基于太陽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，本文利用半導體制冷裝置和太陽能供電裝置，設計一套系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機控制為核心，實現(xiàn)在不啟動汽車發(fā)動機的前提下，完成車體的整個內(nèi)外循環(huán)降溫，從而實現(xiàn)了智能化降溫，提高了乘車人員的舒適度。

關鍵詞：半導體制冷裝置;太陽能供電裝置;智能降溫

中圖分類號：TB文獻標識碼：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注的重點，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。其實在高溫曝曬下，車內(nèi)溫度會快速上升，這種高溫對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。

本文設計的基于太陽能的車輛智能降溫系統(tǒng)，是將太陽能供電系統(tǒng)直接應用于汽車上，是汽車空調(diào)的發(fā)展趨勢。本系統(tǒng)將半導體制冷裝置、水循環(huán)裝置、內(nèi)外循環(huán)裝置、太陽能供電裝置連接起來，以單片機控制為核心，將太陽能作為能量來源，利用半導體制冷裝置實現(xiàn)車內(nèi)智能降溫，能夠實現(xiàn)自動控制和遠程手動控制兩個部分，能在短時間內(nèi)使車內(nèi)的溫度達到系統(tǒng)所設定的合適溫度，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，實現(xiàn)了智能化降溫。

1系統(tǒng)的工作原理

1.1總體設計

本智能降溫系統(tǒng)由太陽能供電裝置、降溫控制系統(tǒng)組成，其中太陽能供電裝置由太陽能電池、防反充二極管、控制器、儲能系統(tǒng)組成，其結構如圖1所示。

本智能降溫系統(tǒng)利用太陽能電池的工作原理，當能量充足時，將能量經(jīng)過控制器送到了降溫控制系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)，同時，當能量不足時，儲能系統(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)主要包含半導體制冷裝置、內(nèi)外循環(huán)裝置、自動/遠程手動控制裝置、水循環(huán)裝置，其結構如圖2所示。

1.2.1半導體制冷裝置

半導體制冷裝置能夠將汽車車體內(nèi)的高溫氣體進行冷卻降溫處理，并將冷卻后的氣體送至車內(nèi)，從而實現(xiàn)降溫效果。本制冷裝置以半導體制冷器為核心，半導體制冷器是一種基于珀爾帖效應的新型制冷器件，即利用半導體材料組成P-N結，通過兩端加的直流電源進行制冷，實現(xiàn)電熱轉換。其結構如圖3所示，將一只P型半導體元件與一只N型半導體元件連接成熱電偶，然后在兩端接直流電源，在接頭處就會產(chǎn)生熱量和溫差轉移。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，半導體制冷技術有體積小、沒有噪音、沒有運動部件、質(zhì)量不大、污染極小、可靠性不低等特點，在電子設備散熱系統(tǒng)中得到了廣泛的應用 。

1.2.2內(nèi)外循環(huán)裝置

本智能降溫控制系統(tǒng)是依靠太陽能供電裝置，在不啟動車的情況下，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)風機等自動啟動相應溫度下的內(nèi)外循環(huán)系統(tǒng)。當接于外循環(huán)系統(tǒng)的溫度傳感器檢測到車內(nèi)溫度與設置的高溫一致時如60℃-70℃，自動啟動外循環(huán)系統(tǒng)，抽氣泵運行，進風口打開，將車內(nèi)的高溫空氣不斷與外界空氣進行交換，實現(xiàn)降溫。當車內(nèi)溫度降至與外界空氣溫度相同時如40℃后，外循環(huán)系統(tǒng)關閉，此時自動啟動內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，進風口關閉，運行半導體制冷裝置工作，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)溫度降至設定的低溫如26℃。在駐車時，駕車員可啟動遠程手動裝置，設置在多長時間后到達車內(nèi)，手動啟動降溫控制系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程控制。

1.3太陽能供電裝置

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

本裝置控制器的單片機選擇有脈沖寬度調(diào)制（這里簡稱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。以此單片機為核心的控制器能夠實現(xiàn)MPPT（最大功率跟蹤）功能，太陽能得到了充分的應用，并將太陽能轉變成電能，為各個系統(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，當蓄電池容量C小于額定容量的30%，就要切斷負載向上位機報送警告信息，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時采集車內(nèi)溫度，進而實現(xiàn)自動降溫控制。本供電裝置中的蓄電池在太陽能充足的情況下將多余的太陽能儲存起來，而在太陽能不足的時候將儲存能量釋放出來。

