車載光伏供電控溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)分析

蘇冠領(lǐng)?李玉琴?甘新泉

摘要：隨著現(xiàn)代社會(huì)中私人轎車的普及度不斷提升，對(duì)于廣大車主來(lái)說(shuō)，夏季戶外開(kāi)車是一種煎熬，車輛在戶外停放一會(huì)，車內(nèi)的溫度就會(huì)快速上升，最高可達(dá)70多度，還容易導(dǎo)致車內(nèi)易燃物爆炸并引發(fā)火災(zāi)等問(wèn)題，對(duì)此，在汽車設(shè)計(jì)中需要考慮到這一點(diǎn)，為車輛能量均衡提供技術(shù)支持，避免車內(nèi)溫度過(guò)快地增長(zhǎng)。目前，車輛生產(chǎn)中已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用太陽(yáng)能，通過(guò)太陽(yáng)能向電能轉(zhuǎn)化，啟動(dòng)風(fēng)扇讓車內(nèi)空氣流通起來(lái)，以達(dá)到降溫效果，但考慮到傳統(tǒng)光伏太陽(yáng)能使用中的相關(guān)機(jī)構(gòu)使用存在一定安全問(wèn)題，所以本文研究一種車載光伏供電控溫系統(tǒng)，促進(jìn)制冷制熱效果不斷優(yōu)化，彌補(bǔ)傳統(tǒng)裝置的不足。

關(guān)鍵詞：車載；光伏；供電控溫系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

基金項(xiàng)目：2021年廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目；一種基于太陽(yáng)能供電的車載自動(dòng)供氧控溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（2021KY1867）。

蘇冠領(lǐng)（1994.01-），男，漢族，廣西合浦，本科，助教，研究方向：職業(yè)教育、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。

全球變暖的趨勢(shì)愈演愈烈，傳統(tǒng)化石能源緊張的趨勢(shì)日甚，各國(guó)政府都在積極探索能源發(fā)展戰(zhàn)略，提出要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和加大可再生資源應(yīng)用比例。光伏能源作為重要的可再生能源，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能的有效利用，節(jié)能能源資源，而在汽車生產(chǎn)供能中，光伏太陽(yáng)能也是重要組成部分，是汽車供電的重要來(lái)源之一。

一、太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)

我國(guó)自1958年開(kāi)始探索太陽(yáng)能電池技術(shù)，此后不斷研究對(duì)于太陽(yáng)能資源的開(kāi)發(fā)利用，形成了一系列的研究成果，并在相關(guān)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用上面取得了重大突破。光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)作為目前增速最快和最穩(wěn)定的可再生能源，其在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用能有效減少汽車對(duì)石油、天然氣、電能等消耗。研究指出，未來(lái)光伏太陽(yáng)能將發(fā)展成為人類基礎(chǔ)能源之一[1]。汽車作為我國(guó)重要的工業(yè)支柱型產(chǎn)業(yè)，正處于高速發(fā)展時(shí)期，而就汽車光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)看，汽車負(fù)載為汽車電子打火及內(nèi)外部照明，照付系統(tǒng)可以通過(guò)逆流系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，選擇蓄電池氣密性和安全性高的產(chǎn)品，能夠?qū)崿F(xiàn)快速充電，并設(shè)置對(duì)蓄電池多余電能統(tǒng)一回收再利用的端口，確保資源利用率顯著提升。研究太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，是目前新能源汽車研發(fā)的重要方向[2]。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

