蘇冠領?李玉琴?甘新泉

摘要：隨著現(xiàn)代社會中私人轎車的普及度不斷提升，對于廣大車主來說，夏季戶外開車是一種煎熬，車輛在戶外停放一會，車內的溫度就會快速上升，最高可達70多度，還容易導致車內易燃物爆炸并引發(fā)火災等問題，對此，在汽車設計中需要考慮到這一點，為車輛能量均衡提供技術支持，避免車內溫度過快地增長。目前，車輛生產(chǎn)中已經(jīng)開始應用太陽能，通過太陽能向電能轉化，啟動風扇讓車內空氣流通起來，以達到降溫效果，但考慮到傳統(tǒng)光伏太陽能使用中的相關機構使用存在一定安全問題，所以本文研究一種車載光伏供電控溫系統(tǒng)，促進制冷制熱效果不斷優(yōu)化，彌補傳統(tǒng)裝置的不足。

關鍵詞：車載；光伏；供電控溫系統(tǒng)；設計

基金項目：2021年廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目；一種基于太陽能供電的車載自動供氧控溫系統(tǒng)的設計（2021KY1867）。

蘇冠領（1994.01-），男，漢族，廣西合浦，本科，助教，研究方向：職業(yè)教育、機械設計制造及其自動化。

全球變暖的趨勢愈演愈烈，傳統(tǒng)化石能源緊張的趨勢日甚，各國政府都在積極探索能源發(fā)展戰(zhàn)略，提出要進一步開發(fā)和加大可再生資源應用比例。光伏能源作為重要的可再生能源，可以實現(xiàn)對太陽能的有效利用，節(jié)能能源資源，而在汽車生產(chǎn)供能中，光伏太陽能也是重要組成部分，是汽車供電的重要來源之一。

一、太陽能光伏發(fā)電技術

我國自1958年開始探索太陽能電池技術，此后不斷研究對于太陽能資源的開發(fā)利用，形成了一系列的研究成果，并在相關技術發(fā)展和應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，其在汽車領域的應用能有效減少汽車對石油、天然氣、電能等消耗。研究指出，未來光伏太陽能將發(fā)展成為人類基礎能源之一[1]。汽車作為我國重要的工業(yè)支柱型產(chǎn)業(yè)，正處于高速發(fā)展時期，而就汽車光伏系統(tǒng)設計來看，汽車負載為汽車電子打火及內外部照明，照付系統(tǒng)可以通過逆流系統(tǒng)來實現(xiàn)，選擇蓄電池氣密性和安全性高的產(chǎn)品，能夠實現(xiàn)快速充電，并設置對蓄電池多余電能統(tǒng)一回收再利用的端口，確保資源利用率顯著提升。研究太陽能光伏發(fā)電技術系統(tǒng)的設計和應用，是目前新能源汽車研發(fā)的重要方向[2]。

二、系統(tǒng)設計目標

設計基于光伏太陽能發(fā)電的車載供電溫控系統(tǒng)，需要滿足車輛發(fā)動機在停止運轉的情況下車內的溫度舒適性要求，具體的設計要件有太陽能板、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)通過將太陽能板設置在車輛外，接受太陽能光源，蓄電池通過繼電器和太陽能板、光伏控制器連接，通過太陽能采集，為車內溫控系統(tǒng)提供供電支持，確保車內相應元件運作有足夠電量支持。其中，蓄電池和ARM控制電路、溫控裝置等連接，在溫度傳感器檢測到車輛內部的區(qū)溫度低于舒適溫度的情況下，通過ARM控制電路確保升溫裝置運作，適時地降低車內溫度[3]；而在檢測到車輛內部溫度比舒適溫度高的情況下，則可以通過ARM控制電路確保降溫裝置運轉，實現(xiàn)車內溫度降低，確保車內環(huán)境舒適，提升駕駛體驗。具體的系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

