王登杰

（武威職業(yè)學(xué)院，甘肅 武威 733000）

汽車內(nèi)部的駕駛環(huán)境在高溫季節(jié)或低溫季節(jié)會(huì)加劇惡化，更易發(fā)生交通事故，而汽車空調(diào)能夠有效改善汽車內(nèi)部環(huán)境的舒適程度。但目前傳統(tǒng)燃油汽車的空調(diào)系統(tǒng)會(huì)增加大量額外的汽車油耗，且在汽車制動(dòng)的過程中會(huì)自動(dòng)停止工作，因此無法滿足駕駛員對(duì)車內(nèi)舒適度的要求[1]。而近幾年出現(xiàn)的電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)采用的是蓄電池驅(qū)動(dòng)直流壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)車內(nèi)環(huán)境的制冷，這種空調(diào)系統(tǒng)的能耗會(huì)在一定程度上影響電動(dòng)汽車在最大的燃料儲(chǔ)備下可連續(xù)行駛的總里程。因此，目前該領(lǐng)域的研究學(xué)者正針對(duì)新型的汽車空調(diào)系統(tǒng)及相關(guān)的空調(diào)輔助系統(tǒng)進(jìn)行研究。隨著科技的發(fā)展，光伏發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，且系統(tǒng)的穩(wěn)定性十分良好，同時(shí)太陽能吸收式的制冷空調(diào)系統(tǒng)也已經(jīng)取得了一定進(jìn)展。因此，本文提出一種基于太陽能技術(shù)的汽車空調(diào)輔助系統(tǒng)，將太陽輻射熱充分的利用，節(jié)約汽車的能源消耗。

1 基于太陽能技術(shù)的汽車空調(diào)輔助系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文提出的基于太陽能技術(shù)的汽車空調(diào)輔助系統(tǒng)硬件部分主要分為兩個(gè)部分，分別為基于太陽能技術(shù)的電池陣列充電控制電路、半導(dǎo)體制冷控制電路，圖1為硬件設(shè)計(jì)整體框架圖。

選用DAS781V336型號(hào)的控制芯片作為汽車空調(diào)輔助系統(tǒng)的核心控制芯片，下述將針對(duì)DAS781V336控制芯片、電路設(shè)計(jì)等進(jìn)行詳細(xì)的說明。

1.1 控制芯片

圖1 硬件設(shè)計(jì)整體框架圖

DAS781V336型號(hào)控制芯片是一種具有8位總線的帶FLASH存儲(chǔ)芯片的單片機(jī)。采用8位總線，可將外部設(shè)備與內(nèi)存進(jìn)行統(tǒng)一的編址，尋址范圍最高可達(dá)55k，同時(shí)還可外擴(kuò)存儲(chǔ)器[2]。輸入電壓范圍為2.0～5.5V，極低工作電流為3μA，靈敏度可通過外部電容值自由調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)ON/OFF控制輸出自己LEVEL HOLD方式輸出，總體體積較小，可節(jié)約更多的板材空間。具備統(tǒng)一的終端管理，控制芯片上的外圍模塊十分豐富，控制芯片內(nèi)部裝有精密硬件乘法器、多個(gè)32位定時(shí)控制器，以及多個(gè)8位的模擬數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器、12路計(jì)算機(jī)接口、支持16M時(shí)鐘。由于DAS781V336型號(hào)控制芯片自帶FLASH存儲(chǔ)芯片，因此可以在線對(duì)單片機(jī)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，并且集成電路直接與場(chǎng)效應(yīng)晶體管相連，不需要增設(shè)外加的仿真工具，方便使用。由于其3μA的極低工作電流，因此可以在超低功率模式下完成相應(yīng)的工作，對(duì)環(huán)境以及人體的輻射較小，可靠性更強(qiáng)，在加強(qiáng)電干擾的條件下不會(huì)受到影響，適用于工業(yè)級(jí)的運(yùn)行環(huán)境當(dāng)中，適合將其應(yīng)用在低功耗、小型化的自動(dòng)控制設(shè)備中。

