汽車空調低成本開發基本思路和體系構建

錢銳，盧剛，孟祥軍

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201）

汽車空調低成本開發基本思路和體系構建

錢銳*，盧剛，孟祥軍

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201）

在整車開發過程中，汽車空調的開發成本由于大量整車試驗而居高不下。本文從開發前期、試驗臺架以及整車試驗三個階段介紹了汽車空調開發的基本思路，構建了完整的低成本汽車空調開發體系。研究成果對于控制汽車開發低成本工作的深入實踐是一個有益的嘗試。

汽車空調；低成本；高質量；開發思路；體系

0　前言

汽車空調的開發較一般家用空調的開發，有如下特點：1）使用環境更惡劣，在高壓側（冷凝器端）和低壓側（蒸發器端）都容易受到外界環境的影響；2）運行不獨立，受車輛發動機運行狀態的影響，壓縮機轉速的變化會造成空調系統運行工況的變化；3）不同狀態下空調系統的狀態變化較大，比如怠速情形下，高壓側受車輛前端密封影響，回流影響較大，高壓偏高，低壓側進風溫度偏高，低壓也偏高，整個空調系統性能較差；而在高速運行的時候，系統運行非常理想，過熱度能夠控制在一個理想的范圍，但是系統容易“過設計”。

綜上所述，傳統汽車空調的開發過程呈現如下特質：1）在產品開發前期，如何進行關鍵零部件的選型（比如壓縮機，以及“兩器”），根據有效的帶寬定義來獲取工程開發利益的最大化；2）在整車開發階段需要引入大量的開發試驗去模擬并驗證這些工況，確保在各種工況下空調系統性能、系統回油、液擊、抗結霜四個方面取得良好的平衡；3）在驗證階段，受制于開發階段關鍵零部件的狀態，通常還要重復開發階段的試驗進行驗證，同樣需要大量的風洞資源和試驗費用。

本文則從系統開發的前期、系統臺架的廣泛使用以及如何有效控制整車風洞試驗三個方面論述了汽車空調開發過程中如何通過有效合理的模擬、分析、驗證手段控制汽車空調開發的成本，同時保證汽車空調開發的高質量。明確指出，低成本高質量汽車空調系統開發的整體思路就是：大力控制環模試驗的次數，切實提高環模試驗質量，充分利用臺架試驗進行汽車空調單點測試并確保準確性，充分利用路試進行不同環境條件下的舒適性調校，大力提高一維模擬軟件在產品開發前期的適用面和準確性，CFD技術不僅僅側重于整車性能預測，而且必須深入關鍵零部件的設計。

1　系統前期開發

在系統開發前期，汽車空調開發的成本主要是大量的競爭車型對比試驗，通過競爭車型、原型車的狀態，結合該開發車型的市場定位，確定整車空調性能指標。不同的競爭車型，開發思路不一樣，市場表現也不一樣，通過同等的工程標準考察性能十分必要，這一部分的成本是必須的，和“低成本，高質量”的目標并不悖離［1-2］。低成本的關鍵在于從競爭車型獲取的整車試驗數據如何科學有效地分解到子系統以及關鍵零部件的性能指標定義之中，下面我們具體展開這一部分的論述。

1）從整車性能指標到零部件性能指標的分解。整車性能到零部件性能的分解是一個逆向的過程，如何從整車測得的出風口溫度分解到蒸發器、冷凝器和壓縮機等關鍵部件的性能指標是任何系統設計必須優先考慮的問題［4］，各種論述也很多，從低成本角度，關鍵需要做到：

a）必須確定關鍵汽車運行工況作為設計的起始點；因為車輛運行有不同的溫濕度和車速變化，在前期選型的時候不可能為每一個工況選擇一套空調系統，所以通常用最能表征本國一般車輛運行工況的設定點作為設計點，比如22.2 m/s外循環工況，考慮到中國等亞洲國家的具體使用車況，可能兼顧低速城市工況以及怠速的設計工況，同時兼顧內循環使用特性，將會成為是一個未來汽車空調匹配的方向；

