增程新能源車外顯式主動進氣格柵系統設計開發

戢健 張超 饒勰 秦信武 樊樹軍

摘? 要：主動進氣格柵對于整車提升熱管控效率與降低風阻貢獻顯著，尤其是新能源車型無上格柵造型趨勢下進風需求更加難以達成，因此國內外的車企都在做有關技術研究。介紹一種增程新能源汽車外顯式主動進氣格柵的設計開發過程，包含了性能指標與功能定義、材料的選定與電機的選型、系統布置、結構拓撲優化設計，有效規避塑料結構本身注塑特性而產生的外觀缺陷，對主動格柵葉片開啟角度優化設計與控制策略設計。通過CAE分析結果與試驗結果進行對比，驗證產品的可靠性，為整車節能減排與無上格柵造型需要提供一種新的解決方案。

關鍵詞：拓撲優化；外顯式；主動進氣格柵；設計

中圖分類號：U467? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1005-2550（2023）02-0014-08

Design and Development of Explicit Active Grille System

JI Jian1， ZHANG Chao2， RAO Xie1， QIN Xin-wu1， FAN Shu-jun1

（1. Technology Center of Dongfeng Motor Group Co. LTD， Wuhan 430056， China；

2. Dongfeng Peugeot Citroen Automobile Co. LTD， Wuhan 430056， China）

Abstract： Active grille system contributes significantly to the improvement of thermal management efficiency and reduction of wind resistance of the whole vehicle， especially under the trend of new energy car styling without upper grille， it is more difficult to meet the air intake demand， so domestic and foreign vehicle enterprises are doing relevant technical research. The design and development process of an extended range new energy vehicles explicit active air intake grille was introduced， including performance index and function definition， material selection， motor selection， system layout， structural topology optimization design， effectively avoiding the appearance defects caused by the injection molding characteristics of the plastic structure itself， and optimizing the design of the opening angle of the active grille blade and the design of the control strategy. Finally， the reliability of the product was verified by comparing the CAE analysis results with the test results. Provide a new solution for the energy saving and emission reduction of the whole vehicle and the need for car styling without upper grille.

Key Words： Topology Optimization; Explicit ; Active Grille System; Design

戢? ?健

畢業于湖北汽院，本科學士學位，現就職于東風集團技術中心，擔任主管工程師，主要從事車身飾件輕量化設計開發的研究。曾榮獲二項東風集團“模范黨員”榮譽，三項東風青年自主創新創效獎，五項東風科協優秀論文獎，理想汽車車身前瞻技術貢獻獎；曾公開發表多篇論文，其中核心一篇；發明專利十余項。

1? ? 引言

伴隨國家《節能與新能源汽車技術路線圖3.0》和“碳達峰碳中和”政策的發布，未來汽車產業節能減排的要求將更加嚴苛。為了提升整車的能耗經濟性和續航能力，降低風阻和提升熱管控的效率一直是當代汽車研發人員繞不開的途徑。主動進氣格柵是其中一個有效解決措施，已經從國外高端車型轉向國內品牌車型上應用。

Charnesky Scott等人[1]對主動進氣格柵開閉狀態的空氣動力學特性進行了研究，提出了控制策略算法。Alaa E El-Sharkaw等人[2]對三種格柵狀態下熱管控的技術進行了研究，設計了滿足冷卻、溫度、熱的保護等需求的控制模型。張斌等人[3]通過優化主動進氣格柵控制策略，達到了提高整車經濟性、動力性的目的。傳統內置式主動進氣格柵為了滿足風載、涉水等工況要求而不得不增加筋等結構而導致主動進氣格柵的葉片外觀縮印缺陷，只能通過將主動進氣格柵布置到非可視區域進行解決，例如VOLVO、BMW等系列車型采用布置在前保險杠下格柵的里面，因主動進氣格柵布置越靠后，整車的風阻將越大[4]，故此類方案也有其弊端，無法滿足無上格柵造型趨勢與提供低風阻性能的需求。

