基于太陽(yáng)能供電的車輛智能降溫控制系統(tǒng)

韓文穎 趙明君 春蘭

摘要：汽車在駐車后，特別是在炎熱的夏天，經(jīng)過太陽(yáng)光照射后，車內(nèi)的高溫使乘坐人員非常難受。基于此，本文利用半導(dǎo)體制冷裝置和太陽(yáng)能供電裝置，設(shè)計(jì)一套系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機(jī)控制為核心，實(shí)現(xiàn)在不啟動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的前提下，完成車體的整個(gè)內(nèi)外循環(huán)降溫，從而實(shí)現(xiàn)了智能化降溫，提高了乘車人員的舒適度。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體制冷裝置;太陽(yáng)能供電裝置;智能降溫

中圖分類號(hào)：TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2022.13.073

0引言

現(xiàn)在汽車已經(jīng)非常普遍了，汽車的安全隱患是人們關(guān)注的重點(diǎn)，但是，經(jīng)過暴曬后車體的安全隱患卻不易引起人們的注意。其實(shí)在高溫曝曬下，車內(nèi)溫度會(huì)快速上升，這種高溫對(duì)人體健康損害非常大。為了降溫，現(xiàn)在主要采取空調(diào)系統(tǒng)、智能換氣系統(tǒng)、化學(xué)降溫劑等措施，而這些措施消耗的能源是石油和煤炭，這些能源在燃燒的過程中產(chǎn)生的有害物質(zhì)必將危害到人們的生活。

本文設(shè)計(jì)的基于太陽(yáng)能的車輛智能降溫系統(tǒng)，是將太陽(yáng)能供電系統(tǒng)直接應(yīng)用于汽車上，是汽車空調(diào)的發(fā)展趨勢(shì)。本系統(tǒng)將半導(dǎo)體制冷裝置、水循環(huán)裝置、內(nèi)外循環(huán)裝置、太陽(yáng)能供電裝置連接起來，以單片機(jī)控制為核心，將太陽(yáng)能作為能量來源，利用半導(dǎo)體制冷裝置實(shí)現(xiàn)車內(nèi)智能降溫，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程手動(dòng)控制兩個(gè)部分，能在短時(shí)間內(nèi)使車內(nèi)的溫度達(dá)到系統(tǒng)所設(shè)定的合適溫度，解決了空調(diào)能耗大、車內(nèi)溫度過高引起的安全隱患等弊端，實(shí)現(xiàn)了智能化降溫。

1系統(tǒng)的工作原理

1.1總體設(shè)計(jì)

本智能降溫系統(tǒng)由太陽(yáng)能供電裝置、降溫控制系統(tǒng)組成，其中太陽(yáng)能供電裝置由太陽(yáng)能電池、防反充二極管、控制器、儲(chǔ)能系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本智能降溫系統(tǒng)利用太陽(yáng)能電池的工作原理，當(dāng)能量充足時(shí)，將能量經(jīng)過控制器送到了降溫控制系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)，同時(shí)，當(dāng)能量不足時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)也可以為降溫控制系統(tǒng)提供能量。

1.2降溫控制系統(tǒng)

降溫控制體統(tǒng)主要包含半導(dǎo)體制冷裝置、內(nèi)外循環(huán)裝置、自動(dòng)/遠(yuǎn)程手動(dòng)控制裝置、水循環(huán)裝置，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2.1半導(dǎo)體制冷裝置

半導(dǎo)體制冷裝置能夠?qū)⑵囓圀w內(nèi)的高溫氣體進(jìn)行冷卻降溫處理，并將冷卻后的氣體送至車內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)降溫效果。本制冷裝置以半導(dǎo)體制冷器為核心，半導(dǎo)體制冷器是一種基于珀?duì)柼?yīng)的新型制冷器件，即利用半導(dǎo)體材料組成P-N結(jié)，通過兩端加的直流電源進(jìn)行制冷，實(shí)現(xiàn)電熱轉(zhuǎn)換。其結(jié)構(gòu)如圖3所示，將一只P型半導(dǎo)體元件與一只N型半導(dǎo)體元件連接成熱電偶，然后在兩端接直流電源，在接頭處就會(huì)產(chǎn)生熱量和溫差轉(zhuǎn)移。在下端處，電流方向是P流向N，溫度上升并釋放熱量，這便是熱端;而在上端處，電流方向是N流向P，溫度下降并吸收熱量，則成為冷端。如果改變電流的方向，那么下端溫度就會(huì)下降并吸收熱量，成為冷端，上端溫度上升并釋放熱量，成為熱端。

不同于一般的壓縮式制冷方式，半導(dǎo)體制冷技術(shù)有體積小、沒有噪音、沒有運(yùn)動(dòng)部件、質(zhì)量不大、污染極小、可靠性不低等特點(diǎn)，在電子設(shè)備散熱系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用 。

