增程新能源车外显式主动进气格栅系统设计开发

戢健 张超 饶勰 秦信武 樊树军

摘  要：主动进气格栅对于整车提升热管控效率与降低风阻贡献显著，尤其是新能源车型无上格栅造型趋势下进风需求更加难以达成，因此国内外的车企都在做有关技术研究。介绍一种增程新能源汽车外显式主动进气格栅的设计开发过程，包含了性能指标与功能定义、材料的选定与电机的选型、系统布置、结构拓扑优化设计，有效规避塑料结构本身注塑特性而产生的外观缺陷，对主动格栅叶片开启角度优化设计与控制策略设计。通过CAE分析结果与试验结果进行对比，验证产品的可靠性，为整车节能减排与无上格栅造型需要提供一种新的解决方案。

关键词：拓扑优化；外显式；主动进气格栅；设计

中图分类号：U467       文献标识码：A      文章编号：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

畢业于湖北汽院，本科学士学位，现就职于东风集团技术中心，担任主管工程师，主要从事车身饰件轻量化设计开发的研究。曾荣获二项东风集团“模范党员”荣誉，三项东风青年自主创新创效奖，五项东风科协优秀论文奖，理想汽车车身前瞻技术贡献奖；曾公开发表多篇论文，其中核心一篇；发明专利十余项。

1    引言

伴随国家《节能与新能源汽车技术路线图3.0》和“碳达峰碳中和”政策的发布，未来汽车产业节能减排的要求将更加严苛。为了提升整车的能耗经济性和续航能力，降低风阻和提升热管控的效率一直是当代汽车研发人员绕不开的途径。主动进气格栅是其中一个有效解决措施，已经从国外高端车型转向国内品牌车型上应用。

Charnesky Scott等人[1]对主动进气格栅开闭状态的空气动力学特性进行了研究，提出了控制策略算法。Alaa E El-Sharkaw等人[2]对三种格栅状态下热管控的技术进行了研究，设计了满足冷却、温度、热的保护等需求的控制模型。张斌等人[3]通过优化主动进气格栅控制策略，达到了提高整车经济性、动力性的目的。传统内置式主动进气格栅为了满足风载、涉水等工况要求而不得不增加筋等结构而导致主动进气格栅的叶片外观缩印缺陷，只能通过将主动进气格栅布置到非可视区域进行解决，例如VOLVO、BMW等系列车型采用布置在前保险杠下格栅的里面，因主动进气格栅布置越靠后，整车的风阻将越大[4]，故此类方案也有其弊端，无法满足无上格栅造型趋势与提供低风阻性能的需求。

笔者将介绍一种既满足外观件的质量要求又满足尽可能降低风阻、热管控的要求的主动进气格栅的设计开发过程，为整车研发提供一种新的设计方案。

2    性能指标与功能定义

从整车用车场景来分析，主动进气格栅所处的机舱环境温度在-35℃至120℃，高速行驶极限速度180km/h存在最大风载，因此需要考虑叶片的刚性，保障空气的泄漏量少于10%，减少舱内风阻；此外整车需要满足涉水实验要求[5]，在涉水工况下，叶片无脱落，主动格栅无开裂失效，并且在用户洗车时在高压水枪作业下叶片能够顺利开启关闭不被冲掉，因此主动格栅的电子器件同时还需具备IP67级别的防水能力。当环境温度较低，叶片被雨水冰冻或在正常情况下被树枝等异物阻塞时，主动进气格栅能够在规定时间内利用峰值扭矩進行破冰或者剪切树枝等异物，超过规定时间不能开启或者关闭时则报错提醒用户。结合整车的NHV、使用寿命等要求，主动进气格栅还需要满足模态≥35Hz，同时安装点需要满足一定的刚度要求，总成件在汽车行驶加速颠簸等工况下满足总成强度要求，运动机构满足≥40万次的寿命要求。

