基于主動進氣格柵的熱泵空調系統能耗控制策略

趙家威　羅英哲　李明霞　岳敏　王瑾

【摘要】為了降低熱泵空調系統的能耗，針對車速、進氣格柵開口面積等不同參數，以匹配主動進氣格柵（AGS）電動汽車的熱泵空調系統為研究對象，開發了一種熱泵空調熱管理系統及能耗控制策略，仿真計算高、低溫環境和不同AGS開度條件下的系統能耗，并采用實車環境艙標定方法分析了-7 ℃低溫和35 ℃高溫環境不同AGS開度下空調系統及風阻能耗實測值差異。試驗結果表明：高溫和低溫環境下，AGS開度越大，風阻能耗越高，但空調與風阻綜合能耗越低；AGS開度增大相同數值時，高溫條件下的能耗貢獻量大于低溫條件下的能耗貢獻量。

主題詞：電動汽車 熱管理 主動進氣格柵 熱泵空調

中圖分類號：U463? ?文獻標志碼：A? ?DOI： 10.19620/j.cnki.1000-3703.20230978

Energy Consumption Control Strategy of Heat Pump Air Conditioning System Based on Active Grille Shutter

【Abstract】In order to reduce the energy consumption of heat pump air conditioning systems， take the heat pump air conditioning system matching Active Grille Shutter （AGS） thermal management system of electric vehicles as the research object， a heat pump air conditioning thermal management system and energy consumption control strategy are developed based on various parameters including vehicle speed and intake grille opening area. The energy consumption values of the system are simulated and calculated for different AGS openings in high and low temperature environments. Using the calibration method in the actual vehicle cabin environment， this paper analyzes the variations in measured values of air conditioning systems and wind resistance energy consumption for AGS openings in low temperatures of -7 ℃ and high temperatures of 35 ℃. The experimental results show that in high and low temperature environments， the larger the AGS opening， the higher the wind resistance energy consumption value， whereas the lower the comprehensive energy consumption value of air conditioning and wind resistance. When the AGS opening increases by the same value， the impact on energy consumption at high temperatures is greater than that at low temperatures.

Key words： Electric vehicle， Thermal management， Active Grille Shutter （AGS）， Heat pump air-conditioner

1 前言

隨著電動汽車保有量持續增長，電動汽車主動進氣格柵（Active Grille Shutter，AGS）作為車輛發動機艙前端開口的可控制調節裝置，其結構與開閉狀態影響整車能耗，因而受到廣泛關注。進氣格柵開口狀態變化影響發動機艙進風氣流的方向和流量，從而引起整車冷卻系統中有效迎風面積、內部流場等的變化，進而影響氣動阻力[1-2]。

在發動機艙熱管理及進氣格柵研究中，采用三維計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真和熱管理性能一維仿真方法，分析空調、冷卻系統以及動力系統的工作能耗[3-4]。劉頔[5]使用能量流方法研究電動汽車的低溫能耗，但未細化空調系統能耗；劉傳波[6]等在新歐洲駕駛循環（New European Driving Cycle，NEDC）工況下，通過實車驗證了格柵角度與風扇轉速對前艙流場的影響；王升山[7]等分析了AGS的控制邏輯，探討不同標定工況與整車油耗的關系，但僅考慮AGS的開閉狀態，缺少進一步驗證。

現有AGS研究多集中于結構及開閉狀態對熱管理性能的影響，缺乏不同開度對能耗影響的研究。本文基于匹配熱泵空調的純電動汽車，開展不同AGS開度與熱管理系統聯合控制策略仿真，并進行高、低溫環境熱泵空調能耗標定驗證。

2 熱泵空調系統集成AGS開發研究

汽車在行駛過程中需要克服輪胎滑行阻力和空氣阻力，AGS開口對汽車風阻系數Cd影響顯著，風阻系數Cd與汽車空氣阻力的關系為：

Fw=ρv2ACd/2 （1）

式中：ρ為空氣密度，v為車速，A為整車正面投影面積。

熱泵空調的熱管理原理如圖1所示，空調制冷循環冷媒依次經過壓縮機、開關閥、節流閥、車外換熱器換熱后，根據車內制冷需求通過暖通空調系統（Heating， Ventilation， Air-Conditioning and Cooling，HVAC）的蒸發器蒸發制冷，以及根據電池冷卻需求通過電池節流閥節流后經過電池換熱器，最后匯流經過氣液分離器，回到壓縮機。其中，6號節流閥與12號節流閥并行獨立，冷媒通過6號節流閥和HVAC蒸發器，實現乘員艙降溫；通過電池包的12號節流閥和電池換熱器實現電池冷卻。因此，制冷模式路線分別為1→2→4→5→6→7→8→1與1→2→4→5→12→13→8→1。

