汽车供应商借助 Simcenter Amesim Vehicle Thermal Management 解决方案将物理原型数量减半

应对充满挑战的环境

空调 (AC) 被消费者视为大多数新车的“必备品”。但氟碳制冷剂 HFC-134a（全球标准）被认为是气候变化的罪魁祸首。出于这些担忧，欧盟 (EU) 通过了法规，从 2011 年开始逐步淘汰该化合物，并要求使用对环境影响较小的替代品。自 2018 年起，欧盟销售的新车禁止使用 HFC-134a。预计日本将很快效仿。

替代品列表的首项是制冷剂 CO2（二氧化碳），也称为 R-744。据信，这种气体比碳氟化合物更环保，冷却速度提高了 25%。此外，CO2 系统可以逆转，从而在寒冷天气中用作座舱加热器，这对于消耗电池能量的电动汽车以及需要高工作温度才能高效运行的内燃机（尤其是柴油机）来说无疑是一项优势。

然而，转用 CO2 并非易事。气体压力可能比碳氟化合物系统高 10 倍，需要专门设计压缩机、密封件和其他主要部件。为了获得高效性能，CO2 制冷剂必须保持在 31 摄氏度 (C) 的超临界温度以上，因此必须用气体冷却器取代传统的 R134a 环形冷凝器。CO2 系统还需要一种特殊的热交换机来分离高压侧和低压侧。一些行业观察人士认为，这些设计的复杂性，加上更长的开发周期和额外的物理样机测试来完善设计，可能意味着首批基于 CO2 的系统成本可能比传统装置高出 30%。

使这些困难更加复杂的是，CO2 尚未被确立为全球标准。相反，美国没有停止使用 HFC-134a 的计划，中国在生产 HFC-134a 方面进行了大量投资。此外，碳氟化合物供应商正在积极寻求替代混合物，例如 HFO-1234yf，它能够消耗更少的臭氧，是当前空调系统中 HFC-134a 的直接替代品。因此，空调供应商必须根据随时可能更改的制冷剂规格为全球不同地区开发系统。

目前，空调供应商面临的挑战是要满足这些不断变化的要求，需要系统能够顺利集成到整车中，以提供最佳的冷却性能和乘客舒适度，同时将发动机阻力和污染物排放降至最低。随着汽车行业开发周期变得越来越快，AC 供应商正在努力以优异的速度和更低的成本开发这些复杂的设计，并率先向汽车制造商展示优异的系统性能。设计速度至关重要，能否解决与空调系统相关的所有复杂热、机械和电子控制问题也同样重要。

易于访问

许多空调供应商和汽车制造商都使用 Simcenter Amesim Vehicle Thermal Management 解决方案来设计和预测 AC 系统性能。该解决方案赋能工程师分析与发动机温度、排气水平、辅助设备、座舱环境和其他因素相关的组件行为，以找到最佳组合。

使用 Siemens Digital Industries Software 公司 Simcenter 产品组合中的 Simcenter Amesim™ 软件，工程师可以轻松访问构建仿真模型、运行仿真和以图形方式显示结果所需的工具和库。

使用此西门子软件的汽车供应商之一是日本供应商康奈可。凭借在该领域 50 多年的经验，该公司是为数不多的设计和制造完整空调系统的供应商之一。康奈可确保其模块化设计和紧凑型单元符合汽车制造商减少座舱空间的要求。此外，公司在设计和制造发动机冷却系统、车辆空气循环装置、排气系统、仪表板模块和电子气候控制系统方面的经验进一步巩固了其作为一级空调供应商的地位。

康奈可创新型空调和发动机冷却模块系统开发高级工程师兼项目经理原淳一郎解释说，使用 Simcenter Amesim 软件构建模型和运行仿真不需要专家程序员。工程师拖放并连接简单图标（从不同物理域的库中选择的预定义 1D 元素），以创建基于物理场的统一模型。该方框图是一个相当简单的草图，但其底层是所有经过验证的动力学信息，是空调系统所有不同部件的真实工作一维表示。康奈可的工程师们不仅对系统的所有部分进行了建模，而且还将子系统链接在一起，以模拟空调、驾驶室和发动机之间的完整交互。

优化性能

首先，工程师为压缩机、蒸发器和管道以及气体冷却器和蒸发器中的制冷剂管等每个 AC 组件选择图标。根据车辆要求交换不同尺寸的组件，并连接起来代表冷暖制冷剂回路。然后对 CO2 的制冷剂热物理属性进行建模，并运行 1D 仿真来研究空调热输出性能以及各个零件的行为。

Simcenter Amesim 允许工程师访问各种绘图和图表，以评估空调系统的各个方面。莫利尔压力-焓图显示制冷剂在冷却循环各阶段的状态。工程师们还可以查看压缩机入口和出口的压力水平以及气体冷却器中的热交换。可以在制冷剂回路中的不同位置绘制气体质量分数水平的变化。有了这些深入的信息，康奈可工程师可以轻松地对关键参数进行灵敏度分析，以确定最佳的空调性能。

同时，工程师们使用各种图标来表示风机、风道、车窗、车身隔板的热属性、太阳热通量、内部和外部对流以及环境热辐射，并行研究座舱内部模型。通过将座舱模型与空调系统模型联系起来，工程师可以计算冷却率、座舱温度和湿度，甚至可以结合不同的天气和驾驶条件。在流程的早期使用一维模型，工程师可以准确确定关键系统组件（例如管道和风扇）的尺寸，并测试气候控制策略。Simcenter Amesim Vehicle Thermal Management 解决方案还可用于耐久性分析，分析腐蚀和污染对热交换器和其他部件的影响。

在此之后，团队将 Simcenter Amesim 解决方案向前推进了一步，以检查发动机与润滑和冷却系统、燃烧室、进气口和排气管之间的整体能量平衡。通过将发动机模型与空调系统和客舱模型联系起来，工程师可以优化发动机性能、燃油消耗和废气排放，同时提供最佳的乘客舒适度。

减少原型

“使用我们之前内部开发的程序，创建工程估算和获取实验数据非常耗时，哪怕是大致计算瞬态条件（如冷却和车速变化）下的空调性能，”原淳先生说。“此外，将发动机特性纳入开发过程以前是不可能的。Simcenter Amesim Vehicle Thermal Management 解决方案使我们能够快速准确地预测整个空调系统的运行方式，同时将原本无法包括在内的各种条件考虑在内。”

“Simcenter Amesim Vehicle Thermal Management 解决方案的巧妙之处在于，模型一旦创建并验证，就可以用作未来各种设计的基础，而无需每次都从头开始，”原淳先生说道。“工程师只需输入新参数以反映不同的车辆应用情况，然后运行仿真即可快速预测空调系统性能。”

“当全面运行并集成到系统开发中时，有迹象表明，使用 Siemens Digital Industries Software 解决方案基于仿真的过程将比当前方法准确至少 80%，并可以将物理原型数量减少一半，这在降低开发成本和缩短响应客户报价请求的时间方面具有明显的商业优势。”

对于康奈可而言，Simcenter Amesim Vehicle Thermal Management 解决方案最令人兴奋的前景之一是将其用作展示冷却和其他性能特征的销售工具。

“精确展示乘客舒适度水平以及系统对发动机性能和废气排放的影响是一项强大的功能，”原淳先生说道。“未来几年，随着全球汽车空调市场转向更环保的制冷剂，基于仿真的设计流程必将为我们的业务增长带来竞争优势。”