設(shè)計(jì)基于光伏太陽(yáng)能發(fā)電的車載供電溫控系統(tǒng)，需要滿足車輛發(fā)動(dòng)機(jī)在停止運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下車內(nèi)的溫度舒適性要求，具體的設(shè)計(jì)要件有太陽(yáng)能板、光伏控制器、蓄電池、繼電器、升溫裝置、降溫裝置、ARM控制電路和溫度傳感器。這一系統(tǒng)通過(guò)將太陽(yáng)能板設(shè)置在車輛外，接受太陽(yáng)能光源，蓄電池通過(guò)繼電器和太陽(yáng)能板、光伏控制器連接，通過(guò)太陽(yáng)能采集，為車內(nèi)溫控系統(tǒng)提供供電支持，確保車內(nèi)相應(yīng)元件運(yùn)作有足夠電量支持。其中，蓄電池和ARM控制電路、溫控裝置等連接，在溫度傳感器檢測(cè)到車輛內(nèi)部的區(qū)溫度低于舒適溫度的情況下，通過(guò)ARM控制電路確保升溫裝置運(yùn)作，適時(shí)地降低車內(nèi)溫度[3]；而在檢測(cè)到車輛內(nèi)部溫度比舒適溫度高的情況下，則可以通過(guò)ARM控制電路確保降溫裝置運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)車內(nèi)溫度降低，確保車內(nèi)環(huán)境舒適，提升駕駛體驗(yàn)。具體的系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

三、系統(tǒng)主要模塊設(shè)計(jì)

具體的設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架如圖2所示。

（一）溫度傳感器選擇

在該溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，傳感器的主要作用是感測(cè)溫度，根據(jù)溫度變化，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)測(cè)溫元件的功能，有效監(jiān)測(cè)溫度變化，因此需要選用溫度傳感器，本設(shè)計(jì)選用熱電阻溫度傳感器，是考慮到此類傳感器的導(dǎo)通電阻會(huì)發(fā)生變化。制作該類溫度傳感器的主要電阻元件包括銅、鎳、鉑等相關(guān)材料，具有精度高、測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，可有效應(yīng)用于遠(yuǎn)距離測(cè)量。與傳統(tǒng)的熱電阻相比，這些材料具有較大的溫度電阻系數(shù)、較低的成本系數(shù)、更簡(jiǎn)單的加工和生產(chǎn)方法以及低阻值，可以有效地應(yīng)用于許多領(lǐng)域的溫度測(cè)量[4]。該溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用Pt100鉑熱電阻，其電阻值會(huì)與溫度的變化成正比，工作原理是0℃時(shí)電阻值為100歐姆，隨著溫度升高電阻值不斷增大。Pt100鉑電阻溫度傳感器的溫度變化與電阻值有關(guān)，因此更適合該溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用。此研究設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)采用AT89S52單片機(jī)作為主控單元，它的主要部件包括CPU芯片、存儲(chǔ)芯片、輸入/輸出接口芯片和簡(jiǎn)單的輸入/輸出設(shè)備，由于這些部件與印刷電路板的有效連接，相關(guān)的應(yīng)用程序被加載到單片機(jī)上，因此是芯片上的小型計(jì)算設(shè)備。根據(jù)溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)際需要選擇單片機(jī)，包括芯片引腳和擴(kuò)展引腳，此時(shí)單片機(jī)是系統(tǒng)中最小的系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的啟動(dòng)和運(yùn)行有直接地影響和控制，可以有效地控制系統(tǒng)的運(yùn)行和目標(biāo)[5]，在初始狀態(tài)重置循環(huán)。

（二）數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

在車載供電溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大或轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)溫度或模擬信號(hào)的采集，并通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)處理目的[6]。使用石英線圈加速度計(jì)采集加速度信號(hào)，雖然可以保證測(cè)量精度，但由于輸出的是模擬信號(hào)，信號(hào)需要經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換處理后才能被FPGA采集。在采集信號(hào)的轉(zhuǎn)換中，一般是通過(guò)I/F或A/D，將系統(tǒng)采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。在兩個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換器的使用中，I/F轉(zhuǎn)換方式是基于負(fù)載平衡理論，可以借助標(biāo)準(zhǔn)電流產(chǎn)生一個(gè)反積分負(fù)載，并連續(xù)調(diào)節(jié)車速表輸出的積分負(fù)載。

