基于主動(dòng)進(jìn)氣格柵的熱泵空調(diào)系統(tǒng)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(diào)系統(tǒng)的能耗，針對(duì)車速、進(jìn)氣格柵開口面積等不同參數(shù)，以匹配主動(dòng)進(jìn)氣格柵（AGS）電動(dòng)汽車的熱泵空調(diào)系統(tǒng)為研究對(duì)象，開發(fā)了一種熱泵空調(diào)熱管理系統(tǒng)及能耗控制策略，仿真計(jì)算高、低溫環(huán)境和不同AGS開度條件下的系統(tǒng)能耗，并采用實(shí)車環(huán)境艙標(biāo)定方法分析了-7 ℃低溫和35 ℃高溫環(huán)境不同AGS開度下空調(diào)系統(tǒng)及風(fēng)阻能耗實(shí)測(cè)值差異。試驗(yàn)結(jié)果表明：高溫和低溫環(huán)境下，AGS開度越大，風(fēng)阻能耗越高，但空調(diào)與風(fēng)阻綜合能耗越低；AGS開度增大相同數(shù)值時(shí)，高溫條件下的能耗貢獻(xiàn)量大于低溫條件下的能耗貢獻(xiàn)量。

主題詞：電動(dòng)汽車 熱管理 主動(dòng)進(jìn)氣格柵 熱泵空調(diào)

中圖分類號(hào)：U463? ?文獻(xiàn)標(biāo)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(dòng)汽車保有量持續(xù)增長(zhǎng)，電動(dòng)汽車主動(dòng)進(jìn)氣格柵（Active Grille Shutter，AGS）作為車輛發(fā)動(dòng)機(jī)艙前端開口的可控制調(diào)節(jié)裝置，其結(jié)構(gòu)與開閉狀態(tài)影響整車能耗，因而受到廣泛關(guān)注。進(jìn)氣格柵開口狀態(tài)變化影響發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)風(fēng)氣流的方向和流量，從而引起整車?yán)鋮s系統(tǒng)中有效迎風(fēng)面積、內(nèi)部流場(chǎng)等的變化，進(jìn)而影響氣動(dòng)阻力[1-2]。

在發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理及進(jìn)氣格柵研究中，采用三維計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真和熱管理性能一維仿真方法，分析空調(diào)、冷卻系統(tǒng)以及動(dòng)力系統(tǒng)的工作能耗[3-4]。劉頔[5]使用能量流方法研究電動(dòng)汽車的低溫能耗，但未細(xì)化空調(diào)系統(tǒng)能耗；劉傳波[6]等在新歐洲駕駛循環(huán)（New European Driving Cycle，NEDC）工況下，通過實(shí)車驗(yàn)證了格柵角度與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對(duì)前艙流場(chǎng)的影響；王升山[7]等分析了AGS的控制邏輯，探討不同標(biāo)定工況與整車油耗的關(guān)系，但僅考慮AGS的開閉狀態(tài)，缺少進(jìn)一步驗(yàn)證。

現(xiàn)有AGS研究多集中于結(jié)構(gòu)及開閉狀態(tài)對(duì)熱管理性能的影響，缺乏不同開度對(duì)能耗影響的研究。本文基于匹配熱泵空調(diào)的純電動(dòng)汽車，開展不同AGS開度與熱管理系統(tǒng)聯(lián)合控制策略仿真，并進(jìn)行高、低溫環(huán)境熱泵空調(diào)能耗標(biāo)定驗(yàn)證。