b）必須考慮零部件回用，同時兼顧帶寬定義，盡可能沿用已有的零部件可以大幅度地降低產品開發費用，同時避免很多驗證中遇到的問題，長期以來這是工程開發關注的重點；同時必須考慮到一個選型能夠照顧到的帶寬，為每一種配置選定一個部件是不經濟的，但是帶寬過大會對燃油經濟性造成影響，在實際前期應用中需要兼顧考慮；

c）必須確定車輛熱負荷與太陽輻射的關系；從低成本的角度，最重要是確定太陽輻射得熱［5］，如圖1所示，在車體參數基本趨同的前提下，玻璃的物性、大小、傾角對太陽輻射得熱影響巨大，可以據此考察出太陽輻射與車輛熱負荷的關系；

圖1　太陽輻射得熱示意圖

d）必須考慮車輛前端密封對系統高壓側的影響，如圖2車輛前端流動的軌跡圖所示，冷凝器側狀態（Condensing）在怠速情況下，受氣流回流的影響，會使得系統高壓升高，低壓也偏高，整個空調系統性能較差；而在高速運行的時候，系統運行非常理想，過熱度偏大，壓縮機容易過熱；

圖2　車輛前端流動的跡線圖

e）必須考慮車輛輪系對壓縮機轉速的影響，壓縮機的轉速特別是在怠速工況下，已經多次證明將會成為汽車空調系統的瓶頸，所以通過和供應商溝通，確定該轉速下壓縮機的性能指標，明確會否成為系統瓶頸是低成本空調開發的必修課。

2）推廣一維模擬軟件的使用，著力于仿真的準確性。

毫無疑問，在整車開發前期大量采用一維模擬軟件進行系統仿真是汽車空調發展的一個趨勢，有許多的商用軟件，比如KULI，Flowmaster，AMEsim都可以用于構建汽車空調系統，除了發動機系統和變速箱系統的換熱模型構建比較復雜，發動機艙熱管理系統難于模擬以外，一般的制冷制熱，以及發動機冷卻系統模擬從技術角度都非常成熟。所以，仿真的準確性實質上就成了后臺零部件數據庫準確性的比拼。

從目前供應商提供的零部件數據來說，數據不全和數據不準確是兩個突出的問題，數據不全主要是很多構建軟件后臺數據庫需要的參數信息，供應商不熟悉，無法提供；數據不準主要是供應商的數據會有很多不準確的情況發生，造成原因一方面是誠信缺失，另一方面更多的是由于不了解試驗方法，或者受制于試驗設備，提供不出合格的實驗數據。

表 1為某車型模擬值與實測值的偏差工程實例，可以看出，受制于數據準確性，預測值和實測值有較大偏差。

表1　某車型模擬值與實測值的偏差（試驗工況：13.89 m/s外循環）

考慮和供應商建立前期戰略合作關系，共同進行能力建設，是一個雙贏的策略，也符合低成本高質量的要求。目前來看，這項任務迫在眉睫，需要主機廠和供應商共同努力。

2　系統臺架開發

系統的臺架實際上是將實車上的汽車空調系統剝離出來，放置在臺架上面，一種是實車配管，通常稱之為系統臺（System Bench），一種是非實車配管，通常稱之為性能臺架（Calorimeter）。前者側重于系統某個單點的性能預測，但是需要建立在準確的單體試驗數據基礎上，國外目前多采用這種形式；后者側重于零部件的性能復測，也可以進行一些系統性能趨勢預測，目前國內均采用這種形式。本文主要側重于系統性能臺架的使用推廣介紹。

系統臺架的低成本開發思路，簡單說是盡量發揮系統臺架系統穩定快，容易看到趨勢，同時成本較低的特點，將空調相關的盡可能多的開發工作轉移到臺架上面來。具體措施如下所述。

1）蒸發器溫度傳感器位置確定以及蒸發器表面溫度分布［5］，進氣氣流會造成蒸發器表面溫度分布的不均勻，這個的低成本考慮是加強CFD分析，如圖3所示為不同車速下蒸發器表面溫度分布，需要和供應商一起討論分析蒸發器管程和翅片層的機構特點，確保空調進氣端的平順，不同的風側流量下蒸發器傳感器位置均處于低溫區。

