虚拟化技术：新能源汽车空调控制系统的智能新突破
汽车生产中，空调系统已经成为标配，空调系统的性能是衡量一辆汽车是否舒适的重要指标之一。
01.汽车空调系统组成
(1) 制冷系统：制冷系统的功能是给汽车内部提供冷空气，主要由压缩机、冷凝器、膨胀阀以及蒸发器组成。首先由压缩机对空气进行压缩，使空气通过蒸发器，并由制冷剂的挥发吸收大量的热，达到空气温度降低、从而降低车内温度的作用。制冷系统同时负责汽车内部空气净化及除湿。
(2) 取暖系统：取暖系统的主要作用是向车内提供暖风，其工作原理：将空气通入暖风水箱中，由鼓风机将水箱中的热空气吹进车内，达到取暖的目的。挡风玻璃以及车窗上的雾气和霜都可以利用暖风系统除去。
(3) 通风系统：通风系统指为车内提供混合风的装置，由送风道和风门等部件构成，经过蒸发器冷却除湿后，再根据风速以及风力的大小要求将其送入车内，功能为实现车内空气和车外空气进行调节。
(4) 空气净化系统：主要作用为排除汽车内部的污染气体，净化车内环境，一般是由空气过滤器、电子集尘器以及阴离子发生器构成。
(5) 自动控制系统：自动控制系统，顾名思义即自动控制空调调节制冷或者制热的温度，具体指测量以及控制汽车内部的温度、风量等参数，由传感器、控制中枢以及执行器三部分组成：
- 传感器：分为温度传感器、日照强度传感器以及风门位置传感器
- 控制中枢：分为电子放大器、电桥比较计算器、ECU。
- 执行器：指电磁阀、真空转换器等对中心控制系统的命令进行执行的元件。
02.新能源汽车空调控制系统主要技术
新能源汽车工业作为我国规划重点发展的战略性新兴产业，是国家坚定支持的战略方向。新能源汽车的快速发展也带动了汽车空调电动压缩机市场的快速增长。据预测，其全球市场将在2027年达到1.1亿美元的水平，中国市场将达到0.34亿美元，占全球市场的31%。
本章节将简要介绍新能源汽车空调系统与传统汽车的区别，以及近现代新能源汽车空调系统的新技术。
(1) 传统汽车与新能源汽车空调系统
传统以汽油为能源的车辆，其空调系统主要以发动机为动力源，而新能源汽车由于电池容量固定，因此其空调系统的动力源为电池组。
制冷系统方面，燃油车通过压缩制冷，实现冷循环，由于自身结构的差异，其空调系统工作主要是通过电加热装置实现。新能源汽车由于发动机的缺失，其以内部压缩机作为工作动力，整体更加节能，电量应用效率更高。在温度调节方面，新能源汽车更加环保，且噪音较小。
(2) 新能源汽车空调控制系统研究现状
新能源汽车空调系统不论是综合调控自动化性能，还是对汽车内部空气质量的改善功能都有了很大提高。汽车新空调系统采用的传感器技术更加先进，布线技术也更加合理，节能效果高，同时还可实时汽车内部空气中的湿度、温度以及汽车外部的空气流速的收集，最终将这些参数汇总至智能中枢，从而计算出空调系统的出风温度以及风扇转速等，最终达到改善汽车内部空气质量的目的。
CFD优化及集成系统
一般使用CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体力学）软件来对风道内部的压力场进行模拟仿真试验，从而了解风道内部结构对风量分配以及送风量的影响。为了更准确地获得人体在汽车内部空间各类信息，实验过程中还会加入等比例的人体仿真模型，进一步修正汽车空调系统中的某些特定的参数，有效提高汽车空调技术的更新速度。除了性能优化外，CFD软件还可以为HVAC（Heating，Ventilation & Air-conditioning，空气调节系统）和汽车仪表板的集成提供数据支持，节省了汽车内部空间。
电池余热利用技术
通过电池余热利用系统，可以将燃料电池与氧化剂进行化学反应所产生的多余能量进行转化，从而为新能源汽车的空调系统运作提供能量，能够有效减少汽车电机组的使用，实现较少能源损耗的同时增加汽车的续航能力。
从环保与成本角度分析，氢燃料电池的整个循环过程都不会生成有害物质，更有利于新能源汽车与社会发展。
热泵式空调系统
