基于PID的車用小型制冷制熱裝置設(shè)計(jì)

歐艷華

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545006）

1 前言

車載制冷和制熱裝置已經(jīng)有成熟的應(yīng)用產(chǎn)品。從實(shí)現(xiàn)技術(shù)上來分析，車用制冷和制熱裝置在實(shí)現(xiàn)原理上主要分為：基于傳統(tǒng)壓縮機(jī)的車載冰箱、基于半導(dǎo)體制冷和制熱原理的車載冰箱以及利用保溫材料實(shí)現(xiàn)的車載保溫箱。其中基于傳統(tǒng)壓縮機(jī)原理的制冷冰箱體積相對(duì)較大，其工作原理是利用壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)制冷目的的，這種制冷方式不適合用于小型車輛上的車載冰箱?；诎雽?dǎo)體制冷和制熱原理實(shí)現(xiàn)的冰箱是目前小型車輛上的制冷冰箱的主要方式，而采用保溫材料實(shí)現(xiàn)的車載保溫箱不具備主動(dòng)制冷和制熱的能力，僅僅是依靠保溫材料來降低熱量傳導(dǎo)的能力，使得保溫箱內(nèi)的熱量與外界環(huán)境盡可能少的進(jìn)行交換。

雖然目前采用半導(dǎo)體制冷技術(shù)是實(shí)現(xiàn)車載小型制冷裝置的主流方式。但是，隨著能源越來越緊張，對(duì)于車用小型制冷裝置的工作效率成為人們?cè)絹碓疥P(guān)注的問題。本文設(shè)計(jì)的小型車載制冷制熱裝置要解決的問題是將充分利用車上現(xiàn)有的能源，盡可能提高能源的利用率，以達(dá)到在滿足用戶制冷制熱的需求下以達(dá)到節(jié)能的目的。

2 裝置設(shè)計(jì)

目前車用小型制冷制熱裝置一般是采用基于半導(dǎo)體熱電制冷制熱的原理實(shí)現(xiàn)制冷和制熱的目的。然而目前傳統(tǒng)的車

用小型制冷制熱裝置中利用熱電原理實(shí)現(xiàn)制熱，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)制熱箱內(nèi)溫度的提高，但是汽車在行駛過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)本身會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量絕大多數(shù)被當(dāng)作廢熱給釋放掉了。當(dāng)汽車在行駛過程中，啟動(dòng)車用制熱裝置則無形當(dāng)中增加了汽車能源的負(fù)荷，而且沒有充分將汽車自身所具有的熱能利用起來。另一方面，但從傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制冷裝置中，一旦啟動(dòng)半導(dǎo)體制冷，則系統(tǒng)一直處于工作狀態(tài)，并不會(huì)根據(jù)制冷箱當(dāng)前的溫度自動(dòng)的調(diào)節(jié)制冷的輸出功率，從而導(dǎo)致制冷過程中能源的浪費(fèi)比較明顯。