三、系統(tǒng)主要模塊設計

具體的設計系統(tǒng)框架如圖2所示。

（一）溫度傳感器選擇

在該溫控系統(tǒng)設計中，傳感器的主要作用是感測溫度，根據(jù)溫度變化，實現(xiàn)相應測溫元件的功能，有效監(jiān)測溫度變化，因此需要選用溫度傳感器，本設計選用熱電阻溫度傳感器，是考慮到此類傳感器的導通電阻會發(fā)生變化。制作該類溫度傳感器的主要電阻元件包括銅、鎳、鉑等相關材料，具有精度高、測量范圍廣等優(yōu)點，可有效應用于遠距離測量。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)、更簡單的加工和生產(chǎn)方法以及低阻值，可以有效地應用于許多領域的溫度測量[4]。該溫控系統(tǒng)設計采用Pt100鉑熱電阻，其電阻值會與溫度的變化成正比，工作原理是0℃時電阻值為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，因此更適合該溫控系統(tǒng)設計應用。此研究設計的溫度控制系統(tǒng)采用AT89S52單片機作為主控單元，它的主要部件包括CPU芯片、存儲芯片、輸入/輸出接口芯片和簡單的輸入/輸出設備，由于這些部件與印刷電路板的有效連接，相關的應用程序被加載到單片機上，因此是芯片上的小型計算設備。根據(jù)溫控系統(tǒng)設計的實際需要選擇單片機，包括芯片引腳和擴展引腳，此時單片機是系統(tǒng)中最小的系統(tǒng)，對系統(tǒng)的啟動和運行有直接地影響和控制，可以有效地控制系統(tǒng)的運行和目標[5]，在初始狀態(tài)重置循環(huán)。

（二）數(shù)據(jù)采集模塊設計

在車載供電溫度控制系統(tǒng)的硬件設計中，需要對信號進行放大或轉換，以實現(xiàn)溫度或模擬信號的采集，并通過FPGA實現(xiàn)處理目的[6]。使用石英線圈加速度計采集加速度信號，雖然可以保證測量精度，但由于輸出的是模擬信號，信號需要經(jīng)過轉換處理后才能被FPGA采集。在采集信號的轉換中，一般是通過I/F或A/D，將系統(tǒng)采集的模擬信號轉換為數(shù)字信號。在兩個信號轉換器的使用中，I/F轉換方式是基于負載平衡理論，可以借助標準電流產(chǎn)生一個反積分負載，并連續(xù)調節(jié)車速表輸出的積分負載。

（三）電源模塊設計

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，因此需要設計一個電源模塊，以提供多個獨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，該芯片可以將整個電路隔離成獨立的部分，沒有電氣連接，不提供不同獨立部分的電氣連接[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)設備的正常運行。

（四）LED顯示模塊設計

在溫控系統(tǒng)的設計中，LED顯示模塊也是系統(tǒng)重要的人機交互單元，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)則進行的。合理的模塊設計應保證整體效果，避免功耗過大，保證人機交互界面功能可靠且運行流暢。車內溫度控制系統(tǒng)設計中使用的LED顯示屏型號為FYD12864-0402B，該顯示屏的接口更方便編寫程序，所需成本也相對較低。本顯示模塊的設計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滿足不同的需求，而適當?shù)貎戎梦谋編旌蛨D形符號可以保證整體內容的豐富性，使用戶在人機交互中感覺到舒適，增強交互體驗[9]。

四、系統(tǒng)軟硬件構成

（一）硬件

該溫控系統(tǒng)設計中，以光伏太陽能為溫控系統(tǒng)的主要動力來源，通過光伏電板、光伏控制器、蓄電池來進行主要能量采集、轉化以及存儲。光伏電板是整個系統(tǒng)最為關鍵的一部分，需要結合升溫裝置以及降溫裝置的功率電壓等參數(shù)來選擇。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雜，且對應的溫度測量精度更為可靠，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只需要一條口線就可以實現(xiàn)微處理器和傳感器的信息互通，在具體應用中也無需其他外圍元器件就能完成測溫，且在一些狹小空間設備數(shù)字測溫以及控制領域都有廣泛的應用，使用效果比較好[9]。本次設計的溫控系統(tǒng)屬于無觸點通斷功率型電子開關，在繼電器發(fā)出觸發(fā)信號后，如果信號輸入端有信號，公共端和常開端會產(chǎn)生導通，而主回路如果是導通狀態(tài)，在沒有信號的情況下，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ARM9的引腳來對于升溫和降溫裝置開關進行控制，再通過引腳與溫度傳感器引腳連接，實現(xiàn)對溫度數(shù)據(jù)的接收。在ARM檢測到溫度數(shù)據(jù)低于20攝氏度的情況下，相應引腳打開，升溫控制開始工作，降溫裝置被關閉；在溫度大于20攝氏度且低于或等于30攝氏度時，兩個引腳都處于0狀態(tài)，則升溫和降溫裝置此時都不工作；在溫度超過30攝氏度時，降溫裝置工作，升溫裝置關閉[10]。

（二）軟件

該溫控系統(tǒng)的軟件部分包含兩個主要模塊，即溫度測量模塊和ARM控制模塊。測量溫度模塊用于對相應控制硬件設備的溫度測量，能夠及時準確地測量出車內溫度情況。而ARM控制模塊主要作用是對采集的溫度信號實施處理，對輸出中斷信號燈采集、顯示以及控制功能進行把握。相應控制算法也是溫度控制系統(tǒng)的重要內容，本次系統(tǒng)設計中以PID算法為主，借助ARM控制軟件來運算，結合系統(tǒng)設定的溫度值以及采樣獲得的實際溫度值，對于控制量進行計算，實現(xiàn)對繼電器導通時間的有效控制，并以此控制外部加熱以及制冷裝置平均輸出功率，確保實現(xiàn)溫度控制的目標[11]。

