汽车空调产品的协同开发探讨

江宜春

摘要：本文阐述了在电动轿车开发各个阶段中空调系统性能的关键技术。随着汽车技术的不断推陈出新，各级供应商和整车厂之间的协同合作日益紧密，特别是新能源汽车的研发。尽管新能源汽车的发展起步较晚，全球不同整车厂之间的技术水平差距相对传统汽车来说很小。但在现在社会汽车整车及零部件的研发节拍还是至关重要的。作为汽车舒适性的重要零部件空调系统也是常常成为区分汽车性能好坏的重要因素之一。因此，汽车厂商非常重视整车的快速制冷，快速加热和低噪音的空调性能。

关键词：新能源；汽车；空调；快速；同步

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）33-0133-04

一、引言

自21世纪以来，随着全球各国对能源、环保等问题的关注，国内外各大汽车企业和科研机构明显加大对电动汽车研发的投入力度，各国政府也通过制定各项措施和相应的政策以促进新能源汽车的研发和推广，使电动汽车的发展步伐更快，到目前也有部分电动汽车进入批量生产，并进入家庭使用阶段了[1]。

尽管电动汽车关键零部件技术的研究日趋成熟，产业化程度也在日益提高，但由于其涉及一些新技术的应用，特别是电池技术，使其在广泛应用和用户接受方面还是有很大的差距。而作为电动车的乘坐舒适性和保证电池的使用寿命的空调系统在电动车整个架构中还是起到关键的作用。因此在现在整车开发的快节奏中，作为零部件设计开发的供应商在整个整车开发流程中在保证产品的性能和整车需求的情况下如何与整车做到协同开发是至关重要的。

二、汽车产品开发概述

新能源汽车虽然与传统汽车有较大的区别，但整个的整车开发流程中还与传统汽车差别不大，在目前的技术水平和人员配置条件开发一部新能源汽车也需要至少3年的时间，其涉及到市场调查、公司高层的战略决策、制定各个系统的目标、将目标分解到各个系统和部件、制造模型车、各项性能指标的检验以及制造出汽车过程[2]。

在整车开发中影响因素很多，但可以归纳为四个方面：顾客的需要、政府的法规、市场上竞争对手的产品和公司自身的技术水平。图1为整车开发的基本过程及在不同阶段的主要工作（虚框内的内容）。

终端客户在购买汽车时，会考虑很多性能和可靠性方面的要求，如汽车的款式、外观、安全性、舒适性、燃油经济性、可靠性、内部空间、行李箱尺寸和价格等等。

三、结合整车开发的空调系统开发流程

图1所示的是基本整车开发过程，但这个过程并没有体现整车开发的深度和复杂性。由于整车最终是由单个零部件组装而成，因而从整车性能目标拆分到系统性目标，进而拆分到最终可以制造的零部件性能目标。图2可以形象地显示零部件开发与整车开发的关系，也通常称之为V型开发程序。

在实际整车开发流程中，零部件开发、系统集成和整车集成这几个是分不开的，是由整车的目标拆分到系统，再到零部件的目标；还是根据有现有零部件的目标，进行系统和整车集成后形成整车的目标。这得从整个产品开发的需求，如时间、成本、产品的可靠性以及产品的质量目标等相关，而并没有硬性的规定。也可以在不同的产品开发阶段进行必要的分析后再进行最后确定。

四、不同阶段中的协同开发

协同开发不同于通常意义上的同步开发（Concurrent Engineering）。同步开发有两种含义：其一是在设计过程中通过工作组和专家把关，同时考虑产品生命周期的各个方面；其二是在设计阶段就可同时进行工艺（包括加工工艺、装配工艺和检验工艺）过程设计，并对工艺设计的结果进行计算机仿真，直至用快速原型法（RPM）并结合逆求工程（RE）技术生产出产品的样件。对于我国汽车企业，更多的应用在整车内部不同部门不同分公司之间的同步工程，而很难将供应商纳入该体系之中。因此在此强调的是整车厂与供应商的资源共享，整车厂与供应商之间的有效技术沟通、数据沟通、经验交流，其中作为信息沟通平台的PDM系统是必不可少。

整车厂在产品开发过程中，其中内部的部门也有很多。为了协同开发的效率，零部件开发商在这个开发组织结构中也成为其中的部门或分支，在整车开发过程中共享相关的开发信息。

（一）在概念设计阶段

作为整车厂在图1所示的整车概念开发阶段（甚至更早）是将整车的性能指标通过各种手段（如CAE，CFD等计算机虚拟分析）分解到各个系统和零部件[3]。在该阶段最为空调系统的开发商来说，其介入得越早越有利于整车开发时间的缩短，毕竟空调系统的开发上是最熟悉其自身的成熟的产品，而正是这些成熟的产品不但保证其较短的产品开发周期，而且还能保证产品的可靠性。而在这种协同开发中，对空调系统的开发商和整车厂来说，相互的产品设计输出和输入是影响产品设计的正确性和缩短产品开发周期的重要保证。