熱泵制熱循環冷媒依次經過壓縮機、節流閥和內置冷凝器、節流閥和車外換熱器、開關閥、氣液分離器，最后回到壓縮機，從而實現乘員艙的采暖，即制熱模式路線為1→10→11→4→5→9→8→1。

熱泵空調系統夏季制冷、冬季取暖均需通過換熱器與外界換熱，達到系統平衡。熱管理系統AGS控制邏輯如圖2所示，空調熱管理系統通過車速、風扇轉速、AGS開度三者產生的有效進氣風量進行散熱換熱，同時對系統運行壓力、水溫和風扇轉速、功耗的運行結果進行反饋，實時修正，使系統平衡、能耗最低。

AGS開度與風扇換熱風量是保證系統換熱器低能耗、高效換熱的關鍵。調節AGS開口，在降低空調系統壓力、能耗的同時，可降低冷卻風扇轉速、功率。夏季高溫工況，關閉AGS會導致冷卻系統性能不足，高壓動力部件過溫及空調壓力過高保護；冬季低溫工況，關閉AGS，電機水溫升高，產生的余熱能夠降低水冷式熱泵空調系統能耗。

3 基于AGS的空調能耗仿真

為分析AGS開度對熱管理系統、空調系統及風阻能耗的貢獻度，通過CFD仿真計算不同AGS開度的空氣進氣流量及風阻系數，對35 ℃高溫與-7 ℃低溫環境下熱泵空調的換熱進行Simulink一維系統仿真策略開發。

根據熱泵空調熱管理原理，建立熱泵空調系統Simulink模型。在系統中輸入壓縮機、外部換熱器、內置冷凝器、蒸發器、電池換熱器等零件對應的參數及換熱效率，冷媒循環仿真根據制冷劑壓焓關系形成換熱鏈路。同時，建立外部換熱器和內置冷凝器、蒸發器與空氣風側的換熱模型以及電池換熱器與冷卻液水側換熱模型，熱泵空調冷媒側的換熱量等于換熱器對應的風側換熱量與水側循環換熱量之和，達到系統熱力學平衡。

前端換熱器三維仿真模型如圖3所示，空氣依次通過AGS進氣格柵、外部換熱器、低溫散熱器、冷卻風扇，根據三維模型計算不同車速、冷卻風扇轉速的有效進氣風量，將有效冷卻風量與空調系統的仿真模型中換熱需求形成閉環。

AGS熱管理系統仿真輸入參數、系統運行參數及能耗控制綜合最優結果是本文研究的重點?；跓岜每照{仿真模型，輸入熱管理空調仿真參數，包括環境溫度、車內空調溫度、AGS開度（對應整車風阻系數）、冷卻風扇轉速、壓縮機轉速，輸出空調系統壓力、壓縮機能耗、風扇功率等數據。

根據行業經驗，夏季空調系統的冷媒高壓范圍為1.5～2.0 MPa，冬季熱泵冷媒低壓范圍為0.1～0.2 MPa，電機水溫≤65 ℃，需根據系統綜合能耗調節AGS開度。

3.1 高溫環境集成AGS的空調系統能耗仿真

在35 ℃高溫環境下，為滿足車內空調溫度達到22 ℃，對不同AGS開度的空調系統運行參數仿真，結果如圖4所示。

高溫工況下，車內空調達到22 ℃，車速為80 km/h，車內空調系統及風阻仿真能耗結果如表1所示。當AGS開度從84%降低至48%時，為補償格柵開口降低所致有效進氣量降低，冷卻風扇轉速及功率上升。同時，空調系統外部換熱器的風側換熱量減小，為維持車內空調溫度不變，外換熱器的工作壓力為1.5～2.0 MPa，空調壓力及壓縮機功率上升，且電動壓縮機的壓縮比增加，效率下降，此時空調能耗增加。當AGS開度由48%增大至72%時，格柵有效進氣量及外部換熱器的換熱量增加，冷卻風扇的功率及壓縮機功耗降低，此時空調能耗降低。

當AGS開度為48%時，風阻系數降低，格柵自然進風量減小，此時風阻能耗相對較低。為提升前端進風量，冷卻風扇轉速提高，但有效進風量相對較低，外部冷凝器風側有效換熱量降低，因而空調壓縮機制冷系統壓力增加，壓縮機、空調能耗升高。當AGS開度為84%時，風阻系數升高，格柵自然進風量最大，此時冷卻風扇轉速降低，外部換熱器風側換熱效率高，因而空調壓縮機制冷系統壓力降低，蒸發器溫度低，空調系統換熱效率高，能耗相對最低。