2 熱泵空調(diào)系統(tǒng)集成AGS開發(fā)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(duì)汽車風(fēng)阻系數(shù)Cd影響顯著，風(fēng)阻系數(shù)Cd與汽車空氣阻力的關(guān)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(diào)的熱管理原理如圖1所示，空調(diào)制冷循環(huán)冷媒依次經(jīng)過壓縮機(jī)、開關(guān)閥、節(jié)流閥、車外換熱器換熱后，根據(jù)車內(nèi)制冷需求通過暖通空調(diào)系統(tǒng)（Heating， Ventilation， Air-Conditioning and Cooling，HVAC）的蒸發(fā)器蒸發(fā)制冷，以及根據(jù)電池冷卻需求通過電池節(jié)流閥節(jié)流后經(jīng)過電池?fù)Q熱器，最后匯流經(jīng)過氣液分離器，回到壓縮機(jī)。其中，6號(hào)節(jié)流閥與12號(hào)節(jié)流閥并行獨(dú)立，冷媒通過6號(hào)節(jié)流閥和HVAC蒸發(fā)器，實(shí)現(xiàn)乘員艙降溫；通過電池包的12號(hào)節(jié)流閥和電池?fù)Q熱器實(shí)現(xiàn)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(huán)冷媒依次經(jīng)過壓縮機(jī)、節(jié)流閥和內(nèi)置冷凝器、節(jié)流閥和車外換熱器、開關(guān)閥、氣液分離器，最后回到壓縮機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)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(diào)系統(tǒng)夏季制冷、冬季取暖均需通過換熱器與外界換熱，達(dá)到系統(tǒng)平衡。熱管理系統(tǒng)AGS控制邏輯如圖2所示，空調(diào)熱管理系統(tǒng)通過車速、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、AGS開度三者產(chǎn)生的有效進(jìn)氣風(fēng)量進(jìn)行散熱換熱，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行壓力、水溫和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、功耗的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行反饋，實(shí)時(shí)修正，使系統(tǒng)平衡、能耗最低。

AGS開度與風(fēng)扇換熱風(fēng)量是保證系統(tǒng)換熱器低能耗、高效換熱的關(guān)鍵。調(diào)節(jié)AGS開口，在降低空調(diào)系統(tǒng)壓力、能耗的同時(shí)，可降低冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、功率。夏季高溫工況，關(guān)閉AGS會(huì)導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)性能不足，高壓動(dòng)力部件過溫及空調(diào)壓力過高保護(hù)；冬季低溫工況，關(guān)閉AGS，電機(jī)水溫升高，產(chǎn)生的余熱能夠降低水冷式熱泵空調(diào)系統(tǒng)能耗。

3 基于AGS的空調(diào)能耗仿真

為分析AGS開度對(duì)熱管理系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)及風(fēng)阻能耗的貢獻(xiàn)度，通過CFD仿真計(jì)算不同AGS開度的空氣進(jìn)氣流量及風(fēng)阻系數(shù)，對(duì)35 ℃高溫與-7 ℃低溫環(huán)境下熱泵空調(diào)的換熱進(jìn)行Simulink一維系統(tǒng)仿真策略開發(fā)。

根據(jù)熱泵空調(diào)熱管理原理，建立熱泵空調(diào)系統(tǒng)Simulink模型。在系統(tǒng)中輸入壓縮機(jī)、外部換熱器、內(nèi)置冷凝器、蒸發(fā)器、電池?fù)Q熱器等零件對(duì)應(yīng)的參數(shù)及換熱效率，冷媒循環(huán)仿真根據(jù)制冷劑壓焓關(guān)系形成換熱鏈路。同時(shí)，建立外部換熱器和內(nèi)置冷凝器、蒸發(fā)器與空氣風(fēng)側(cè)的換熱模型以及電池?fù)Q熱器與冷卻液水側(cè)換熱模型，熱泵空調(diào)冷媒側(cè)的換熱量等于換熱器對(duì)應(yīng)的風(fēng)側(cè)換熱量與水側(cè)循環(huán)換熱量之和，達(dá)到系統(tǒng)熱力學(xué)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(jìn)氣格柵、外部換熱器、低溫散熱器、冷卻風(fēng)扇，根據(jù)三維模型計(jì)算不同車速、冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的有效進(jìn)氣風(fēng)量，將有效冷卻風(fēng)量與空調(diào)系統(tǒng)的仿真模型中換熱需求形成閉環(huán)。

AGS熱管理系統(tǒng)仿真輸入?yún)?shù)、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)及能耗控制綜合最優(yōu)結(jié)果是本文研究的重點(diǎn)。基于熱泵空調(diào)仿真模型，輸入熱管理空調(diào)仿真參數(shù)，包括環(huán)境溫度、車內(nèi)空調(diào)溫度、AGS開度（對(duì)應(yīng)整車風(fēng)阻系數(shù)）、冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，輸出空調(diào)系統(tǒng)壓力、壓縮機(jī)能耗、風(fēng)扇功率等數(shù)據(jù)。

根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，夏季空調(diào)系統(tǒng)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(jī)水溫≤65 ℃，需根據(jù)系統(tǒng)綜合能耗調(diào)節(jié)AGS開度。