该阶段整车厂对应空调系统的设计输出至少包含以下内容：电池的容量（冷却电池所需要的冷量）、电动压缩机的规格、电子电器的通讯要求、乘客舱的制冷量及加热量、风量大小、噪音大小、控制的初步策略和相应零部件的空间布置等要求。

空调开发生产企业根据整车厂的技术要求将最大化利用其标准件、通用件、过去生产过的零部件或用组合方式或称为堆积木方式来设计新产品。当然采用这种方法的前提是必须使零部件标准化、通用化，并加强对这些零部件的管理工作。应事先规定每个标准件和通用件的特征及其使用范围，在进行新产品设计时，设计人员可运用优选法，选择适当的标准化以及通用化零部件。设计时通常可以拟定几个产品组合方案，通过技术经济效果分析或采用价值工程分析方法，选择最优组合方案。因此，这种设计方法最容易实现产品设计自动化，容易实现利用计算机进行辅助设计。

当然在这个阶段，整车厂与空调系统开发商的硬软件资源的相互利用和合理调配也是很重要的。在概念阶段中，计算机的虚拟分析占有大半的工作，整车厂可以利用其整车厂的资源，如CAE，进行分析整车车身的模态和频率时，须及时将空调系统的关键零部件的模态和频率分析完成。

图3所示是整车开发与零部件开发在概念阶段各种信息沟通渠道。这些信息沟通可以再PDM中完全可以实现，对于产品设计所用的工具，如CAD、CFD、有限元分析等，虚拟装配等数据资源均可以再PDM数据库中进行共享和调用。

在概念阶段中间，还涉及到系统工程问题，首先需要明确空调这个系统的范围，其含有关键零部件：电动压缩机总成、冷凝器储液罐总成、空调管路、空调暖风总成、电加热器、电池冷却器总成和控制器组件等等[4]；在这个系统开发中过程，其中零部件与周边零部件物理上的边界关系、电子电器件的连接和电子电器零部件之间的通讯问题将不断清晰和完善。这就是空调系统开发所涉及的比较全面的系统性工程。空调系统开发商可以依据整车厂的初步技术要求，利用相关的计算机软件对制冷剂回路和空气回路进行性能计算，并可以在软件中利用相关的经验数据进行初步的系统验证和匹配；还可以利用相关的软件如Matlab进行电子电器控制上虚拟设计并进行虚拟验证。

（二）整车手工/快速样车阶段

在概念阶段中，主要是采用一系列的虚拟手段和共享平台进行整车、系统和零部件的性能设计和验证。而在整车手工/快速样车阶段，则是通过经济实惠的手段进行工程样件的制作，并零部件级的样件进行性能测试，以确定其满足设计要求，再在样车车间进行组装成整车。在该阶段的样件制作并不过多的考虑其工艺性，但需要最大限度的确保零部件的性能和装配尺寸的正确性。

图4所示是在该阶段，空调开发商与整车厂之间的关系。很多零部件开发商在沟通渠道上为了信息的正确性和单一性，往往采用单线联系和沟通，在协同开发中就需要采用图4所示的交叉沟通，应允许不同部门之间的直接沟通，以加强协同开发的效率。

这种协调开发模式将要求很强的项目管理团队，对协同开发过程中的技术、沟通、成本、设计质量、人员配置、时间进度等等进行高效的管理，并在协同中不断定义不同的成员的职责范围。

在该阶段的协调开发中需要空调开发商积极参与到整车厂相关的开发环节，需要一定技术在现场对整车装配进行跟踪，并积极反馈试装过程中的问题，在最短时间将问题解决；在整车试验验证过程中也需要空调开发商的实验工程师一起参数相关的实验验证，在问题出现的第一时间进行初步判断和分析，确保整车厂的整车试验验证和性能匹配顺利按计划进行。

协同开发的目标是在更短的时间开发出高质量的产品，因此需要不同的开发阶段中寻找合适的时间、合适的人员来完成适当的开发工作。在阶段开发工作的最终结果就是完成整车工装样车的设计验证，但这个阶段并不一定是从前一阶段完全完成后才进行，而且下一阶段也并不是从该阶段完全结束后才启动的。图5可以逻辑性的表示协同开发。

因此在第一辆车装车完成后，基本可以确认空调相关的零部件装配，继而可以进行工装、工艺等等细化设计；而在相关性能试验后，确认空调性能整车实车上是满足其需求的，这样工装和工艺等细化将是有效，如果有些改动，这对工装和工艺的影响也是在可控的范围。总之这些将有利于提高协同开发的效率。