筆者將介紹一種既滿足外觀件的質量要求又滿足盡可能降低風阻、熱管控的要求的主動進氣格柵的設計開發過程，為整車研發提供一種新的設計方案。

2? ? 性能指標與功能定義

從整車用車場景來分析，主動進氣格柵所處的機艙環境溫度在-35℃至120℃，高速行駛極限速度180km/h存在最大風載，因此需要考慮葉片的剛性，保障空氣的泄漏量少于10%，減少艙內風阻；此外整車需要滿足涉水實驗要求[5]，在涉水工況下，葉片無脫落，主動格柵無開裂失效，并且在用戶洗車時在高壓水槍作業下葉片能夠順利開啟關閉不被沖掉，因此主動格柵的電子器件同時還需具備IP67級別的防水能力。當環境溫度較低，葉片被雨水冰凍或在正常情況下被樹枝等異物阻塞時，主動進氣格柵能夠在規定時間內利用峰值扭矩進行破冰或者剪切樹枝等異物，超過規定時間不能開啟或者關閉時則報錯提醒用戶。結合整車的NHV、使用壽命等要求，主動進氣格柵還需要滿足模態≥35Hz，同時安裝點需要滿足一定的剛度要求，總成件在汽車行駛加速顛簸等工況下滿足總成強度要求，運動機構滿足≥40萬次的壽命要求。

主動進氣在滿足上述級別物理功能要求之外，還需要提供智能控制功能，當熄火狀態，主動格柵葉片自動關閉，可阻礙雜物進入散熱模塊并且冬天還可以給機艙進行“保溫”，提高整車熱機效率；當在給汽車電池充電過程中需要散出大量的熱量時，可以將主動格柵葉片打開合適的角度提供空氣進入循環降溫，經前期騾子車測試，某車型的極度惡劣工況為低速爬坡工況，由于發動機的介入加上動力電池與電機驅動，整車散熱對進氣需要最大，其目標為總的進氣量不小于2.49kg/s，冷凝器的進風量不小于0.94kg/s；當行駛的車速達到設定狀態并且發動機水溫低于某設定值時，主動格柵葉片自動旋轉關閉，從而降低風阻，提升能耗經濟性。當溫度傳感器給出環境溫度較高時，發動機水溫較高，主動格柵根據溫度數值與車速的大小自動調整葉片開啟角度，給整車提供合適的進風量進行均衡散熱。為了實現上述智能控制功能，主動進氣格柵需要與整車ECU進行通訊，由于信號數據較小，通訊診斷協議通常采用低成本的LIN，輸出功能矩陣。主動進氣格柵的性能要求主要見表1。

3? ? 材料的選定與電機的選型

主動進氣格柵由框體、葉片、旋轉軸、連桿、導風板等部件構成。框體能夠承受機艙高溫以及格柵本身自重，因此框體選擇較為耐高溫的材料PP-GF30材料，熱變形溫度超過機艙主動格柵所處環境溫度的極限為120℃；葉片與旋轉軸以及連桿，屬于運動結構件，需要考慮到結構的耐磨性與穩定型，因此選用PA-GF30材料，PA-GF30熱變形溫度達250℃。其材料參數見下表2所示。

主動進氣格柵的驅動力來自于執行電機，目前市面電機型號較多，主流可選擇的電機有下表3所列，執行電機的參數包含運行扭矩、峰值扭矩、通訊協議、工作電壓、運行電流、休眠電流、擋位、防水等級、工作溫度、工作噪音、標定角度等，運行扭矩主要考慮能否在正常情況下帶動葉片旋轉；峰值扭矩為阻塞和破冰工況下提供動力；通訊協議需要與整車適配聯通；工作電壓與運行電流以及休眠電流需要滿足整車供電系統要求；擋位是電機在執行旋轉過程中能夠提供多少旋轉角度并保持狀態；防水等級與工作溫度是主動格柵在使用工況下的基本要求；工作噪音同樣是關系到用戶體驗的重要參數。

主動進氣格柵電機的選型，關鍵在于運行扭矩的計算校核，正常工況下，電機驅動電機的旋轉需要克服葉片上的風載與轉軸與框架的摩擦力[6]。將對單個葉片進行計算分析，如下圖1葉片受力簡圖所示，可以得出以下等式關系：

式中：F為風壓，ρ為空氣密度，V為車速，A為葉片迎風面積，K為風阻系數為常量，a為葉片與行駛方向夾角（葉片關閉時為90°，開啟時為0°），與下文中的葉片旋轉角度互余；

主動格柵葉片長度定義為L，寬度為L1+L2，那么可以得到：

式中μ為葉片轉軸的摩擦系數，為常量；

上述公式進行消除參數，即可得到：

式中N為主動格柵的葉片數量。

從公式6中可以得出，葉片旋轉后的角度a為90°即葉片完全關閉時，所需電機的扭矩最大；通過上述公式結合造型面的主動格柵開口大小，即可計算出電機扭矩大小需求。再在表3中進行電機的選型。

