值時，為保持整車能耗最優(yōu)應關閉AGS，可以選取曲線交點AGS關閉對應的空調(diào)高壓壓力作為觸發(fā)AGS開啟模式的壓力閾值。在制定AGS控制策略時，選取空調(diào)系統(tǒng)高壓作為判定整車能耗的評價參數(shù)。在“高溫”環(huán)境下，AGS策略應優(yōu)先考慮整車熱管理系統(tǒng)散熱需求，對空調(diào)系統(tǒng)壓力設定高壓保護點。在“常溫”環(huán)境下，應優(yōu)先考慮AGS策略對整車能耗的影響，根據(jù)空調(diào)壓力及車速判定AGS開閉狀態(tài)對整車能耗的影響，以確保整車能耗最優(yōu)。在“低溫”環(huán)境下，由于純電動熱泵車型需要從高壓系統(tǒng)回路回收熱量，在確保整車熱管理系統(tǒng)工作正常和AGS產(chǎn)品低溫環(huán)境下運行可靠性的前提下應盡量保證AGS格柵關閉。33AGS對整車能耗貢獻分析為了驗證AGS匹配程序?qū)冸妱訜岜密囆湍芎牡呢暙I，分別進行常溫30℃、低溫-7℃,及超低溫-30℃的世界輕型汽車測試循環(huán)（WorldwideHarmonizedLightVehiclesTestCycle，WLTC）續(xù)駛工況試驗。3.1常溫環(huán)境開空調(diào)AGS能耗貢獻量為研究客戶在使用空調(diào)過程中AGS對整車能耗的貢獻量，選用同臺純電動熱泵轎車車型在環(huán)境艙進行AGS常開與AGS匹配程序兩組整車能耗對比試驗。兩組試驗環(huán)境艙溫度均設置為30℃,參考GB/T18386.1—2021《電動汽車能量消耗量和續(xù)駛里程試驗方法》標準［12］進行試驗，空調(diào)設置為自動空調(diào)24℃內(nèi)循環(huán)吹面模式，路譜為WLTC循環(huán)工況，行駛過程中外接功率計對電池包功率、壓縮機功率、DC/DC轉(zhuǎn)換器功率進行實時采集。常溫開空調(diào)主要影響整車行車能耗及整車熱管理能耗。由于常溫下AGS格柵條會隨車速變化頻繁開閉，AGS對驅(qū)動能耗的貢獻量小，采用滑行曲線計算能耗誤差較大。因此，在對整車能耗進行分析時，AGS節(jié)省驅(qū)動能耗的計算需要先篩選AGS關閉的車速數(shù)據(jù)，再將AGS對整車空氣阻力的貢獻量對時間積分計算求得，AGS增加熱管理能耗則通過功率計實時采集。圖10中，AGS開啟狀態(tài)數(shù)值為0代表AGS打開，數(shù)值1代表AGS關閉。當AGS關閉時，表明AGS關閉所節(jié)省的驅(qū)動能耗高于AGS關閉所增加的熱管理能耗，經(jīng)計算環(huán)境溫度30℃WLTC循環(huán)工況下，AGS關閉時長占行車總時長的46%。圖10環(huán)境溫度30℃（開空調(diào)）WLTC工況AGS開閉狀態(tài)30℃環(huán)境溫度下，AGS匹配程序雖然導致整車熱管理能耗增加了0.32%，但驅(qū)動能耗節(jié)省量高于熱管理系統(tǒng)能耗增量，整車綜合能耗降低1.3%。表130℃開空調(diào)時AGS對整車能耗貢獻驅(qū)動能耗熱管理能耗整車能耗增加/減少百分比↓1.62%↑0.32%↓1.3%3.2低溫環(huán)境開空調(diào)AGS能耗貢獻量環(huán)境溫度-7℃時，AGS處于常閉狀態(tài)。分別在低溫艙進行AGS常開和AGS策略控制下常閉的低溫能耗試驗。環(huán)境艙溫度維持在-7℃,兩次試驗整車起始狀態(tài)保持一致，滑行曲線基于常溫環(huán)境下AGS分別處于開啟和關閉狀態(tài)時的道路滑行試驗曲線（圖11依據(jù)GB/T18386.1—2021標準中的定義：常溫行駛阻力滑行時間減少10%所得到的阻力作為設定替代的道路行駛阻力，約為常溫道阻的1.1倍。試驗過程中空調(diào)設置為自動空調(diào)21℃外循環(huán)吹腳模式，路譜仍為WLTC標準循環(huán)工況，行駛過程中外接功率計對電控功率、壓縮機功率、電池輸出功率（整車耗電）實時采集。