（三）系統(tǒng)調試

為了檢驗該溫控系統(tǒng)精度和可靠性，通過控制變量的方式來開展測試。在溫度傳感器顯示車內溫度小于20℃的情況下，將光伏能源轉化并存儲的電能應用到驅動車內小功率加熱器，不斷增加車內溫度；在檢測到車內溫度達到23度舒適溫度的情況下，停止升溫操作，以實現(xiàn)電能節(jié)約目；而在溫度傳感器檢測到車內溫度超過30攝氏度的情況下，借助光伏能源轉化并存儲為電能使用，驅動降溫裝置工作，為車輛內部制冷提供支持，降低車內溫度；在檢測到車內溫度達到26攝氏度的時候，降溫裝置停止運作，避免造成電力資源的浪費。這一系統(tǒng)主要是在車輛發(fā)動機停止運作的情況下工作的，在安裝這一系統(tǒng)的同時，也需要在車內安裝一只標準溫度計，可以檢查溫度計顯示的設計溫度數(shù)值，作出對比分析，以減少實際的溫度誤差情況。在系統(tǒng)模塊設計和編程的基礎上，完成硬軟件設計后，需要確保相應設計和模塊工作原理正常運行，因此需要針對各個模塊進行反復檢查，再將PCB文件發(fā)送到廠家進行制作生產(chǎn)，隨后進行相應元器件的硬件功能電路測試，完成測試后，確認沒有異常的情況下，就可以進行軟件部分的代碼調試，對于系統(tǒng)的運行效果進行觀察，看看是否滿足設計的要求。對于該溫控系統(tǒng)進行調試，發(fā)現(xiàn)此次設計的系統(tǒng)的最終溫度誤差范圍為0.5攝氏度，能夠實現(xiàn)對于溫度的實時控制效果，可以基本達到預期控制效果，且能夠讓溫度保持舒適區(qū)間內。就該溫控系統(tǒng)設計來看，其優(yōu)勢突出，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

光伏太陽能電板被安裝在車輛的頂部，這個位置相對于車窗位置，所能接收到的光照面積更大，太陽光直射的時間更長，相對于太陽光側射而言，可以確保系統(tǒng)能夠獲得更多的太陽能資源，為更多的電能轉化打好基礎。該溫控系統(tǒng)有升溫和降溫功能，可以將采集的太陽能轉化為電能，再將電能轉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扇降溫帶來的效果更好，并且相對于傳統(tǒng)汽車空調系統(tǒng)來說，此系統(tǒng)不需要消耗汽油，也是對于太陽能的一種回收再利用。系統(tǒng)帶來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)的運作是在汽車發(fā)動機停止工作的情況下啟動，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溫度舒適度，當司機進入車輛后仍能夠感覺到舒適。

系統(tǒng)與目前單獨的通風降溫器相比，有效地發(fā)揮了太陽能資源的應用優(yōu)勢，在夏季制冷，在冬季制熱。汽車發(fā)動機啟動的情況下，車輛空調可以不需要使用；在車內溫度不需要調節(jié)時，還可以將太陽能采集的電能應用到車載冰箱中，以此更好地實現(xiàn)資源的利用價值，實現(xiàn)相關能量之間的有效轉換，具有節(jié)能減耗的應用優(yōu)勢。

五、結束語

車載光伏供電溫控系統(tǒng)設計，旨在為車輛發(fā)動機停止工作狀態(tài)下的車內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)動機不工作的情況下，對車內溫度進行檢測，當發(fā)現(xiàn)車內溫度低于或者是高出舒適溫度的情況，系統(tǒng)可以自動啟動升溫裝置或是降溫裝置，對車內溫度進行降溫或升溫進行及時地處理，保證車內溫度舒適宜人，提升駕駛體驗。這種智能化的設計應用于車輛設計和技術升級中，能夠讓駕駛員有更好的車輛使用體驗，解決部分夏季車輛使用的安全隱患問題，對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)技術的不斷優(yōu)化和完善，未來相關溫控系統(tǒng)的性能還將進一步優(yōu)化，為車輛智能化、人性化設計提供有效支持，帶動汽車工業(yè)發(fā)展。此外，目前我國的環(huán)境污染和能源短缺問題日益嚴重，研究設計此類溫控系統(tǒng)，能夠在一定程度上節(jié)約能源，有利于減少環(huán)境污染問題，是新型綠色汽車設計研究的重要方向。

作者單位：蘇冠領 李玉琴 甘新泉 廣西城市職業(yè)大學

參? 考? 文? 獻

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