3.1 高溫環(huán)境集成AGS的空調(diào)系統(tǒng)能耗仿真

在35 ℃高溫環(huán)境下，為滿足車內(nèi)空調(diào)溫度達(dá)到22 ℃，對(duì)不同AGS開度的空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)仿真，結(jié)果如圖4所示。

高溫工況下，車內(nèi)空調(diào)達(dá)到22 ℃，車速為80 km/h，車內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)及風(fēng)阻仿真能耗結(jié)果如表1所示。當(dāng)AGS開度從84%降低至48%時(shí)，為補(bǔ)償格柵開口降低所致有效進(jìn)氣量降低，冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速及功率上升。同時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)外部換熱器的風(fēng)側(cè)換熱量減小，為維持車內(nèi)空調(diào)溫度不變，外換熱器的工作壓力為1.5～2.0 MPa，空調(diào)壓力及壓縮機(jī)功率上升，且電動(dòng)壓縮機(jī)的壓縮比增加，效率下降，此時(shí)空調(diào)能耗增加。當(dāng)AGS開度由48%增大至72%時(shí)，格柵有效進(jìn)氣量及外部換熱器的換熱量增加，冷卻風(fēng)扇的功率及壓縮機(jī)功耗降低，此時(shí)空調(diào)能耗降低。

當(dāng)AGS開度為48%時(shí)，風(fēng)阻系數(shù)降低，格柵自然進(jìn)風(fēng)量減小，此時(shí)風(fēng)阻能耗相對(duì)較低。為提升前端進(jìn)風(fēng)量，冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速提高，但有效進(jìn)風(fēng)量相對(duì)較低，外部冷凝器風(fēng)側(cè)有效換熱量降低，因而空調(diào)壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)壓力增加，壓縮機(jī)、空調(diào)能耗升高。當(dāng)AGS開度為84%時(shí)，風(fēng)阻系數(shù)升高，格柵自然進(jìn)風(fēng)量最大，此時(shí)冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速降低，外部換熱器風(fēng)側(cè)換熱效率高，因而空調(diào)壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)壓力降低，蒸發(fā)器溫度低，空調(diào)系統(tǒng)換熱效率高，能耗相對(duì)最低。

84%開度風(fēng)阻能耗相對(duì)最高，但綜合能耗相對(duì)最低。對(duì)比AGS開度為48%、72%、84%的能耗，可以認(rèn)為高溫環(huán)境下提高AGS開度，有利于空調(diào)系統(tǒng)換熱。

3.2 低溫環(huán)境集成AGS的熱泵空調(diào)能耗仿真

在-7 ℃低溫環(huán)境下，滿足車內(nèi)空調(diào)溫度達(dá)到22 ℃，對(duì)不同AGS開度的空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5所示。

低溫工況下，車內(nèi)空調(diào)達(dá)到22 ℃，車速為80 km/h，車內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)及風(fēng)阻仿真能耗結(jié)果如表2所示。當(dāng)AGS開度從72%降低至36%時(shí)，隨著格柵開口與風(fēng)扇的綜合進(jìn)氣量降低，冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、空調(diào)壓力及壓縮機(jī)功率上升，熱泵空調(diào)系統(tǒng)外部冷凝器的風(fēng)側(cè)換熱量略有減小，換熱效率下降。為保持車內(nèi)熱泵空調(diào)溫度不變，外冷凝器的工作壓力為0.1～0.2 MPa，電動(dòng)壓縮機(jī)的壓縮比增加，效率下降，空調(diào)能耗增加。同理，AGS開度從36%提升至60%時(shí)，空調(diào)能耗增加。

隨著AGS開度提升，前端格柵自然進(jìn)氣量增加，雖然冷卻風(fēng)扇功率降低，但總體進(jìn)氣量高，前端熱泵換熱器換熱效率高，空調(diào)系統(tǒng)功耗降低。對(duì)比AGS開度為36%、60%、72%時(shí)的能耗，可認(rèn)為AGS開度越大，綜合能耗越低。