4? ? 主動進氣格柵系統布置

主動進氣格柵總成布置在冷卻模塊前面，導風板安裝在冷卻模塊上，采用螺釘緊固。導風板與冷卻模塊之間設計間隙采用EPDM材料泡棉密封，主動進氣格柵裝配在上下防撞梁上，由于冷卻模塊相對車身是“運動”件，冷卻模塊安裝座為橡膠件能夠在XYZ三個方向運動，運動空間為+-6.5mm，導風板裝配在冷卻模塊上，因此導風板與主動進氣格柵之間設計有5mm間隙，中間采用10mm厚度的EPDM泡棉進行密封并吸收運動能量，保障產品的耐久性。導風板型腔到冷卻模塊距離A一般要求≥65mm，具體數值依據CFD計算結果而定；主動進氣格柵的Z向高度尺寸B受CFD進風量的需求大小而定，并且根據B數值的大小來設計葉片的數量，需要考慮葉片的剛性通常葉片寬帶設計為35mm至65mm之間，過窄則剛性不足并且優化提升困難；葉片之間搭接3-5mm，防止泄露空氣；考慮到整車的制造累計公差到主動進氣格柵與前保險杠之間達+-6mm，因此C值要求大于6mm，這里取值10mm；導風板與防撞梁之間的距離要求大于10mm[7]。

5? ? 結構拓撲優化設計

利用拓撲優化設計在有限制條件的空間內尋找到最佳力學傳遞路徑達到可實現用最省材料的分布設計目的。依據拓撲優化結果對外顯式主動進氣格柵的葉片進行結構詳細布置與結構設計，最后進行CAE分析驗證結果。

5.1? ?拓撲優化設計的理論依據

設計優化工程問題的數學模型為：

式中n為設計變量的個數，也就是優化問題的維數，x是葉片的設計變量；V（x）是目標函數為葉片的體積；g（x）和h（x）是不等式約束函數代表葉片的變形、制造工藝（脫模角度）、強度等約束，其中j為隱性約束條件的個數，q為顯性約束條件的個數。拓撲優化采用的是密度法，簡稱SIMP方法[8]。

5.2? ?拓撲模型的建立與分析

5.2.1 三維數模的設計

外顯是主動進氣格柵的葉片外表面是造型輸出面，設計過程中必須沿用造型特征，因此葉片外表面為非自由設計區，而葉片背面為結構自由發揮的區域，為自由設計區。如下圖3所示，依據外顯式主動進氣格柵的空間布置要求構建葉片的3D數模。

5.2.2 葉片的拓撲優化設計

在Hypermesh中，對上述設計的葉片的進行網格的劃分，包含“自由設計區域”和“非自由設計區域”。非自由設計區域的網格采用四邊形，大小1mm，單元17865個；自由設計區域的六面體網格大小為1mm，單元78120個，之間采用共節點，約束形式為葉片轉軸一端六個自由度全約束，另外一端約束X向，式（1）中F的最大值為載荷。設置葉片左右對稱，最小的材料厚度為1mm和脫模方向為制造限制條件，“自由設計區域”體積最小為目標，利用Optistruct進行拓撲優化，計算得出圖4葉片拓撲優化結果，根據計算結果再次利用CATIA畫出葉片的加強筋布置，如下圖5所示。

5.3? ?葉片角度優化

為了尋找適應于某增程新能源車型的最佳進氣角度，對葉片角度進行最優求解以滿足汽車在極限工況（低速爬坡）下滿足進氣要求。由于主動進氣格柵所選的某品牌電機有位置碼16檔，主動進氣格柵葉片所設計最大旋轉角度為90°，因此分布為6°一個檔，按此類推到90°，分析仿真冷凝器、高溫散熱器、上下低溫散熱器的進氣量。

經計算與統計，從表4中可以得出，葉片旋轉角度在72°與78°時，冷凝器、高溫散熱器、上下低溫散熱器的進氣量有錯開各自為大的情況，總的進氣量分別為2.499kg/s與2.49kg/s，均達到了極限工況（低速爬坡）下設計目標的2.49kg/s，為了優先考慮冷凝器的進氣量與總的進氣量最大，因此選擇72°角度為該外顯式主動進氣格柵的最佳進氣角度。