1.2.2內(nèi)外循環(huán)裝置

本智能降溫控制系統(tǒng)是依靠太陽(yáng)能供電裝置，在不啟動(dòng)車的情況下，利用汽車空調(diào)的循環(huán)管道、溫度傳感器、抽氣泵和車內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)等自動(dòng)啟動(dòng)相應(yīng)溫度下的內(nèi)外循環(huán)系統(tǒng)。當(dāng)接于外循環(huán)系統(tǒng)的溫度傳感器檢測(cè)到車內(nèi)溫度與設(shè)置的高溫一致時(shí)如60℃-70℃，自動(dòng)啟動(dòng)外循環(huán)系統(tǒng)，抽氣泵運(yùn)行，進(jìn)風(fēng)口打開，將車內(nèi)的高溫空氣不斷與外界空氣進(jìn)行交換，實(shí)現(xiàn)降溫。當(dāng)車內(nèi)溫度降至與外界空氣溫度相同時(shí)如40℃后，外循環(huán)系統(tǒng)關(guān)閉，此時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，進(jìn)風(fēng)口關(guān)閉，運(yùn)行半導(dǎo)體制冷裝置工作，將冷卻后的氣體通過汽車的空調(diào)管道送入車內(nèi)，將車內(nèi)溫度降至設(shè)定的低溫如26℃。在駐車時(shí)，駕車員可啟動(dòng)遠(yuǎn)程手動(dòng)裝置，設(shè)置在多長(zhǎng)時(shí)間后到達(dá)車內(nèi)，手動(dòng)啟動(dòng)降溫控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

1.3太陽(yáng)能供電裝置

太陽(yáng)能供電裝置安裝于汽車頂部，此供電裝置由太陽(yáng)能電池、控制器、儲(chǔ)能系統(tǒng)組成，這里儲(chǔ)能系統(tǒng)選擇的是鉛酸蓄電池組。

本裝置控制器的單片機(jī)選擇有脈沖寬度調(diào)制（這里簡(jiǎn)稱PWM）功能，真正10位200 ksps的17通道單端/差分ADC，帶模擬路器的C8150F320。以此單片機(jī)為核心的控制器能夠?qū)崿F(xiàn)MPPT（最大功率跟蹤）功能，太陽(yáng)能得到了充分的應(yīng)用，并將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變成電能，為各個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的工作電壓，能夠在符合馬斯曲線條件下為蓄電池充電，當(dāng)蓄電池容量C小于額定容量的30%，就要切斷負(fù)載向上位機(jī)報(bào)送警告信息，以免造成蓄電池過度放電。本控制器的溫度傳感器采樣電路能實(shí)時(shí)采集車內(nèi)溫度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)降溫控制。本供電裝置中的蓄電池在太陽(yáng)能充足的情況下將多余的太陽(yáng)能儲(chǔ)存起來，而在太陽(yáng)能不足的時(shí)候?qū)?chǔ)存能量釋放出來。

2智能降溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本智能降溫控制系統(tǒng)的控制器以單片機(jī)控制為核心，通過溫度傳感器實(shí)時(shí)采集車內(nèi)溫度，自動(dòng)控制內(nèi)外循環(huán)系統(tǒng)從而實(shí)現(xiàn)智能降溫。當(dāng)監(jiān)測(cè)到車內(nèi)溫度I高于設(shè)定的高溫Ih如40℃時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)外循環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到車內(nèi)溫度I降至Ih，外循環(huán)系統(tǒng)關(guān)閉，開啟內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到車內(nèi)溫度I 高于設(shè)定的低溫Il如26℃時(shí)，通過單片機(jī)來控制24V半導(dǎo)體制冷裝置工作，當(dāng)監(jiān)測(cè)到車內(nèi)溫度I在設(shè)定的低溫Il附近時(shí)，單片機(jī)輸出PWM信號(hào)控制量，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通與關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流變化的控制，從而改變制冷片的工作形態(tài)，使車內(nèi)溫度一直在設(shè)定的低溫附近，完成制冷恒溫控制的目的，圖4是智能降溫控制系統(tǒng)流程圖。

3系統(tǒng)降溫計(jì)算

3.1風(fēng)扇換氣時(shí)間計(jì)算

夏季，汽車在高溫暴曬后車內(nèi)溫度可達(dá)70℃，假設(shè)外界空氣的溫度 40℃，那么在工作過程中，首先啟動(dòng)外循環(huán)，將車內(nèi)的高溫空氣70℃與外界空氣40℃進(jìn)行交換，實(shí)現(xiàn)第一步降溫。以汽車車內(nèi)空間為4m3為例，某汽車選用電子風(fēng)扇KF249S，其排風(fēng)量為4000m3/h，當(dāng)4m3的高溫空氣排出時(shí)，需要時(shí)間為 t1=3.06min。

3.2制冷片制冷時(shí)間計(jì)算

陽(yáng)光對(duì)車加熱功率為透過車窗玻璃加熱功率Φ1和透過車頂加熱功率Φ2之和。

假設(shè)光照強(qiáng)度為1000W/m2，車窗玻璃的面積大約為1.07m2，車玻璃光的透射率為80%，透射光的熱載體約為40%。車頂?shù)牟馁|(zhì)為碳素鋼，反射率為91.03%，導(dǎo)熱系數(shù)為58.033/W（m·K），車頂面積大約為2.15m2，那么太陽(yáng)光對(duì)車的加熱功率為：