（三）電源模塊設(shè)計(jì)

車載供電溫控系統(tǒng)由不同的芯片組成，如DSP芯片、AD芯片等，不同的芯片需要不同的電壓，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)電源模塊，以提供多個(gè)獨(dú)立的電源和電壓供給。另外，系統(tǒng)中還使用了光耦隔離芯片，該芯片可以將整個(gè)電路隔離成獨(dú)立的部分，沒(méi)有電氣連接，不提供不同獨(dú)立部分的電氣連接[7]。而系統(tǒng)電源模塊可為系統(tǒng)溫度控制提供電源支持，保證各電路系統(tǒng)設(shè)備的正常運(yùn)行。

（四）LED顯示模塊設(shè)計(jì)

在溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，LED顯示模塊也是系統(tǒng)重要的人機(jī)交互單元，用于有效控制LED顯示屏的電流，保證LED分子的分選是根據(jù)一定的規(guī)則進(jìn)行的。合理的模塊設(shè)計(jì)應(yīng)保證整體效果，避免功耗過(guò)大，保證人機(jī)交互界面功能可靠且運(yùn)行流暢。車內(nèi)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用的LED顯示屏型號(hào)為FYD12864-0402B，該顯示屏的接口更方便編寫程序，所需成本也相對(duì)較低。本顯示模塊的設(shè)計(jì)主要采用串行和并行通信方式，可以讓用戶自由選擇不同的模式來(lái)滿足不同的需求，而適當(dāng)?shù)貎?nèi)置文本庫(kù)和圖形符號(hào)可以保證整體內(nèi)容的豐富性，使用戶在人機(jī)交互中感覺(jué)到舒適，增強(qiáng)交互體驗(yàn)[9]。

四、系統(tǒng)軟硬件構(gòu)成

（一）硬件

該溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，以光伏太陽(yáng)能為溫控系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿?lái)源，通過(guò)光伏電板、光伏控制器、蓄電池來(lái)進(jìn)行主要能量采集、轉(zhuǎn)化以及存儲(chǔ)。光伏電板是整個(gè)系統(tǒng)最為關(guān)鍵的一部分，需要結(jié)合升溫裝置以及降溫裝置的功率電壓等參數(shù)來(lái)選擇。在這一系統(tǒng)中，升溫裝置一般選擇低功率加熱器，主要降溫裝置為半導(dǎo)體制冷器。

這里的溫度傳感器以可編程單線輸出的數(shù)字溫度傳感器為主，這類傳感器的接口不復(fù)雜，且對(duì)應(yīng)的溫度測(cè)量精度更為可靠，具體顯示范圍為-50攝氏度—125攝氏度。選擇這類傳感器作為溫度顯示模塊，主要是由于這類溫度傳感器和微處理器連接時(shí)只需要一條口線就可以實(shí)現(xiàn)微處理器和傳感器的信息互通，在具體應(yīng)用中也無(wú)需其他外圍元器件就能完成測(cè)溫，且在一些狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫以及控制領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，使用效果比較好[9]。本次設(shè)計(jì)的溫控系統(tǒng)屬于無(wú)觸點(diǎn)通斷功率型電子開(kāi)關(guān)，在繼電器發(fā)出觸發(fā)信號(hào)后，如果信號(hào)輸入端有信號(hào)，公共端和常開(kāi)端會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)通，而主回路如果是導(dǎo)通狀態(tài)，在沒(méi)有信號(hào)的情況下，則表現(xiàn)為阻斷狀態(tài)。系統(tǒng)選擇以ARM9作為控制電路主控芯片，通過(guò)ARM9的引腳來(lái)對(duì)于升溫和降溫裝置開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，再通過(guò)引腳與溫度傳感器引腳連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度數(shù)據(jù)的接收。在ARM檢測(cè)到溫度數(shù)據(jù)低于20攝氏度的情況下，相應(yīng)引腳打開(kāi)，升溫控制開(kāi)始工作，降溫裝置被關(guān)閉；在溫度大于20攝氏度且低于或等于30攝氏度時(shí)，兩個(gè)引腳都處于0狀態(tài)，則升溫和降溫裝置此時(shí)都不工作；在溫度超過(guò)30攝氏度時(shí)，降溫裝置工作，升溫裝置關(guān)閉[10]。

