汽车空调低成本开发基本思路和体系构建

钱锐，卢刚，孟祥军

（泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201）

汽车空调低成本开发基本思路和体系构建

钱锐*，卢刚，孟祥军

（泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201）

在整车开发过程中，汽车空调的开发成本由于大量整车试验而居高不下。本文从开发前期、试验台架以及整车试验三个阶段介绍了汽车空调开发的基本思路，构建了完整的低成本汽车空调开发体系。研究成果对于控制汽车开发低成本工作的深入实践是一个有益的尝试。

汽车空调；低成本；高质量；开发思路；体系

0　前言

汽车空调的开发较一般家用空调的开发，有如下特点：1）使用环境更恶劣，在高压侧（冷凝器端）和低压侧（蒸发器端）都容易受到外界环境的影响；2）运行不独立，受车辆发动机运行状态的影响，压缩机转速的变化会造成空调系统运行工况的变化；3）不同状态下空调系统的状态变化较大，比如怠速情形下，高压侧受车辆前端密封影响，回流影响较大，高压偏高，低压侧进风温度偏高，低压也偏高，整个空调系统性能较差；而在高速运行的时候，系统运行非常理想，过热度能够控制在一个理想的范围，但是系统容易“过设计”。

综上所述，传统汽车空调的开发过程呈现如下特质：1）在产品开发前期，如何进行关键零部件的选型（比如压缩机，以及“两器”），根据有效的带宽定义来获取工程开发利益的最大化；2）在整车开发阶段需要引入大量的开发试验去模拟并验证这些工况，确保在各种工况下空调系统性能、系统回油、液击、抗结霜四个方面取得良好的平衡；3）在验证阶段，受制于开发阶段关键零部件的状态，通常还要重复开发阶段的试验进行验证，同样需要大量的风洞资源和试验费用。

本文则从系统开发的前期、系统台架的广泛使用以及如何有效控制整车风洞试验三个方面论述了汽车空调开发过程中如何通过有效合理的模拟、分析、验证手段控制汽车空调开发的成本，同时保证汽车空调开发的高质量。明确指出，低成本高质量汽车空调系统开发的整体思路就是：大力控制环模试验的次数，切实提高环模试验质量，充分利用台架试验进行汽车空调单点测试并确保准确性，充分利用路试进行不同环境条件下的舒适性调校，大力提高一维模拟软件在产品开发前期的适用面和准确性，CFD技术不仅仅侧重于整车性能预测，而且必须深入关键零部件的设计。

1　系统前期开发

在系统开发前期，汽车空调开发的成本主要是大量的竞争车型对比试验，通过竞争车型、原型车的状态，结合该开发车型的市场定位，确定整车空调性能指标。不同的竞争车型，开发思路不一样，市场表现也不一样，通过同等的工程标准考察性能十分必要，这一部分的成本是必须的，和“低成本，高质量”的目标并不悖离［1-2］。低成本的关键在于从竞争车型获取的整车试验数据如何科学有效地分解到子系统以及关键零部件的性能指标定义之中，下面我们具体展开这一部分的论述。

1）从整车性能指标到零部件性能指标的分解。整车性能到零部件性能的分解是一个逆向的过程，如何从整车测得的出风口温度分解到蒸发器、冷凝器和压缩机等关键部件的性能指标是任何系统设计必须优先考虑的问题［4］，各种论述也很多，从低成本角度，关键需要做到：

a）必须确定关键汽车运行工况作为设计的起始点；因为车辆运行有不同的温湿度和车速变化，在前期选型的时候不可能为每一个工况选择一套空调系统，所以通常用最能表征本国一般车辆运行工况的设定点作为设计点，比如22.2 m/s外循环工况，考虑到中国等亚洲国家的具体使用车况，可能兼顾低速城市工况以及怠速的设计工况，同时兼顾内循环使用特性，将会成为是一个未来汽车空调匹配的方向；

b）必须考虑零部件回用，同时兼顾带宽定义，尽可能沿用已有的零部件可以大幅度地降低产品开发费用，同时避免很多验证中遇到的问题，长期以来这是工程开发关注的重点；同时必须考虑到一个选型能够照顾到的带宽，为每一种配置选定一个部件是不经济的，但是带宽过大会对燃油经济性造成影响，在实际前期应用中需要兼顾考虑；

c）必须确定车辆热负荷与太阳辐射的关系；从低成本的角度，最重要是确定太阳辐射得热［5］，如图1所示，在车体参数基本趋同的前提下，玻璃的物性、大小、倾角对太阳辐射得热影响巨大，可以据此考察出太阳辐射与车辆热负荷的关系；

图1　太阳辐射得热示意图

d）必须考虑车辆前端密封对系统高压侧的影响，如图2车辆前端流动的轨迹图所示，冷凝器侧状态（Condensing）在怠速情况下，受气流回流的影响，会使得系统高压升高，低压也偏高，整个空调系统性能较差；而在高速运行的时候，系统运行非常理想，过热度偏大，压缩机容易过热；