圖1123℃整車道路滑行阻力曲線圖12為-7℃低溫能耗試驗高壓系統(tǒng)溫度變化曲線。由圖可知，AGS關閉會減少高壓回路熱損失，相比AGS開啟時板式換熱器（圖1編號15）入口水溫可上升1～3℃左右，電驅(qū)動總成表面溫度可上升2～3.8℃,電機繞組溫度可上升1～4℃。表2為-7℃熱泵車型AGS匹配程序相較AGS常開對整車能耗的貢獻量。試驗對比表明：-7℃環(huán)境溫度下AGS匹配程序使整車驅(qū)動能耗及熱管理能耗分別降低了0.91%及2.85%，整車綜合能耗降低了3.76%。圖12-7℃高壓系統(tǒng)溫度變化曲線表2-7℃開空調(diào)時AGS對整車能耗貢獻驅(qū)動能耗熱管理能耗整車能耗增加/減少百分比↓0.91%↓2.85%↓3.76%3.3超低溫環(huán)境下開空調(diào)AGS能耗貢獻量為了充分驗證AGS控制策略對純電動熱泵車型超低溫環(huán)境下的影響，分別在低溫環(huán)境艙內(nèi)進行了AGS常開和AGS策略控制下常閉的超低溫能耗試驗，環(huán)境艙溫度維持在-30℃,兩次試驗車輛起始狀態(tài)保持一致，空調(diào)設置為自動空調(diào)21℃外循環(huán)吹腳模式，滑行曲線基于常溫環(huán)境下AGS分別處于開啟和關閉狀態(tài)時的道路滑行試驗曲線（圖溫23℃與低溫-30℃下的空氣密度變化比例進行等比例1.2倍處理。路譜為WLTC標準循環(huán)工況，行駛過程中外接功率計對電控功率、壓縮機功率、電池輸出功率（整車耗電）實時采集。表3為-30℃熱泵車型AGS匹配程序相較AGS常開對整車能耗的貢獻量。試驗對比表明：-30℃環(huán)境溫度下AGS關閉提高板換入水口溫度（同圖13減少行車過程中電機啟動“余熱補償”模式9.52%，熱管理能耗降低0.33%，整車綜合能耗降表3-30℃開空調(diào)時AGS對整車能耗貢獻驅(qū)動能耗熱管理能耗整車能耗增加/減少百分比↓9.52%↓0.33%↓9.85%44結論本文從整車熱管理、動力性、經(jīng)濟性、可靠性等多學科角度出發(fā)，綜合考慮環(huán)境溫度、車速、空調(diào)高壓及各系統(tǒng)散熱參數(shù)，提出了一種純電動熱泵車型AGS策略開發(fā)流程及架構平臺，并基于某款熱泵車型進行AGS控制策略匹配及整車能耗試驗，結果表明：1）基于該架構平臺匹配的AGS控制策略經(jīng)實車驗證具有較好的節(jié)能效果，可實現(xiàn)純電動熱泵車型AGS程序開發(fā)及平臺化推廣應用。2）低溫環(huán)境下該控制策略可減少電機“余熱補償”工作時間占比，提高熱泵系統(tǒng)余熱回收效率，提高整車低溫續(xù)駛里程。參考文獻（References）［1］ANDREASKREMHELLER.TheAerodynamicsDevelop-mentoftheNewNissanQashqai［C］//SAETechnical［2］EL-SHARKAWYAE，KAMRADJC，LOUNSBERRYTH，etal.EvaluationofImpactofActiveGrilleShutteronVehicleThermalManagement［C］//SAETechnical［3］JAMAH，WATKINSS，DIXONC.ReducedDragandAdequateCoolingforPassengerVehiclesUsingVariable［4］NATARAJANS，MIRZABEYGIP.ImpactofActive-(c)1994-2023chinaAcademicJournalElectronicpublishingHouse.GrilleShutterPositiononVehicleAir-ConditioningSystemPerformanceandEnergyConsumptioninRealWorldCondition