（二）軟件

該溫控系統(tǒng)的軟件部分包含兩個(gè)主要模塊，即溫度測(cè)量模塊和ARM控制模塊。測(cè)量溫度模塊用于對(duì)相應(yīng)控制硬件設(shè)備的溫度測(cè)量，能夠及時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量出車內(nèi)溫度情況。而ARM控制模塊主要作用是對(duì)采集的溫度信號(hào)實(shí)施處理，對(duì)輸出中斷信號(hào)燈采集、顯示以及控制功能進(jìn)行把握。相應(yīng)控制算法也是溫度控制系統(tǒng)的重要內(nèi)容，本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中以PID算法為主，借助ARM控制軟件來(lái)運(yùn)算，結(jié)合系統(tǒng)設(shè)定的溫度值以及采樣獲得的實(shí)際溫度值，對(duì)于控制量進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器導(dǎo)通時(shí)間的有效控制，并以此控制外部加熱以及制冷裝置平均輸出功率，確保實(shí)現(xiàn)溫度控制的目標(biāo)[11]。

（三）系統(tǒng)調(diào)試

為了檢驗(yàn)該溫控系統(tǒng)精度和可靠性，通過(guò)控制變量的方式來(lái)開(kāi)展測(cè)試。在溫度傳感器顯示車內(nèi)溫度小于20℃的情況下，將光伏能源轉(zhuǎn)化并存儲(chǔ)的電能應(yīng)用到驅(qū)動(dòng)車內(nèi)小功率加熱器，不斷增加車內(nèi)溫度；在檢測(cè)到車內(nèi)溫度達(dá)到23度舒適溫度的情況下，停止升溫操作，以實(shí)現(xiàn)電能節(jié)約目；而在溫度傳感器檢測(cè)到車內(nèi)溫度超過(guò)30攝氏度的情況下，借助光伏能源轉(zhuǎn)化并存儲(chǔ)為電能使用，驅(qū)動(dòng)降溫裝置工作，為車輛內(nèi)部制冷提供支持，降低車內(nèi)溫度；在檢測(cè)到車內(nèi)溫度達(dá)到26攝氏度的時(shí)候，降溫裝置停止運(yùn)作，避免造成電力資源的浪費(fèi)。這一系統(tǒng)主要是在車輛發(fā)動(dòng)機(jī)停止運(yùn)作的情況下工作的，在安裝這一系統(tǒng)的同時(shí)，也需要在車內(nèi)安裝一只標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)，可以檢查溫度計(jì)顯示的設(shè)計(jì)溫度數(shù)值，作出對(duì)比分析，以減少實(shí)際的溫度誤差情況。在系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)和編程的基礎(chǔ)上，完成硬軟件設(shè)計(jì)后，需要確保相應(yīng)設(shè)計(jì)和模塊工作原理正常運(yùn)行，因此需要針對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行反復(fù)檢查，再將PCB文件發(fā)送到廠家進(jìn)行制作生產(chǎn)，隨后進(jìn)行相應(yīng)元器件的硬件功能電路測(cè)試，完成測(cè)試后，確認(rèn)沒(méi)有異常的情況下，就可以進(jìn)行軟件部分的代碼調(diào)試，對(duì)于系統(tǒng)的運(yùn)行效果進(jìn)行觀察，看看是否滿足設(shè)計(jì)的要求。對(duì)于該溫控系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的最終溫度誤差范圍為0.5攝氏度，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于溫度的實(shí)時(shí)控制效果，可以基本達(dá)到預(yù)期控制效果，且能夠讓溫度保持舒適區(qū)間內(nèi)。就該溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)看，其優(yōu)勢(shì)突出，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