Φ=Φ1+Φ2

=1000×1.07×0.08×0.04+1000×2.015×0.0087

=731.05W（1）

進(jìn)而得出太陽(yáng)光對(duì)車的加熱功率Φ為731.05W。

高溫曝曬下智能降溫系統(tǒng)將40℃的車內(nèi)溫度降至26℃時(shí)，車內(nèi)氣體散熱量：

Q=CpmΔt=CpρVΔt（2）

式中，Cp=1.005kJ/（kg·K），ρ=1.060kg/m3，V=4m3，Δt=14℃，將數(shù)據(jù)代入（2）中，從而得出車內(nèi)氣體散熱量Q為59656.8J。

本系統(tǒng)采用的半導(dǎo)體制冷片型號(hào)為TEC1-19912，最大電壓24V，最大制冷功率為288W，最大溫差電流為12A，這里選取5片，則制冷量Q總就是太陽(yáng)能對(duì)車加熱量和車內(nèi)氣體散熱量之和，即

Q總=npt2=Φt2+Q=731.05t+59656.8（3）

式中，n=5，p=288W，t2為制冷片制冷時(shí)間，經(jīng)過計(jì)算，制冷片制冷時(shí)間為85s。

故將車內(nèi)70℃高溫降至26℃時(shí)，所需要的總時(shí)間5.5分鐘左右，在車輛不啟動(dòng)的情況下，駕駛員可通過遠(yuǎn)程手動(dòng)裝置，設(shè)置在6分鐘后到達(dá)車內(nèi)，手動(dòng)啟動(dòng)降溫控制系統(tǒng)。

3.3水箱溫度變化

水箱是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，發(fā)動(dòng)機(jī)利用水箱回路散發(fā)熱量，來確保它合適的工作溫度。為確保汽車發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，正常范圍一般都在80℃到95℃內(nèi)。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在工作的時(shí)候，氣缸內(nèi)氣體的溫度是1700℃～2500℃，如果不迅速冷卻，則發(fā)動(dòng)機(jī)零部件一直在高溫的環(huán)境下工作，勢(shì)必會(huì)影響它的壽命。因此，需要計(jì)算水箱內(nèi)水溫變化，以6L水箱體積為體積為例，水吸收的熱量Q吸：

Q吸=cmΔt=cρvΔt（4）

式中：c=4.2×103J/（kg·℃），ρ=1.g/m3，V=6m3，Δt=水箱內(nèi)水的升溫。

水箱所吸收的熱量Q吸就是流經(jīng)過半導(dǎo)體制冷器時(shí)水釋放的熱量Q放，而半導(dǎo)體制冷器制冷時(shí)，其所釋放的熱量Q總是水釋放的熱量Q放，當(dāng)制冷時(shí)間為92s時(shí)，代入（3）式得出Q總為123280J，則Q放為123280J，從而：

Q吸=Q放=123280J（5）

將（4）式代入（5）式中，進(jìn)而得出水箱內(nèi)水的升溫Δt為4.9℃，即因半導(dǎo)體制冷器熱端散發(fā)的熱量使水箱升溫遠(yuǎn)小于其可正常工作溫度，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)幾乎沒什么影響。

4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在不同時(shí)間段，利用溫度探測(cè)儀記錄車內(nèi)溫度并填于表1。

通過數(shù)據(jù)分析，將高溫暴曬后的汽車內(nèi)氣體溫度降至26℃左右時(shí)，用時(shí)是6分鐘，與理論值相差不大。

5結(jié)論

本智能降溫系統(tǒng)利用車內(nèi)原有的器件，再外加一些零件，不需要對(duì)汽車進(jìn)行大規(guī)模的改造，在不增加任何油耗情況下，通過太陽(yáng)能供電裝置和自動(dòng)/遠(yuǎn)程手動(dòng)裝置開啟車內(nèi)外循環(huán)系統(tǒng)，讓車輛迅速降溫。

（1）本系統(tǒng)中的太陽(yáng)能供電裝置，即能對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行最大功率跟蹤，使得能源得到合理應(yīng)用，又能保障蓄電池不會(huì)被過度充電、過度放電，從而延伸了蓄電池的使用壽命。

（2）本系統(tǒng)能夠?qū)⒈窈筌噧?nèi)溫度迅速降至人體舒適溫度，而降溫時(shí)對(duì)水箱溫度變化非常小。

（3）駕駛員可以通過遠(yuǎn)程手動(dòng)裝置操控智能降溫系統(tǒng)，設(shè)置幾分鐘后到達(dá)車內(nèi)，這種方式便捷而又舒適。

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基金項(xiàng)目：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)?；痦?xiàng)目（2017030035）;內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)?；痦?xiàng)目（2020364）;內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2018LH05031）。

作者簡(jiǎn)介：韓文穎（1983-），女，漢族，碩士，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練教學(xué)部，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向：控制工程;春蘭（1980-），女，蒙古族，博士，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練教學(xué)部，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向：控制工程（通訊作者）。