热泵式空调系统通过热泵技术将车内空气排出车外，实现车内空气流通，主要由电动压缩机、热交换器、阀岛、电子膨胀阀四大部分所组成。由于其主要通过电动压缩机进行动力供应，能量来源较为单一，对汽车运行影响较小，更适合当下新能源汽车的发展需求。
空调智能控制技术
随着技术更新迭代，新能源汽车行业逐渐应用大数据、云计算与物联网等新兴技术，进行智能化、自动化发展。由于设计、生产过程中各类电子元件逐渐增多，越来越多的先进技术得以应用，空调智能控制技术指的就是汇集CAN（Controller Area Network，控制器局域网）总线、数字温度传感器、无线技术的智能控制技术。
- CAN总线技术：遍布车身的传感器将汽车的各种行驶数据发送到总线上，总线作为“信息共享平台”，各接收端可以从总线上读取需要的信息，从而使汽车的各个系统协调运作、信息共享。
- 数字温度传感器：能够对空调控制系统中的各类数据信息进行收集，保证空调系统更加高效地运转。当下，一些新能源汽车正在空调控制系统中应用ARM处理器，对传感器所收集到的信息、数据进行处理与分析，从而提升车辆行驶的安全性与稳定性。
- 无线技术：可实现空调系统的远程操控，通过无线模块通信设备发送指令，车辆接收器接收到指令后即可实现空调远程控制。
数字化、智能化的空调控制系统有效提升了用户的使用体验感，并且能够为车辆安全行驶、稳定行驶提供有效支撑。
电动压缩机控制系统
新能源汽车空调电动压缩机系统主要由直流电源、控制器、开关、压缩机等部分构成，主要通过永磁同步电机工作，分为面装式、内装式与嵌入式，其密闭结构使得空调压缩机防尘防水效果较好，并且在安全性与使用寿命上表现更好。
目前市场上存在多种类型的电动压缩机控制器，例如基于单片机的控制器、基于ARM的控制器和基于DSP的控制器等。这些控制器需要根据具体的应用场景进行选择，还应考虑控制器与整车系统的兼容性以及与其他部件的协同工作：电动压缩机控制系统需要与电动汽车的电池管理系统、电机控制系统等进行有效的通信和协调，以确保整个系统的高效运行。
03.空调电动压缩机控制系统的虚拟化
传统汽油车空调电动压缩机控制技术通过电子控制单元（Electronic Control Unit，以下简称ECU）对电动压缩机的转速、运行模式和工作状态等进行精确控制， ECU主体为一个集成电路板，外部由壳体封装保护，集成了微处理器、输入输出接口、存储器、模数转化器、驱动电路、稳压器等多个部分。其硬件组成部分包括电源管理单元、数据采集卡、CAN 通信板卡、信号调理单元和负载仿真单元，各部分连接图如下图所示：
▲汽车空调压缩机硬件部分连接图编辑
汽车空调压缩机ECU负责对外部传感器采集到的各类信号进行处理，如将压力传感器和鼓风机反馈的数字量信号直接传递给控制器进行逻辑运算，而压缩机和鼓风机的驱动信号需经过A/D变换为数字量信号后，将被控制器采集处理。
新能源电动汽车中压缩机没有机械驱动，采用电驱动，VCU（Vehicle Control Unit，整车控制器）也发挥了其控制空调的部分职责。VCU根据电池加热或冷却的需求，结合HVAC的工作需求，控制水泵工作、控制冷却回路水流量，进行热交换，同时也进行对空调压缩机的工作功率进行管理。
▲电动汽车VCU控制示意图编辑
天目全数字实时仿真软件SkyEye作为国产自主可控的硬件行为级仿真平台，支持用户通过拖拽的方式对汽车空调压缩机控制系统进行建模和仿真，搭建空调电动压缩机的虚拟ECU/VCU，工程师无需二次开发，即可在SkyEye虚拟ECU/VCU上直接运行不加修改的控制软件（支持二进制程序/源代码），并可联合多领域多学科的其他仿真软件构建复杂数字样机和虚拟原型，切实解决当前汽车空调系统优化的实际工程中存在的问题。
▲基于SkyEye的汽车空调压缩机虚拟ECU/VCU联合仿真示意图编辑
基于SkyEye的汽车空调压缩机虚拟ECU/VCU能够在研发早期阶段支持整车系统集成仿真，更早地进行复杂系统级任务，减少集成风险，有助于缩短产品整体上市时间。其工作原理和结构特点也使测试人员从繁琐的机械化流程中解放出来，有效提升测试质量，优化测试流程，提高测试效率，使产品的质量和安全性得到有效保证。