84%開度風阻能耗相對最高，但綜合能耗相對最低。對比AGS開度為48%、72%、84%的能耗，可以認為高溫環境下提高AGS開度，有利于空調系統換熱。

3.2 低溫環境集成AGS的熱泵空調能耗仿真

在-7 ℃低溫環境下，滿足車內空調溫度達到22 ℃，對不同AGS開度的空調系統運行參數進行仿真，結果如圖5所示。

低溫工況下，車內空調達到22 ℃，車速為80 km/h，車內空調系統及風阻仿真能耗結果如表2所示。當AGS開度從72%降低至36%時，隨著格柵開口與風扇的綜合進氣量降低，冷卻風扇轉速、空調壓力及壓縮機功率上升，熱泵空調系統外部冷凝器的風側換熱量略有減小，換熱效率下降。為保持車內熱泵空調溫度不變，外冷凝器的工作壓力為0.1～0.2 MPa，電動壓縮機的壓縮比增加，效率下降，空調能耗增加。同理，AGS開度從36%提升至60%時，空調能耗增加。

隨著AGS開度提升，前端格柵自然進氣量增加，雖然冷卻風扇功率降低，但總體進氣量高，前端熱泵換熱器換熱效率高，空調系統功耗降低。對比AGS開度為36%、60%、72%時的能耗，可認為AGS開度越大，綜合能耗越低。

4 實車驗證及結果分析

在高、低溫環境下，滿足車內空調溫度達到22 ℃，分別對速度為80 km/h高速工況和0～50 km/h市區即走即停工況開展標定試驗，將仿真參數輸入MATLAB中，對不同AGS開度進行實車標定驗證，以30 min熱管理系統壓力穩定為標準，判斷提取AGS開度參數。

實車測試的空調系統參數運行中，根據綜合能耗衡量選擇AGS開度。與仿真能耗不同，實測工況需考慮空調鼓風機的實際能耗，空調系統能耗較仿真結果略有提升。

4.1 高溫環境AGS空調能耗標定試驗

高溫高速工況下，使用不同AGS開度開展實車系統能耗標定試驗，結果如表3所示。

與仿真能耗相比，AGS開度為84%時，去除鼓風機功率的空調系統及風阻實車能耗為1 043 W，實測與仿真能耗結果誤差僅為0.8%，表明實測與仿真結果基本相符，此時綜合能耗的功率實測值與仿真計算值最低。

高溫市區工況下，AGS開度標定實車系統能耗試驗結果如表4所示。相較于高速工況，市區工況風速低且前端自然進風量小，因此風阻能耗降低。AGS開度為84%時，由于有效總風量減小，前端換熱器效率降低，空調系統的能耗增加51 W，冷卻風扇及鼓風機功率差異較小，市區工況的綜合能耗低于高速工況。

綜上，高溫高速和市區工況下，不同AGS開度的綜合能耗趨勢一致，即AGS開度增加，綜合能耗降低。

4.2 低溫環境AGS熱泵空調能耗標定試驗

低溫高速工況下，不同AGS開度熱泵空調系統及能耗試驗結果如表5所示。AGS開度為72%時，空調系統及風阻實車能耗為773 W，實測與仿真功率誤差僅為0.3%，可忽略不計；AGS開度為60%時，去除鼓風機的實測綜合能耗為794 W，實測與仿真功率誤差為1%。在誤差范圍內，實測與仿真結果基本相符。

低溫市區工況下，不同AGS開度熱泵空調系統及能耗試驗結果如表6所示。結果表明，AGS開度為72%時，空調系統及風阻綜合能耗處于最低，與高速工況能耗趨勢相同。因此，低溫高速與市區工況下，AGS開度越大，綜合耗能越低。

4.3 高低溫環境AGS綜合能耗關系分析

將表3～表6的AGS開度與整車能耗數據擬合為多項式：

P1=-0.043 5x2-0.65x+1 650 （1）

P2=-0.024 5x2+1.65x+972 （2）

式中：P1、P2分別為35 ℃高溫環境與-7 ℃低溫環境中AGS開度整車綜合能耗，x為AGS開度。

根據公式的二次項系數，綜合能耗與AGS開度呈現負相關，即開度越大，能耗越低。式（1）的系數大于式（2），因此，AGS增加相同的開度，35 ℃高溫環境綜合能耗貢獻相對更大，表明高溫環境更利于整車續航。

綜上所述，高、低溫環境下，AGS開度越大，綜合能耗越低；降低相同AGS開度下，高溫環境對降低能耗的貢獻更高。

5 結束語

本文從整車熱管理、空氣動力學、能耗等多維度出發，綜合考慮環境溫度、空調溫度、AGS風阻等關聯參數，開發集成AGS多開度熱泵空調系統控制策略，進行AGS控制策略標定及能耗試驗驗證，結果表明，該策略節能效果較好。未來，將豐富全季節的標定環境，進一步提升整車全過程工況的續駛里程。

參 考 文 獻

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