2智能降溫控制系統(tǒng)設計

本智能降溫控制系統(tǒng)的控制器以單片機控制為核心，通過溫度傳感器實時采集車內(nèi)溫度，自動控制內(nèi)外循環(huán)系統(tǒng)從而實現(xiàn)智能降溫。當監(jiān)測到車內(nèi)溫度I高于設定的高溫Ih如40℃時，自動啟動外循環(huán)系統(tǒng)，當監(jiān)測到車內(nèi)溫度I降至Ih，外循環(huán)系統(tǒng)關閉，開啟內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，當監(jiān)測到車內(nèi)溫度I 高于設定的低溫Il如26℃時，通過單片機來控制24V半導體制冷裝置工作，當監(jiān)測到車內(nèi)溫度I在設定的低溫Il附近時，單片機輸出PWM信號控制量，經(jīng)過驅動電路，驅動場效應管導通與關閉，實現(xiàn)對電流變化的控制，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)降溫計算

3.1風扇換氣時間計算

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

3.2制冷片制冷時間計算

陽光對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。

假設光照強度為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%，導熱系數(shù)為58.033/W（m·K），車頂面積大約為2.15m2，那么太陽光對車的加熱功率為：

Φ=Φ1+Φ2

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

=731.05W（1）

進而得出太陽光對車的加熱功率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，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)采用的半導體制冷片型號為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總就是太陽能對車加熱量和車內(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為制冷片制冷時間，經(jīng)過計算，制冷片制冷時間為85s。

故將車內(nèi)70℃高溫降至26℃時，所需要的總時間5.5分鐘左右，在車輛不啟動的情況下，駕駛員可通過遠程手動裝置，設置在6分鐘后到達車內(nèi)，手動啟動降溫控制系統(tǒng)。

3.3水箱溫度變化

水箱是發(fā)動機的重要組成部分，發(fā)動機利用水箱回路散發(fā)熱量，來確保它合適的工作溫度。為確保汽車發(fā)動機正常運轉，正常范圍一般都在80℃到95℃內(nèi)。汽車發(fā)動機在工作的時候，氣缸內(nèi)氣體的溫度是1700℃～2500℃，如果不迅速冷卻，則發(fā)動機零部件一直在高溫的環(huán)境下工作，勢必會影響它的壽命。因此，需要計算水箱內(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)過半導體制冷器時水釋放的熱量Q放，而半導體制冷器制冷時，其所釋放的熱量Q總是水釋放的熱量Q放，當制冷時間為92s時，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，進而得出水箱內(nèi)水的升溫Δt為4.9℃，即因半導體制冷器熱端散發(fā)的熱量使水箱升溫遠小于其可正常工作溫度，對發(fā)動機幾乎沒什么影響。

4實驗驗證

在不同時間段，利用溫度探測儀記錄車內(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，用時是6分鐘，與理論值相差不大。

5結論

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，不需要對汽車進行大規(guī)模的改造，在不增加任何油耗情況下，通過太陽能供電裝置和自動/遠程手動裝置開啟車內(nèi)外循環(huán)系統(tǒng)，讓車輛迅速降溫。

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

（2）本系統(tǒng)能夠將暴曬后車內(nèi)溫度迅速降至人體舒適溫度，而降溫時對水箱溫度變化非常小。

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

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基金項目：內(nèi)蒙古工業(yè)大學校基金項目（2017030035）;內(nèi)蒙古工業(yè)大學校基金項目（2020364）;內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學基金項目（2018LH05031）。

作者簡介：韓文穎（1983-），女，漢族，碩士，內(nèi)蒙古工業(yè)大學工程訓練教學部，高級實驗師，研究方向：控制工程;春蘭（1980-），女，蒙古族，博士，內(nèi)蒙古工業(yè)大學工程訓練教學部，高級實驗師，研究方向：控制工程（通訊作者）。