该阶段的协同开发主要内容是根据先期从虚拟分析很验证得到的技术目标进行快速样件的制作；针对快速样件进行相关的性能测试，确保其满足零部件的性能目标；将相关零部件组装在一起，在试验台架上进行性能匹配和验证；最后提交整车厂进行整车装配验证、整车性能试验验证和用于其他零部件的整车耐久性验证等等。

（三）整车工装样车阶段

该阶段协同开发的内容与上节很接近，但在阶段更注重的是产品在一定工装、工艺和质量控制等条件下制造出来后是否满足最终技术要求。因此该阶段同上一节一样，设计、制造和管理等不再是被看成彼此相互独立的过程，而要将它们纳入一个整体的系统来考虑。很多工作是并行着进行的，如：一方面在设计过程中通过工作组和专家把关，可以同时考虑产品生命周期各个方面的因素；另一方面是在设计阶段就可同时进行工艺（包括加工工艺、装配工艺、检验工艺等）过程设计，并对工艺设计的结果进行计算机仿真，用快速成型等方法制出样机。由于产品设计变更都是在产品整个生命周期的后半部分出现问题时才进行的，这时变更设计造成开发周期增长，开发成本费用增高，流程与设计都难于改变；在该阶段中，有很多的工程更改可能随之而来。而协同开发工程强调在设计开始阶段就对设计结果随时进行审查，并及时反馈给设计人员。这样可以大大缩短设计时间，降低产品开发成本，还可以保证将错误消灭在萌芽状态。

协同开发小组应建立典型产品的设计模型。但该阶段需要对模型进行验证的权重较小，而主要将模型、实物和工艺进行验证，以达到在产品设计、可靠性设计和可靠性试验的目的，就是为了建立典型产品的设计数据库，并通过现代计算机的应用技术，将设计数据实现信息收集、编制、分配、评价和延伸管理，确立典型产品设计模型。并通过对确立的典型产品设计模型的研究，利用信息反馈系统进行产品寿命估算，找出其产品设计和产品改进的共性要求，实现产品的最优化设计。要使开发的汽车产品设计最优化，还必须了解同类产品的失效规律及失效类型，尤其是对安全性、可靠性、耐久性有重要影响的产品设计时，要认真分析数据库内同类产品的失效规律及失效类型作用，采取成熟产品的积累数据，通过增加安全系数、降低承受负荷、强化试验等方法，来进行产品最优化设计。

（四）小批量阶段的协同开发

并行工程在小批量试制阶段的工作重点是实现生产能力的优化。应按产品质量要求对生产能力进行合理配置。生产过程的“人员、设备、物料、资金、信息等”诸要素的优化组合，是实现用最少投入得到最大产出的基础，尤其是在产品和技术的更新速度不断加快、社会化大生产程度日益提高的今天，要实现产品快速投放市场，就更需要对工艺流程、工序成本、设备能力、工艺装备有效性、检测能力及试验能力的优化分析，实现生产能力的合理配置。同时对生产出来的产品，应站在用户的立场上，从加工完毕、检验合格的产品中抽取一定数量，评价其质量特性是否符合产品图纸、技术标准、法律法规等规定要求；并以质量缺陷多少为依据，评价产品的相应质量水平，并督促有关部门立即制定改进措施，对投入试用的产品还应把用户反馈回来的信息进行分析，对用户提出的合理和可行的建议，也应拿出改进措施，实现客户满意。另外，由于汽车这个产品对安全要求的特殊性，企业还必须对汽车进行安全可靠性试验。汽车产品的安全可靠性试验的目的，主要是考核产品是否达到规定的安全要求。产品设计改进和产品质量改进是贯穿于产品寿命周期的一项经常性工作，持续改进是使企业管理水平不断提升的基本方法，更是追求顾客满意、企业获利的永恒动力。

五、结论

在激烈的汽车市场竞争中为提高我国汽车企业的竞争力，尽力缩短产品开发周期和实现顾客满意，已成为我国汽车企业的关键。而汽车从设计开发到投放市场是一项艰辛而复杂的系统工程。在汽车产品开发中运用并行工程，就是为了将满足客户需要的高品质汽车产品快速投入市场。总的来说以整车企业与配套企业互利互惠为原则，采取的从概念设计到产品销售各阶段有关人员共同考虑汽车全生命周期内质量、成本、价格、服务和产品开发速度的一体化实施的过程，就是我们所探讨的并行工程在汽车开发中的运用。

参考文献：

[1]徐国卿.电动汽车技术发展趋势与展望[J].先进技术研究通报，2010，（2）.

[2][美]卡尔T.犹里齐，斯蒂芬D.埃平格.产品设计与开发[Z].

[3]吴忠，彭为.基于虚拟样车、逆求工程及异地并行设计技术的汽车车架设计、开发系统研究[J].计算机工程与应用，2004，（4）.

[4]Toyota Hybrid System THS II[EB/OL].

http：//www2.toyota.co.jp/en/tech/environment/ths2/system.html.