光伏太陽(yáng)能電板被安裝在車輛的頂部，這個(gè)位置相對(duì)于車窗位置，所能接收到的光照面積更大，太陽(yáng)光直射的時(shí)間更長(zhǎng)，相對(duì)于太陽(yáng)光側(cè)射而言，可以確保系統(tǒng)能夠獲得更多的太陽(yáng)能資源，為更多的電能轉(zhuǎn)化打好基礎(chǔ)。該溫控系統(tǒng)有升溫和降溫功能，可以將采集的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，再將電能轉(zhuǎn)化為冷氣或者是熱氣，這種系統(tǒng)制冷和制熱的效果要比風(fēng)扇降溫帶來(lái)的效果更好，并且相對(duì)于傳統(tǒng)汽車空調(diào)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，此系統(tǒng)不需要消耗汽油，也是對(duì)于太陽(yáng)能的一種回收再利用。系統(tǒng)帶來(lái)的降溫和升溫效果比較理想，能夠保證車輛舒適度，且這一系統(tǒng)的運(yùn)作是在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作的情況下啟動(dòng)，確保車輛在比較高溫或低溫的環(huán)境中依然能夠確保車內(nèi)溫度舒適度，當(dāng)司機(jī)進(jìn)入車輛后仍能夠感覺(jué)到舒適。

系統(tǒng)與目前單獨(dú)的通風(fēng)降溫器相比，有效地發(fā)揮了太陽(yáng)能資源的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，在夏季制冷，在冬季制熱。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的情況下，車輛空調(diào)可以不需要使用；在車內(nèi)溫度不需要調(diào)節(jié)時(shí)，還可以將太陽(yáng)能采集的電能應(yīng)用到車載冰箱中，以此更好地實(shí)現(xiàn)資源的利用價(jià)值，實(shí)現(xiàn)相關(guān)能量之間的有效轉(zhuǎn)換，具有節(jié)能減耗的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

五、結(jié)束語(yǔ)

車載光伏供電溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，旨在為車輛發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作狀態(tài)下的車內(nèi)溫度控制提供一種有效的解決方案。這一溫控系統(tǒng)能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)不工作的情況下，對(duì)車內(nèi)溫度進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)車內(nèi)溫度低于或者是高出舒適溫度的情況，系統(tǒng)可以自動(dòng)啟動(dòng)升溫裝置或是降溫裝置，對(duì)車內(nèi)溫度進(jìn)行降溫或升溫進(jìn)行及時(shí)地處理，保證車內(nèi)溫度舒適宜人，提升駕駛體驗(yàn)。這種智能化的設(shè)計(jì)應(yīng)用于車輛設(shè)計(jì)和技術(shù)升級(jí)中，能夠讓駕駛員有更好的車輛使用體驗(yàn)，解決部分夏季車輛使用的安全隱患問(wèn)題，對(duì)于提升整體車輛使用性能也有積極作用。相信隨著這一系統(tǒng)技術(shù)的不斷優(yōu)化和完善，未來(lái)相關(guān)溫控系統(tǒng)的性能還將進(jìn)一步優(yōu)化，為車輛智能化、人性化設(shè)計(jì)提供有效支持，帶動(dòng)汽車工業(yè)發(fā)展。此外，目前我國(guó)的環(huán)境污染和能源短缺問(wèn)題日益嚴(yán)重，研究設(shè)計(jì)此類溫控系統(tǒng)，能夠在一定程度上節(jié)約能源，有利于減少環(huán)境污染問(wèn)題，是新型綠色汽車設(shè)計(jì)研究的重要方向。

作者單位：蘇冠領(lǐng) 李玉琴 甘新泉 廣西城市職業(yè)大學(xué)

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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