圖3　不同車速下蒸發器表面溫度分布

2）熱力膨脹閥最佳工況點確定：膨脹閥的優化（Tuning）是空調系統，特別是單蒸系統的閥設定，斜率相對固定，基本調閥的工作完全可以在臺架上方便地進行，低成本的思路是保留該項內容并以此取代整車試驗中膨脹閥的調校。

3）系統穩定性評估：不同壓縮機轉速下，不同的溫濕度下系統的穩定性，是否有系統振蕩［6］，低成本的思路是可以考慮完全放到臺架進行，簡而言之，高負荷下看熱力膨脹閥工作的穩定性以及系統回油；低負荷下看防液擊，以及系統穩定性。

4）模擬分析和臺架試驗的對比分析：虛擬分析作為有力的設計指導工具不僅僅是整車虛擬分析，同時必須進行關鍵部件的 CFD分析，我們嘗試了空調管路優化設計的 CFD模擬，水路優化模擬以及空調箱體結構和風道優化模擬等，其準確性是臺架試驗走向虛擬分析的評估標準，也是低成本的一條核心準則；表2是目前開展的一些模擬分析。

表2　目前展開模擬項目匯總

3　整車空調開發試驗

根據低成本汽車空調開發思路，系統性能臺架的使用是需要大力推廣的，但是目前階段卻并不能去除整車試驗，其根本原因就在于系統性能臺架是不能完全取代整車試驗。

整車試驗又包括環模試驗和路試，環模試驗是汽車空調開發費用的主體，路試也需要一定費用，但是路試時間越長，相對越經濟，不過路試受制于環境條件，這是需要平衡考慮的。

在解讀整車汽車空調開發之前，我們可以首先回答性能臺架的缺點，也就是有哪些系統臺架不能反映的開發內容必須通過整車開發試驗來進行，而在這些整車開發過程中，哪些是風洞進行，哪些可以考慮逐步移到實車路試上，低成本開發思路及實踐總結歸納如下。

1）系統結霜預測：在高溫高濕環境下，小風量的空調系統很容易使得系統低壓對應的飽和溫度低于 0℃，從而使得來流空氣里面的水分結霜，結霜的擴散會直接造成冰堵，也有由于結霜造成壓縮機燒蝕的實例。低成本開發思路里面考慮該項試驗可以利用路試（比如海南）的環境條件來進行，結霜試驗如圖4所示。

圖4　結霜試驗

2）大部分內循環工況性能：在性能臺架上內循環是不太容易跑出來的，因為小過熱度容易造成系統振蕩，不能考察，只能通過實車來評估，而且內循環造成的車內氣流分布也只能通過CFD來考察，低成本思路是完善車內壓力微壓測量，控制環模次數，大部分的內循環舒適性體驗通過路試完成，空調冷卻試驗如圖5所示。

圖5　空調冷卻試驗

3）從出風口到呼吸點的評估：空調系統從本質上講側重于制冷劑側（A/C System），而空氣側的設計（Air Handling）同樣重要，低成本的思路是充分利用 CFD考察出風口的設計合理性，能否照顧到前后排的乘客，同時車體的密閉性也在整車建成時測量，確保沒有大的漏風，該評估將從環模試驗中逐步考慮撤出。

4）實車加熱性能預測：系統加熱性能從發動機余熱得熱，所以必須在發動機換熱量確定以后展開才有意義，低成本的思路是在空調箱設計和風道設計的時候通過CFD確保腳部風道設計合理［8-10］，如圖6腳部溫度分布模擬所示，整車試驗盡量降低試驗次數，根據客戶的需求安排冬季路試。

圖6　腳部溫度分布模擬實例

從以上所述可以看出，需要整車開發的條目大多與車輛特性相關，而可以放到路試的前提是路試環境能夠提供穩定的溫濕度熱源。比如我國5月到10月的海南通常能夠提供穩定的高溫高濕熱源，而我國東北的黑河等地在12月到次年2月能夠提供穩定的低溫熱源，這些都為空調系統開發提供了穩定、廉價的環境。