1.2 基于太陽能技術(shù)的充電電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電路是本文系統(tǒng)的核心部分，由于本文基于太陽能技術(shù)對(duì)汽車空調(diào)輔助系統(tǒng)的加熱控制，而太陽能電池的輸出功率會(huì)受到周圍環(huán)境的影響而不斷發(fā)生改變，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)最大輸出功率的設(shè)計(jì)，要求本文系統(tǒng)具備強(qiáng)大的實(shí)時(shí)性及響應(yīng)速度，為此采用了DAS781V336型號(hào)的單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制芯片，圖2為系統(tǒng)基于太陽能技術(shù)的充電電路的設(shè)計(jì)原理圖。

圖2 基于太陽能技術(shù)的充電電路設(shè)計(jì)原理圖

在模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器采樣中包含四路采樣信號(hào)，分別為太陽能電池輸出電壓、太陽能電池輸出電流、蓄電池電壓以及蓄電池電流[3]。四種信號(hào)均屬于變化的直流信號(hào)。針對(duì)汽車空調(diào)輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要，本文選用SIC586電壓傳感器及電流傳感器分別對(duì)四路電壓和電流信號(hào)進(jìn)行采樣。采樣信號(hào)通過SIC586電壓傳感器及電流傳感器轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，再經(jīng)過濾波電路最終送到單片機(jī)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的接口處。

SIC586電壓傳感器的測(cè)量范圍在20V～550V之間，額定輸出為30mA，頻率范圍在0～90KHz，電源電壓為±11V～±21V，響應(yīng)時(shí)間為 8μs，線性度為0.2%。該型號(hào)電壓傳感器中共有五個(gè)連線端子，分別用作被測(cè)電壓輸出和輸出端、電源正極、電源負(fù)極以及信號(hào)輸出端。電流傳感器中包含三個(gè)連線端子，分別用作電源正極、電源負(fù)極以及信號(hào)輸出端[4]。電流傳感器的測(cè)量范圍在0A～220A之間，輸出電流為80mA對(duì)應(yīng)原邊額定電流為80A，頻率范圍為 DC～8KHz，電源為±11V～±21V，線性度為0.1%。

2 基于太陽能技術(shù)的汽車空調(diào)輔助系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 汽車空調(diào)輔助制熱設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)根據(jù)電壓傳感器測(cè)得的蓄電池兩端的電壓信號(hào)及電流信號(hào)決定采用對(duì)汽車制冷或制熱的方式，系統(tǒng)的總體軟件流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體軟件流程

光伏電池的輸電電壓與電流之間非線性關(guān)系，因此，存在一個(gè)最大的功率電壓，而光伏電池電壓與電流的特性會(huì)隨著日照強(qiáng)度以及運(yùn)行溫度的變化而改變[5]。為了進(jìn)一步保證太陽能電池能夠獲取到的最大的能量利用效率，本文采用最大功率點(diǎn)追蹤的方法是太陽能電池陣列隨時(shí)處于最大功率輸出點(diǎn)上。

基于太陽能技術(shù)的太陽能電池陣列在工作過程中，當(dāng)?shù)竭_(dá)最大功率點(diǎn)時(shí)，其工作電壓與開路電壓之間呈線性關(guān)系，而此時(shí)的光伏陣列為最大功率點(diǎn)。

2.2 汽車空調(diào)輔助制冷設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中采用脈沖寬度調(diào)度的方式調(diào)節(jié)半導(dǎo)體制冷器兩端的平均電壓，進(jìn)而調(diào)節(jié)其輸出功率。脈沖寬度調(diào)制由相應(yīng)的引腳控制。脈沖寬度調(diào)制的控制偏差計(jì)算公式為：

公式（1）中，m（s）表示為控制器實(shí)際輸出值；n（s）表示為給定的定值；p（s）表示為二者之間的控制偏差。將偏差的比例、積分以及微分通過線性組合構(gòu)成控制量，并對(duì)被控制的對(duì)象進(jìn)行調(diào)節(jié)，其調(diào)控規(guī)律為：