主动进气在满足上述级别物理功能要求之外，还需要提供智能控制功能，当熄火状态，主动格栅叶片自动关闭，可阻碍杂物进入散热模块并且冬天还可以给机舱进行“保温”，提高整车热机效率；当在给汽车电池充电过程中需要散出大量的热量时，可以将主动格栅叶片打开合适的角度提供空气进入循环降温，经前期骡子车测试，某车型的极度恶劣工况为低速爬坡工况，由于发动机的介入加上动力电池与电机驱动，整车散热对进气需要最大，其目标为总的进气量不小于2.49kg/s，冷凝器的进风量不小于0.94kg/s；当行驶的车速达到设定状态并且发动机水温低于某设定值时，主动格栅叶片自动旋转关闭，从而降低风阻，提升能耗经济性。当温度传感器给出环境温度较高时，发动机水温较高，主动格栅根据温度数值与车速的大小自动调整叶片开启角度，给整车提供合适的进风量进行均衡散热。为了实现上述智能控制功能，主动进气格栅需要与整车ECU进行通讯，由于信号数据较小，通讯诊断协议通常采用低成本的LIN，输出功能矩阵。主动进气格栅的性能要求主要见表1。

3    材料的选定与电机的选型

主动进气格栅由框体、叶片、旋转轴、连杆、导风板等部件构成。框体能够承受机舱高温以及格栅本身自重，因此框体选择较为耐高温的材料PP-GF30材料，热变形温度超过机舱主动格栅所处环境温度的极限为120℃；叶片与旋转轴以及连杆，属于运动结构件，需要考虑到结构的耐磨性与稳定型，因此选用PA-GF30材料，PA-GF30热变形温度达250℃。其材料参数见下表2所示。

主动进气格栅的驱动力来自于执行电机，目前市面电机型号较多，主流可选择的电机有下表3所列，执行电机的参数包含运行扭矩、峰值扭矩、通讯协议、工作电压、运行电流、休眠电流、挡位、防水等级、工作温度、工作噪音、标定角度等，运行扭矩主要考虑能否在正常情况下带动叶片旋转；峰值扭矩为阻塞和破冰工况下提供动力；通讯协议需要与整车适配联通；工作电压与运行电流以及休眠电流需要满足整车供电系统要求；挡位是电机在执行旋转过程中能够提供多少旋转角度并保持状态；防水等级与工作温度是主动格栅在使用工况下的基本要求；工作噪音同样是关系到用户体验的重要参数。

主动进气格栅电机的选型，关键在于运行扭矩的计算校核，正常工况下，电机驱动电机的旋转需要克服叶片上的风载与转轴与框架的摩擦力[6]。将对单个叶片进行计算分析，如下图1叶片受力简图所示，可以得出以下等式关系：

式中：F为风压，ρ为空气密度，V为车速，A为叶片迎风面积，K为风阻系数为常量，a为叶片与行驶方向夹角（叶片关闭时为90°，开启时为0°），与下文中的叶片旋转角度互余；

主动格栅叶片长度定义为L，宽度为L1+L2，那么可以得到：

式中μ为叶片转轴的摩擦系数，为常量；

上述公式进行消除参数，即可得到：

式中N为主动格栅的叶片数量。

从公式6中可以得出，叶片旋转后的角度a为90°即叶片完全关闭时，所需电机的扭矩最大；通过上述公式结合造型面的主动格栅开口大小，即可计算出电机扭矩大小需求。再在表3中进行电机的选型。