5.4? ?力學驗證分析

根據詳細設計的3D數據，再次進行CAE分析驗證。約束形式與裝配在車身上的狀態相同，安裝點才有6個自由的全約束，如下圖6所示，由于葉片所處姿態靠近車頭，環境溫度最高也就達80℃，材料參數需要考慮PA-GF30材料的吸水與熱敏感性，因此PA-GF30材料參數的輸入選擇表2材料性能參數進行輸入吸水后與環境溫度為80℃下的材料參數，而框架所處環境靠近機艙內部，最高的環境溫度可以達120℃（可以根據整車溫度場輸出），因此PP-GF30材料參數的輸入選擇表2材料性能參數進行輸入吸水后與環境溫度為120℃下的材料參數，通過模擬極限車速下的風壓對AGS的葉片載荷，分析葉片剛性；涉水工況下，在水壓對AGS框架的沖擊下的強度分析；以及安裝點的剛度和約束狀態下的一階模態。

經CAE計算，各項性能分析結果如圖7所示。風載工況下的葉片最大的位移量為4.43mm小于設計目標5mm；涉水工況下的最大應力壓板安裝支座的boss柱根部，其最大應力為28.35MPa小于材料的屈服強度28.6MPa；200N載荷下的安裝點的最大位移為0.448mm小于1mm；一階模態為59.756Hz大于35Hz；計算結果均滿足設計要求。

6? ? 控制邏輯設計

由于某增程新能源汽車的驅動能源在正常行駛過程直接由動力電池提供，只有當車輛在虧電或驅動電機電量需求過大過時才由發動機驅動發電機進行補能，而增程發動機幾乎工作在最佳能量輸出轉速下，因此，某增程新能源汽車的主動進氣格柵可以簡單關聯發動機冷卻水溫的信號進行控制。當發動機冷卻水溫當水溫低于95℃時，關閉葉片，進行快速升溫；當發動機水溫≥95℃時，打開葉片到72°位置，進行快速進風冷卻。

7? ? 試驗結果分析

經過實物試驗，包括零部件級別與整車級別的測試，其測試結果見下表5試驗結果，在涉水相關標準《電動乘用車運行安全和維護保障技術規范》要求下進行整車涉水試驗，其他試驗為零部件單件試驗測試即可。

通過表5，可以看出試驗結果均滿足測試要求，達成設計目標。

8? ? 結論

詳細介紹了一種增程新能源汽車外顯式主動進氣格柵的設計開發過程，包含其性能指標與功能定義、材料的選定與電機的選型、系統布置、結構拓撲優化設計，有效規避塑料結構本身注塑特性而產生的外觀缺陷，使得該外顯式主動進氣格柵在各階段裝車評審過程中創造了某新能源汽車零部件的“0”扣分的記錄。同時在開發過程中對主動格柵葉片開啟角度優化設計與控制策略設計，控制邏輯簡單，可以降低主動格柵的電機工作運轉的頻次，保障產品的壽命穩定。最后通過CAE分析結果與試驗結果進行對比，驗證產品的可靠性；為整車節能減排與無上格柵的造型趨勢需要提供一種新的解決方案。

參考文獻：

[1]Charnesky Scott， Fadler Gregory， Lockwood Thomas. Variable and Fixed Airflow for Vehicle Cooling [ C]. SAE Paper 2011-01-1340.

[2]Alaa E El-Sharkawy， Joshua C Kamrad， et al. Evaluation of Impact of Active Grille Shutter on Vehicle Thermal Management[C]. SAE Paper 2011-01-1172.

[3]張斌，余小松，潘樂燕.主動進氣格柵對整車性能的影響分析[J].上海汽車，2015（02）：55-59.

[4]陳鴻明，武亞嬌，李華，楊雪松.乘用車智能進氣格柵的影響和應用[J].汽車工程學報，2017，7（03）：226-234.

[5]電動乘用車運行安全和維護保障技術規范：DB31 T634-2012[S]：上海，2012.

[6]桂小剛，徐劼，詹鳳.主動進氣格柵的技術研發[J].時代汽車，2019（06）：137-139.

[7]戢健. 格柵冷卻系統和車輛[P]. 北京市：CN2180 54847U，2022-12-16.

[8]梁海云，尹中保.某卡車上車踏板支座結構拓撲優化案例[J].汽車科技，2019，No.270（02）：45-49.

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龍從林

東風汽車集團有限公司技術中心

車身部總師? 研究員級工程師

隨著電動車市場占比的上升，主動進氣格柵的應用也逐步變多。現階段，主動進氣格柵的方案還不豐富，專業報道較少，本文提供了一種單格柵式主動進氣格柵的系統設計方案，特別在進風量分析方面，值得借鑒。有一定的新穎性，具有推廣價值。