圖1 車用小型制冷制熱裝置結(jié)構(gòu)圖

本文設(shè)計(jì)的車用小型制冷制熱裝置（如圖1所示），車用小型制冷制熱裝置由制熱箱、制冷箱兩部分所組成，制熱箱依靠汽車行駛過程中發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量來實(shí)現(xiàn)制熱的目的；制冷箱通過半導(dǎo)體制冷芯片實(shí)現(xiàn)制冷的目的，制冷過程利用微處理器以及 PID控制原理提高制冷過程的效率。制冷箱采用發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量作為熱源，其特征是由發(fā)動(dòng)機(jī)水暖系統(tǒng)和熱交換器組成對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱源的采集循環(huán)系統(tǒng)，將制冷箱中的空氣循環(huán)流經(jīng)熱交換器，實(shí)現(xiàn)對(duì)制熱箱中空氣溫度的改變，將發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的廢熱傳遞至制熱箱中。制冷箱采用半導(dǎo)體制冷芯片實(shí)現(xiàn)制冷的目的，所選用的半導(dǎo)體制冷芯片的型號(hào)為TEC1-12710，半導(dǎo)體制冷芯片的熱端和冷端分別安裝風(fēng)扇，將熱端和冷端的能源以空氣對(duì)流的形式快速地向制熱箱或制冷箱中傳遞。半導(dǎo)體制冷循環(huán)系統(tǒng)采用微控制器實(shí)現(xiàn)精確控制，其特征是由溫度傳感器對(duì)制冷箱中的溫度實(shí)施測量，并將測量的結(jié)果送至微控制器，由微控制器執(zhí)行PID控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體制冷芯片輸入電流的調(diào)節(jié)。對(duì)制冷箱中溫度測量的傳感器使用四個(gè)溫度傳感器分別對(duì)制冷箱內(nèi)部的溫度進(jìn)行測量，溫度傳感器的型號(hào)為DS18B20。微控制器采用型號(hào)為AtXmega128A1，微控制器連接著四個(gè)溫度傳感器以及制冷工作模式控制開關(guān)，同時(shí)微控制器的輸出連接電源調(diào)節(jié)模塊。微控制器內(nèi)部設(shè)計(jì)PID控制模塊，通過PID控制算法，實(shí)現(xiàn)由制冷箱內(nèi)部當(dāng)前采集的溫度作為輸入量，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源調(diào)節(jié)模塊的輸出電流的自動(dòng)調(diào)節(jié)過程。在對(duì)制冷箱半導(dǎo)體制冷芯片輸入電源進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，其電源調(diào)節(jié)模塊的輸入端為車載12V標(biāo)準(zhǔn)電源，并使用車用標(biāo)準(zhǔn)插頭連接至車內(nèi) 12V電源的輸出端。導(dǎo)體制冷箱為制冷箱和制熱箱分別由兩層材料組成，內(nèi)層為真空隔熱層，外層為聚氨酯保溫層，最外層是加固層，使用金屬材料。

3 工作原理

PID（比例（proportion）、積分（integral）、微分（derivative））控制器作為最早實(shí)用化的控制器，誕生于已有70多年歷史，發(fā)展速度迅速，目前仍然還廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制器。它控制器簡單易懂，不需精確的系統(tǒng)模型作為先決條件，是目前最為廣泛應(yīng)用的控制器。一個(gè)控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的 PID控制器產(chǎn)品，各大公司均開發(fā)了具有 PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器 (intelligent regulator），其中 PID控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實(shí)現(xiàn)。有利用 PID控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實(shí)現(xiàn) PID控制功能的可編程控制器(PLC），還有可實(shí)現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等。本文基于PID控制器的制冷制熱裝置的的工作原理如圖2所示。

圖2 PID控制器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

車用小型制冷制熱裝置在制熱過程中將發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量通過水暖系統(tǒng)以及熱交換器將熱量傳遞至制熱箱中。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量不能夠滿足制熱箱要求的制熱需求時(shí)，再啟動(dòng)半導(dǎo)體制熱系統(tǒng)對(duì)制熱箱中的溫度進(jìn)行升溫。當(dāng)用戶需要使用制冷箱是，在半導(dǎo)體制冷循環(huán)系統(tǒng)中增加基于微控制器和 PID控制原理的制冷量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，根據(jù)制冷箱內(nèi)部當(dāng)前的溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)半導(dǎo)體制冷芯片的輸出電流，使得制冷箱的能源消耗盡可能處于最科學(xué)的狀態(tài)，以提高能源的利用率。圖1中將車用小型制冷制熱裝置分為兩部分：上半部分為制熱箱，下半部分是制冷箱。其中制熱箱和制冷箱之間放置了半導(dǎo)體制冷芯片，在半導(dǎo)體制冷芯片兩端分別安裝了散熱和散冷風(fēng)扇，使得半導(dǎo)體制冷芯片在工作過程中產(chǎn)生的熱量以及能量能夠通過風(fēng)扇及時(shí)地傳遞至制熱箱或制冷箱內(nèi)部。在制熱箱里面安裝了兩個(gè)循環(huán)風(fēng)口，分別連接至熱交換器。熱交換器通過水冷系統(tǒng)與發(fā)電機(jī)形成一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)，能夠?qū)l(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量傳遞至制熱箱中。制冷箱內(nèi)部安裝了四個(gè)溫度測量探頭監(jiān)測制冷箱內(nèi)部當(dāng)前的溫度。通過采集到的溫度送入微控制器中，由微控制器根據(jù)制冷箱中當(dāng)前的實(shí)際溫度以及制冷的目的對(duì)制冷箱的輸入電源進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體制芯片制冷量的調(diào)節(jié)，使得制冷箱在工作過程中盡量減少多余能量的消耗，其中可調(diào)電源的輸入端采用車載標(biāo)準(zhǔn)的12V電源。