4    主动进气格栅系统布置

主动进气格栅总成布置在冷却模块前面，导风板安装在冷却模块上，采用螺钉紧固。导风板与冷却模块之间设计间隙采用EPDM材料泡棉密封，主动进气格栅装配在上下防撞梁上，由于冷却模块相对车身是“运动”件，冷却模块安装座为橡胶件能够在XYZ三个方向运动，运动空间为+-6.5mm，导风板装配在冷却模块上，因此导风板与主动进气格栅之间设计有5mm间隙，中间采用10mm厚度的EPDM泡棉进行密封并吸收运动能量，保障产品的耐久性。导风板型腔到冷却模块距离A一般要求≥65mm，具体数值依据CFD计算结果而定；主动进气格栅的Z向高度尺寸B受CFD进风量的需求大小而定，并且根据B数值的大小来设计叶片的数量，需要考虑叶片的刚性通常叶片宽带设计为35mm至65mm之间，过窄则刚性不足并且优化提升困难；叶片之间搭接3-5mm，防止泄露空气；考虑到整车的制造累计公差到主动进气格栅与前保险杠之间达+-6mm，因此C值要求大于6mm，这里取值10mm；导风板与防撞梁之间的距离要求大于10mm[7]。

5    结构拓扑优化设计

利用拓扑优化设计在有限制条件的空间内寻找到最佳力学传递路径达到可实现用最省材料的分布设计目的。依据拓扑优化结果对外显式主动进气格栅的叶片进行结构详细布置与结构设计，最后进行CAE分析验证结果。

5.1   拓扑优化设计的理论依据

设计优化工程问题的数学模型为：

式中n为设计变量的个数，也就是优化问题的维数，x是叶片的设计变量；V（x）是目标函数为叶片的体积；g（x）和h（x）是不等式约束函数代表叶片的变形、制造工艺（脱模角度）、强度等约束，其中j为隐性约束条件的个数，q为显性约束条件的个数。拓扑优化采用的是密度法，简称SIMP方法[8]。

5.2   拓扑模型的建立与分析

5.2.1 三维数模的设计

外显是主动进气格栅的叶片外表面是造型输出面，设计过程中必须沿用造型特征，因此叶片外表面为非自由设计区，而叶片背面为结构自由发挥的区域，为自由设计区。如下图3所示，依据外显式主动进气格栅的空间布置要求构建叶片的3D数模。

5.2.2 叶片的拓扑优化设计

在Hypermesh中，对上述设计的叶片的进行网格的划分，包含“自由设计区域”和“非自由设计区域”。非自由设计区域的网格采用四边形，大小1mm，單元17865个；自由设计区域的六面体网格大小为1mm，单元78120个，之间采用共节点，约束形式为叶片转轴一端六个自由度全约束，另外一端约束X向，式（1）中F的最大值为载荷。设置叶片左右对称，最小的材料厚度为1mm和脱模方向为制造限制条件，“自由设计区域”体积最小为目标，利用Optistruct进行拓扑优化，计算得出图4叶片拓扑优化结果，根据计算结果再次利用CATIA画出叶片的加强筋布置，如下图5所示。

5.3   叶片角度优化

为了寻找适应于某增程新能源车型的最佳进气角度，对叶片角度进行最优求解以满足汽车在极限工况（低速爬坡）下满足进气要求。由于主动进气格栅所选的某品牌电机有位置码16档，主动进气格栅叶片所设计最大旋转角度为90°，因此分布为6°一个档，按此类推到90°，分析仿真冷凝器、高温散热器、上下低温散热器的进气量。

经计算与统计，从表4中可以得出，叶片旋转角度在72°与78°时，冷凝器、高温散热器、上下低温散热器的进气量有错开各自为大的情况，总的进气量分别为2.499kg/s与2.49kg/s，均达到了极限工况（低速爬坡）下设计目标的2.49kg/s，为了优先考虑冷凝器的进气量与总的进气量最大，因此选择72°角度为该外显式主动进气格栅的最佳进气角度。