公式（2）中，H（x）表示為控制傳遞函數(shù)；KP表示為比例系數(shù)；T1表示為積分時(shí)間常數(shù)；T2表示為微分時(shí)間常數(shù)。其中，比例環(huán)節(jié)利用成比例的反應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的偏差信號(hào)進(jìn)行控制，當(dāng)偏差產(chǎn)生時(shí)，控制器立即動(dòng)作從而降低誤差[6]。積分環(huán)節(jié)主要用于消除系統(tǒng)內(nèi)部的靜態(tài)誤差，提高系統(tǒng)整體的制冷控制精度，積分作用的強(qiáng)弱取決于公式（2）中的積分時(shí)間常數(shù)T1，當(dāng)T1越大，則表示積分的作用越弱，當(dāng)T1越小，則表示積分的作用越強(qiáng)。微分環(huán)節(jié)用于反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，當(dāng)系統(tǒng)偏差信號(hào)值過大時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)引入一個(gè)修正信號(hào)，從而降低系統(tǒng)的超調(diào)，加快制冷過渡，減少制冷時(shí)間。

3 實(shí)驗(yàn)論證

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)選用兩臺(tái)型號(hào)相同的汽車作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，其中一臺(tái)汽車內(nèi)安裝本文提出的基于太陽能技術(shù)的汽車空調(diào)輔系統(tǒng)，另一臺(tái)安裝傳統(tǒng)汽車空調(diào)輔助系統(tǒng)，分別將其設(shè)置為實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組。為了在實(shí)驗(yàn)過程中時(shí)刻了解汽車內(nèi)部的溫度變化情況，在車內(nèi)的駕駛位、副駕駛位布置兩個(gè)測(cè)量溫度的PL1000鉑電阻測(cè)溫設(shè)備，并利用多路數(shù)據(jù)采集設(shè)備將采集到的溫度信息傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上。實(shí)驗(yàn)開始前將兩輛汽車內(nèi)部溫度控制在25°C，分別利用本文系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)將兩輛汽車的內(nèi)部溫度調(diào)節(jié)到10°C、15°C、20°C、25°C、30°C、35°C，同時(shí)在調(diào)節(jié)過程中保證兩組調(diào)節(jié)時(shí)間統(tǒng)一，比較實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組的耗電功率情況。

3.2 實(shí)驗(yàn)論證分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，完成對(duì)比實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過程中將實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組汽車高電功率情況進(jìn)行記錄，并繪制成如圖4所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖。

圖4 實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

由圖4中的兩條實(shí)驗(yàn)曲線可以看出，對(duì)照組汽車的耗電功率明顯高于實(shí)驗(yàn)組，其主要原因是由于在調(diào)節(jié)汽車內(nèi)部環(huán)境溫度時(shí)，實(shí)驗(yàn)組大部分的溫度調(diào)節(jié)是依靠太陽能技術(shù)，因此節(jié)約了大量汽車的耗電功率，而對(duì)照組中汽車空調(diào)輔助系統(tǒng)并未添加太陽能技術(shù)，單純依靠汽車自身的能源消耗。因此，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的基于太陽能技術(shù)的汽車空調(diào)輔助系統(tǒng)可以有效降低汽車的耗電功率，節(jié)約更多的能源，既可以滿足汽車的制熱、制冷需要，同時(shí)又達(dá)到了節(jié)能環(huán)保的目的。

4 結(jié)束語

文章對(duì)汽車空調(diào)輔助系統(tǒng)的軟硬件分別進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究，基于太陽能技術(shù)對(duì)汽車內(nèi)部環(huán)境的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。目前基于太陽能技術(shù)的汽車空調(diào)輔助系統(tǒng)仍處于研究的狀態(tài)，實(shí)用化程度較低，但隨著日后相關(guān)研究工作的不斷深入，制造該系統(tǒng)的成本也會(huì)不斷降低、效率也會(huì)得到提高，因此具有十分廣闊的前景。