图2　车辆前端流动的迹线图

e）必须考虑车辆轮系对压缩机转速的影响，压缩机的转速特别是在怠速工况下，已经多次证明将会成为汽车空调系统的瓶颈，所以通过和供应商沟通，确定该转速下压缩机的性能指标，明确会否成为系统瓶颈是低成本空调开发的必修课。

2）推广一维模拟软件的使用，着力于仿真的准确性。

毫无疑问，在整车开发前期大量采用一维模拟软件进行系统仿真是汽车空调发展的一个趋势，有许多的商用软件，比如KULI，Flowmaster，AMEsim都可以用于构建汽车空调系统，除了发动机系统和变速箱系统的换热模型构建比较复杂，发动机舱热管理系统难于模拟以外，一般的制冷制热，以及发动机冷却系统模拟从技术角度都非常成熟。所以，仿真的准确性实质上就成了后台零部件数据库准确性的比拼。

从目前供应商提供的零部件数据来说，数据不全和数据不准确是两个突出的问题，数据不全主要是很多构建软件后台数据库需要的参数信息，供应商不熟悉，无法提供；数据不准主要是供应商的数据会有很多不准确的情况发生，造成原因一方面是诚信缺失，另一方面更多的是由于不了解试验方法，或者受制于试验设备，提供不出合格的实验数据。

表 1为某车型模拟值与实测值的偏差工程实例，可以看出，受制于数据准确性，预测值和实测值有较大偏差。

表1　某车型模拟值与实测值的偏差（试验工况：13.89 m/s外循环）

考虑和供应商建立前期战略合作关系，共同进行能力建设，是一个双赢的策略，也符合低成本高质量的要求。目前来看，这项任务迫在眉睫，需要主机厂和供应商共同努力。

2　系统台架开发

系统的台架实际上是将实车上的汽车空调系统剥离出来，放置在台架上面，一种是实车配管，通常称之为系统台（System Bench），一种是非实车配管，通常称之为性能台架（Calorimeter）。前者侧重于系统某个单点的性能预测，但是需要建立在准确的单体试验数据基础上，国外目前多采用这种形式；后者侧重于零部件的性能复测，也可以进行一些系统性能趋势预测，目前国内均采用这种形式。本文主要侧重于系统性能台架的使用推广介绍。

系统台架的低成本开发思路，简单说是尽量发挥系统台架系统稳定快，容易看到趋势，同时成本较低的特点，将空调相关的尽可能多的开发工作转移到台架上面来。具体措施如下所述。

1）蒸发器温度传感器位置确定以及蒸发器表面温度分布［5］，进气气流会造成蒸发器表面温度分布的不均匀，这个的低成本考虑是加强CFD分析，如图3所示为不同车速下蒸发器表面温度分布，需要和供应商一起讨论分析蒸发器管程和翅片层的机构特点，确保空调进气端的平顺，不同的风侧流量下蒸发器传感器位置均处于低温区。

图3　不同车速下蒸发器表面温度分布

2）热力膨胀阀最佳工况点确定：膨胀阀的优化（Tuning）是空调系统，特别是单蒸系统的阀设定，斜率相对固定，基本调阀的工作完全可以在台架上方便地进行，低成本的思路是保留该项内容并以此取代整车试验中膨胀阀的调校。

3）系统稳定性评估：不同压缩机转速下，不同的温湿度下系统的稳定性，是否有系统振荡［6］，低成本的思路是可以考虑完全放到台架进行，简而言之，高负荷下看热力膨胀阀工作的稳定性以及系统回油；低负荷下看防液击，以及系统稳定性。

4）模拟分析和台架试验的对比分析：虚拟分析作为有力的设计指导工具不仅仅是整车虚拟分析，同时必须进行关键部件的 CFD分析，我们尝试了空调管路优化设计的 CFD模拟，水路优化模拟以及空调箱体结构和风道优化模拟等，其准确性是台架试验走向虚拟分析的评估标准，也是低成本的一条核心准则；表2是目前开展的一些模拟分析。

表2　目前展开模拟项目汇总

3　整车空调开发试验

根据低成本汽车空调开发思路，系统性能台架的使用是需要大力推广的，但是目前阶段却并不能去除整车试验，其根本原因就在于系统性能台架是不能完全取代整车试验。

整车试验又包括环模试验和路试，环模试验是汽车空调开发费用的主体，路试也需要一定费用，但是路试时间越长，相对越经济，不过路试受制于环境条件，这是需要平衡考虑的。

在解读整车汽车空调开发之前，我们可以首先回答性能台架的缺点，也就是有哪些系统台架不能反映的开发内容必须通过整车开发试验来进行，而在这些整车开发过程中，哪些是风洞进行，哪些可以考虑逐步移到实车路试上，低成本开发思路及实践总结归纳如下。

1）系统结霜预测：在高温高湿环境下，小风量的空调系统很容易使得系统低压对应的饱和温度低于 0℃，从而使得来流空气里面的水分结霜，结霜的扩散会直接造成冰堵，也有由于结霜造成压缩机烧蚀的实例。低成本开发思路里面考虑该项试验可以利用路试（比如海南）的环境条件来进行，结霜试验如图4所示。