4 實(shí)車驗(yàn)證及結(jié)果分析

在高、低溫環(huán)境下，滿足車內(nèi)空調(diào)溫度達(dá)到22 ℃，分別對(duì)速度為80 km/h高速工況和0～50 km/h市區(qū)即走即停工況開展標(biāo)定試驗(yàn)，將仿真參數(shù)輸入MATLAB中，對(duì)不同AGS開度進(jìn)行實(shí)車標(biāo)定驗(yàn)證，以30 min熱管理系統(tǒng)壓力穩(wěn)定為標(biāo)準(zhǔn)，判斷提取AGS開度參數(shù)。

實(shí)車測(cè)試的空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)運(yùn)行中，根據(jù)綜合能耗衡量選擇AGS開度。與仿真能耗不同，實(shí)測(cè)工況需考慮空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)的實(shí)際能耗，空調(diào)系統(tǒng)能耗較仿真結(jié)果略有提升。

4.1 高溫環(huán)境AGS空調(diào)能耗標(biāo)定試驗(yàn)

高溫高速工況下，使用不同AGS開度開展實(shí)車系統(tǒng)能耗標(biāo)定試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

與仿真能耗相比，AGS開度為84%時(shí)，去除鼓風(fēng)機(jī)功率的空調(diào)系統(tǒng)及風(fēng)阻實(shí)車能耗為1 043 W，實(shí)測(cè)與仿真能耗結(jié)果誤差僅為0.8%，表明實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果基本相符，此時(shí)綜合能耗的功率實(shí)測(cè)值與仿真計(jì)算值最低。

高溫市區(qū)工況下，AGS開度標(biāo)定實(shí)車系統(tǒng)能耗試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。相較于高速工況，市區(qū)工況風(fēng)速低且前端自然進(jìn)風(fēng)量小，因此風(fēng)阻能耗降低。AGS開度為84%時(shí)，由于有效總風(fēng)量減小，前端換熱器效率降低，空調(diào)系統(tǒng)的能耗增加51 W，冷卻風(fēng)扇及鼓風(fēng)機(jī)功率差異較小，市區(qū)工況的綜合能耗低于高速工況。

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

4.2 低溫環(huán)境AGS熱泵空調(diào)能耗標(biāo)定試驗(yàn)

低溫高速工況下，不同AGS開度熱泵空調(diào)系統(tǒng)及能耗試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。AGS開度為72%時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)及風(fēng)阻實(shí)車能耗為773 W，實(shí)測(cè)與仿真功率誤差僅為0.3%，可忽略不計(jì)；AGS開度為60%時(shí)，去除鼓風(fēng)機(jī)的實(shí)測(cè)綜合能耗為794 W，實(shí)測(cè)與仿真功率誤差為1%。在誤差范圍內(nèi)，實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果基本相符。

低溫市區(qū)工況下，不同AGS開度熱泵空調(diào)系統(tǒng)及能耗試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。結(jié)果表明，AGS開度為72%時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)及風(fēng)阻綜合能耗處于最低，與高速工況能耗趨勢(shì)相同。因此，低溫高速與市區(qū)工況下，AGS開度越大，綜合耗能越低。

4.3 高低溫環(huán)境AGS綜合能耗關(guān)系分析

將表3～表6的AGS開度與整車能耗數(shù)據(jù)擬合為多項(xiàng)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(huán)境與-7 ℃低溫環(huán)境中AGS開度整車綜合能耗，x為AGS開度。

根據(jù)公式的二次項(xiàng)系數(shù)，綜合能耗與AGS開度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，即開度越大，能耗越低。式（1）的系數(shù)大于式（2），因此，AGS增加相同的開度，35 ℃高溫環(huán)境綜合能耗貢獻(xiàn)相對(duì)更大，表明高溫環(huán)境更利于整車?yán)m(xù)航。

綜上所述，高、低溫環(huán)境下，AGS開度越大，綜合能耗越低；降低相同AGS開度下，高溫環(huán)境對(duì)降低能耗的貢獻(xiàn)更高。

5 結(jié)束語

本文從整車熱管理、空氣動(dòng)力學(xué)、能耗等多維度出發(fā)，綜合考慮環(huán)境溫度、空調(diào)溫度、AGS風(fēng)阻等關(guān)聯(lián)參數(shù)，開發(fā)集成AGS多開度熱泵空調(diào)系統(tǒng)控制策略，進(jìn)行AGS控制策略標(biāo)定及能耗試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，該策略節(jié)能效果較好。未來，將豐富全季節(jié)的標(biāo)定環(huán)境，進(jìn)一步提升整車全過程工況的續(xù)駛里程。

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