4　總結

縱觀汽車研發的發展歷程，隨著計算機技術的普及和低成本化，以及虛擬模擬技術和環模技術的成熟，展現給我們一條日漸清晰的發展思路，暨從原來的道路試驗為主，轉向以臺架試驗為主并最終實現數模和虛擬技術的突破，也就是我們說的道路-實驗室-數模（R-L-M）的行進路線。

本文基于目前的汽車空調發展水平，特別是國內汽車空調開發現狀，結合目前 CAE、CFD的發展水平，以及大量的工程實踐，提出了一條在現有階段如何進行汽車空調的低成本開發的基本思路：暨大力控制環模試驗的次數，切實提高環模試驗質量，充分利用臺架試驗進行汽車空調單點測試并確保準確性，充分利用路試進行不同環境條件下的舒適性調校，大力提高一維模擬軟件在產品開發前期的適用面和準確性，CFD技術不僅僅側重于整車性能預測，而且必須深入關鍵零部件的設計。

上述的汽車空調低成本開發思路表述為圖表形式參見下圖7。從本質上來說，它和R—L—M的長遠戰略并不矛盾，是長遠戰略指引下的一種短期措施，其目的都是為了提供低成本高質量的汽車空調系統，其時效也絕不是一成不變，我們將根據目前的模擬水平，不斷增加虛擬技術在開發全過程中的權重，并最終配合實現R—L—M的總目標。

圖7　短期內汽車空調低成本開發路線

汽車空調開發是一件復雜浩大的系統工程，從上游的供應商到下游的主機廠需要共同努力，集思廣益才能高質量完成，作為開發和集成的主要負責單元，我們將聯合并均衡各種開發資源，通過漸進并且積極的手段進行汽車空調系統的低成本開發。最終具有競爭力的高質量的低成本汽車空調開發體系還需要大家一起來構建和完善。

［1］ 高衛民， 彭岳華. 低成本汽車產品開發方法研究-續一［J］. 汽車科技， 2008（5）: 55-57.

［2］ 高衛民， 彭岳華. 低成本汽車產品開發方法研究-續二［J］. 汽車科技， 2008（6）: 31-33.

［3］ 趙高明. 結構創新降低前端模塊成本和重量［J］. 技術與市場， 2009（4）: 42-45.

［4］ 闕雄才，陳江平. 汽車空調實用技術［M］. 北京: 機械工業出版社， 2003.

［5］ 劉占峰， 宋力. 汽車空調［M］. 北京: 北京大學出版社，2011.

［6］ 韓曉波， 錢銳. 汽車空調變排量系統穩定性的試驗研究［J］. 制冷技術， 2014， 34（2）: 30-33.

［7］ 孫玉， 沈兆江， 張恒， 等. 汽車空調暖風系統性能優化與效果分析［J］. 制冷技術， 2014， 34（4）: 13-17.

［8］ 王福軍. 計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應用［M］. 北京: 清華大學出版社， 2004.

［9］ 趙玉新. FLUENT幫助手冊［M］. 長沙: 國防科技大學出版社， 2003.

［10］ 周俊杰， 徐國權， 張華俊. FLUENT 工程技術與實用分析［M］. 北京: 中國水利水電出版社， 2010.

Basic Thoughts and System Construction for Low Cost Development of Automotive Air Conditioning System

QIAN Rui*， LU Gang， MENG Xiang-jun
（Pan Asia Technical Automotive Center， Shanghai 201201， China）

During vehicle development process， the development cost of automotive air conditioning system is very high due to lots of vehicle level tests. The basic thoughts for the development of automotive air conditioning system was introduced for three development stages， including preliminary development， test rig and vehicle test， and a complete low cost development system was built. It is a positive practice in controlling vehicle development cost.

Automotive air conditioning system； Low cost； High quality； Development； System

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.04.206

*錢銳（1972-），男，高級工程師，博士。研究方向：熱力學架構開發，汽車空調系統匹配。聯系地址：上海市龍東大道3999號泛亞汽車技術中心空調電子部，郵編：200438。聯系電話：86-21-50161436。E-mail：Rui_Qian@PATAC.com.cn。