图4　结霜试验

2）大部分内循环工况性能：在性能台架上内循环是不太容易跑出来的，因为小过热度容易造成系统振荡，不能考察，只能通过实车来评估，而且内循环造成的车内气流分布也只能通过CFD来考察，低成本思路是完善车内压力微压测量，控制环模次数，大部分的内循环舒适性体验通过路试完成，空调冷却试验如图5所示。

图5　空调冷却试验

3）从出风口到呼吸点的评估：空调系统从本质上讲侧重于制冷剂侧（A/C System），而空气侧的设计（Air Handling）同样重要，低成本的思路是充分利用 CFD考察出风口的设计合理性，能否照顾到前后排的乘客，同时车体的密闭性也在整车建成时测量，确保没有大的漏风，该评估将从环模试验中逐步考虑撤出。

4）实车加热性能预测：系统加热性能从发动机余热得热，所以必须在发动机换热量确定以后展开才有意义，低成本的思路是在空调箱设计和风道设计的时候通过CFD确保脚部风道设计合理［8-10］，如图6脚部温度分布模拟所示，整车试验尽量降低试验次数，根据客户的需求安排冬季路试。

图6　脚部温度分布模拟实例

从以上所述可以看出，需要整车开发的条目大多与车辆特性相关，而可以放到路试的前提是路试环境能够提供稳定的温湿度热源。比如我国5月到10月的海南通常能够提供稳定的高温高湿热源，而我国东北的黑河等地在12月到次年2月能够提供稳定的低温热源，这些都为空调系统开发提供了稳定、廉价的环境。

4　总结

纵观汽车研发的发展历程，随着计算机技术的普及和低成本化，以及虚拟模拟技术和环模技术的成熟，展现给我们一条日渐清晰的发展思路，暨从原来的道路试验为主，转向以台架试验为主并最终实现数模和虚拟技术的突破，也就是我们说的道路-实验室-数模（R-L-M）的行进路线。

本文基于目前的汽车空调发展水平，特别是国内汽车空调开发现状，结合目前 CAE、CFD的发展水平，以及大量的工程实践，提出了一条在现有阶段如何进行汽车空调的低成本开发的基本思路：暨大力控制环模试验的次数，切实提高环模试验质量，充分利用台架试验进行汽车空调单点测试并确保准确性，充分利用路试进行不同环境条件下的舒适性调校，大力提高一维模拟软件在产品开发前期的适用面和准确性，CFD技术不仅仅侧重于整车性能预测，而且必须深入关键零部件的设计。

上述的汽车空调低成本开发思路表述为图表形式参见下图7。从本质上来说，它和R—L—M的长远战略并不矛盾，是长远战略指引下的一种短期措施，其目的都是为了提供低成本高质量的汽车空调系统，其时效也绝不是一成不变，我们将根据目前的模拟水平，不断增加虚拟技术在开发全过程中的权重，并最终配合实现R—L—M的总目标。

图7　短期内汽车空调低成本开发路线

汽车空调开发是一件复杂浩大的系统工程，从上游的供应商到下游的主机厂需要共同努力，集思广益才能高质量完成，作为开发和集成的主要负责单元，我们将联合并均衡各种开发资源，通过渐进并且积极的手段进行汽车空调系统的低成本开发。最终具有竞争力的高质量的低成本汽车空调开发体系还需要大家一起来构建和完善。

［1］ 高卫民， 彭岳华. 低成本汽车产品开发方法研究-续一［J］. 汽车科技， 2008（5）: 55-57.

［2］ 高卫民， 彭岳华. 低成本汽车产品开发方法研究-续二［J］. 汽车科技， 2008（6）: 31-33.

［3］ 赵高明. 结构创新降低前端模块成本和重量［J］. 技术与市场， 2009（4）: 42-45.

［4］ 阙雄才，陈江平. 汽车空调实用技术［M］. 北京: 机械工业出版社， 2003.

［5］ 刘占峰， 宋力. 汽车空调［M］. 北京: 北京大学出版社，2011.

［6］ 韩晓波， 钱锐. 汽车空调变排量系统稳定性的试验研究［J］. 制冷技术， 2014， 34（2）: 30-33.

［7］ 孙玉， 沈兆江， 张恒， 等. 汽车空调暖风系统性能优化与效果分析［J］. 制冷技术， 2014， 34（4）: 13-17.

［8］ 王福军. 计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用［M］. 北京: 清华大学出版社， 2004.

［9］ 赵玉新. FLUENT帮助手册［M］. 长沙: 国防科技大学出版社， 2003.

［10］ 周俊杰， 徐国权， 张华俊. FLUENT 工程技术与实用分析［M］. 北京: 中国水利水电出版社， 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

*钱锐（1972-），男，高级工程师，博士。研究方向：热力学架构开发，汽车空调系统匹配。联系地址：上海市龙东大道3999号泛亚汽车技术中心空调电子部，邮编：200438。联系电话：86-21-50161436。E-mail：Rui_Qian@PATAC.com.cn。