5.4   力学验证分析

根据详细设计的3D数据，再次进行CAE分析验证。约束形式与装配在车身上的状态相同，安装点才有6个自由的全约束，如下图6所示，由于叶片所处姿态靠近车头，环境温度最高也就达80℃，材料参数需要考虑PA-GF30材料的吸水与热敏感性，因此PA-GF30材料参数的输入选择表2材料性能参数进行输入吸水后与环境温度为80℃下的材料参数，而框架所处环境靠近机舱内部，最高的环境温度可以达120℃（可以根据整车温度场输出），因此PP-GF30材料参数的输入选择表2材料性能参数进行输入吸水后与环境温度为120℃下的材料参数，通过模拟极限车速下的风压对AGS的叶片载荷，分析叶片刚性；涉水工况下，在水压对AGS框架的冲击下的强度分析；以及安装点的刚度和约束状态下的一阶模态。

经CAE计算，各项性能分析结果如图7所示。风载工况下的叶片最大的位移量为4.43mm小于设计目标5mm；涉水工况下的最大应力压板安装支座的boss柱根部，其最大应力为28.35MPa小于材料的屈服强度28.6MPa；200N载荷下的安装点的最大位移为0.448mm小于1mm；一阶模态为59.756Hz大于35Hz；计算结果均满足设计要求。

6    控制逻辑设计

由于某增程新能源汽车的驱动能源在正常行驶过程直接由动力电池提供，只有当车辆在亏电或驱动电机电量需求过大过时才由发动机驱动发电机进行补能，而增程发动机几乎工作在最佳能量输出转速下，因此，某增程新能源汽车的主动进气格栅可以简单关联发动机冷却水温的信号进行控制。当发动机冷却水温当水温低于95℃时，关闭叶片，进行快速升温；当发动机水温≥95℃时，打开叶片到72°位置，进行快速进风冷却。

7    试验结果分析

经过实物试验，包括零部件级别与整车级别的测试，其测试结果见下表5试验结果，在涉水相关标准《电动乘用车运行安全和维护保障技术规范》要求下进行整车涉水试验，其他试验为零部件单件试验测试即可。

通过表5，可以看出试验结果均满足测试要求，达成设计目标。

8    结论

详细介绍了一种增程新能源汽车外显式主动进气格栅的设计开发过程，包含其性能指标与功能定义、材料的选定与电机的选型、系统布置、结构拓扑优化设计，有效规避塑料结构本身注塑特性而产生的外观缺陷，使得该外显式主动进气格栅在各阶段装车评审过程中创造了某新能源汽车零部件的“0”扣分的记录。同时在开发过程中对主动格栅叶片开启角度优化设计与控制策略设计，控制逻辑简单，可以降低主动格栅的电机工作运转的频次，保障产品的寿命稳定。最后通过CAE分析结果与试验结果进行对比，验证产品的可靠性；为整车节能减排与无上格栅的造型趋势需要提供一种新的解决方案。

参考文献：

[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]张斌，余小松，潘乐燕.主动进气格栅对整车性能的影响分析[J].上海汽车，2015（02）：55-59.

[4]陈鸿明，武亚娇，李华，杨雪松.乘用车智能进气格栅的影响和应用[J].汽车工程学报，2017，7（03）：226-234.

[5]电动乘用车运行安全和维护保障技术规范：DB31 T634-2012[S]：上海，2012.

[6]桂小刚，徐劼，詹凤.主动进气格栅的技术研发[J].时代汽车，2019（06）：137-139.

[7]戢健. 格栅冷却系统和车辆[P]. 北京市：CN2180 54847U，2022-12-16.

[8]梁海云，尹中保.某卡车上车踏板支座结构拓扑优化案例[J].汽车科技，2019，No.270（02）：45-49.

专家推荐语

龙从林

东风汽车集团有限公司技术中心

车身部总师  研究员级工程师

随着电动车市场占比的上升，主动进气格栅的应用也逐步变多。现阶段，主动进气格栅的方案还不丰富，专业报道较少，本文提供了一种单格栅式主动进气格栅的系统设计方案，特别在进风量分析方面，值得借鉴。有一定的新颖性，具有推广价值。