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),公共端和常開端會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)通,而主回路如果是導(dǎo)通狀態(tài),在沒有信號(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,升溫控制開始工作,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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