4 車用制冷制熱裝置的工作過程

下面結(jié)合小型車用制冷制熱裝置的工作方式進(jìn)一步闡述本文設(shè)計(jì)的制冷制熱裝置結(jié)構(gòu)特征與其工作過程步驟如下。

（1）車用小型制冷制熱裝置啟動(dòng)后，當(dāng)用戶需要進(jìn)行制熱的需求時(shí)，制熱箱的熱交換輸入輸出風(fēng)口分別打開，而通過從發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中產(chǎn)生的熱量經(jīng)過水暖系統(tǒng)熱交換器將熱量以熱風(fēng)的形式輸入至制熱箱中，并在制熱箱內(nèi)部形成循環(huán)，提高制熱箱內(nèi)部的溫度。如果用戶對(duì)當(dāng)前制熱箱中的溫度不夠滿意，此時(shí)可以啟動(dòng)半導(dǎo)體制熱系統(tǒng)，通過對(duì)半導(dǎo)體制冷芯片施加特定方向的電流使得半導(dǎo)體制冷芯片往制熱箱內(nèi)輸出熱能，提高制熱箱的溫度。當(dāng)用戶需要使用制冷功能時(shí)，由用戶設(shè)定制冷箱的制冷強(qiáng)度，制冷強(qiáng)度可分為高中低三個(gè)檔，對(duì)應(yīng)不同溫度的設(shè)定。

（2）制冷箱溫度調(diào)節(jié)范圍為5℃～65℃，其中制冷模式設(shè)為高表示制冷的目標(biāo)溫度為5℃，制冷模式設(shè)為中，表示制冷的目標(biāo)溫度為15℃，制冷模式設(shè)為低，表示此時(shí)制冷目標(biāo)溫度為25℃。制冷箱通過溫度傳感器對(duì)制冷箱內(nèi)部的溫度進(jìn)行采樣，獲取的溫度信息送至微處理器中，由微處理器根據(jù)當(dāng)前采樣得到的溫度值以及制冷模式設(shè)定的目標(biāo)溫度。

（3）通過PID軟件模塊對(duì)可調(diào)電源進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)可調(diào)電源的輸出電流值，使得半導(dǎo)體制冷芯片以不同的功率工作，實(shí)現(xiàn)制冷箱內(nèi)部溫度的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。在制冷箱整個(gè)工作過程當(dāng)中，溫度傳感器將定期地對(duì)制冷箱內(nèi)部溫度進(jìn)行測量，并啟動(dòng)微處理器中的 PID功能模塊定期地調(diào)整半導(dǎo)體制冷芯片的工作電流，確保制冷箱內(nèi)部的制冷量與實(shí)際要求盡可能地一致，提高制冷循環(huán)系統(tǒng)的能源利用效率。

5 總結(jié)

本文所設(shè)計(jì)的車用小型制冷制熱裝置由制冷子箱和制熱箱兩個(gè)箱體共同組成，其中制熱箱采用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)行駛過程中產(chǎn)生的熱量作為熱源，當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱源不夠時(shí)，再以半導(dǎo)體制冷芯片作為熱源，而制冷箱則完全通過半導(dǎo)體制冷芯片實(shí)現(xiàn)制冷的目的。車用小型制冷制熱裝置制熱部分主要采用發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量來實(shí)現(xiàn)制熱的目的，不消耗額外的能量，降低了制冷制熱裝置的能源消耗。采用基于微處理器及 PID控制原理來提高制冷箱的制冷效率，提高了能源的利用率。

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