基于太陽能輔助的新能源汽車空調自動控制系統設計與應用

摘要：為提高新能源汽車空調自動控制系統的應用靈活性與實用性，以太陽能輔助的新能源汽車空調自動控制系統優化設計為例進行研究。設計一種以單片機為核心的控制電路，使用嵌入式C語言為主要編程工具，對現有新能源汽車的空調自動控制系統進行優化，實現對新能源汽車的電源與倉內溫度的控制，對所提系統進行仿真應用分析。結果表明，所提系統具有良好的控制性能，在多種環境下對倉內溫度的控制誤差可以維持在0.8 ℃以內，由此證明所提系統具有良好的應用靈活性與實用性。

關鍵詞：太陽能；新能源汽車；空調自動控制系統

中圖分類號：U469.7 收稿日期：2024-02-18

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.04.021

1 前言

隨著對環境友好型技術的需求不斷增加，基于太陽能輔助的新能源汽車空調自動控制系統成為備受關注的研究領域。這一系統將太陽能作為主要能源不斷地供給汽車空調系統，從而減少對傳統能源的依賴，降低對環境的影響。基于太陽能輔助的新能源汽車空調自動控制系統旨在實現高效能源利用和舒適的車內環境，為汽車行業的可持續發展提供了新的解決方案。

2 方案設計

2.1 設計目的

隨著新能源汽車的快速發展和普及，傳統的汽車空調系統在能耗和環保方面面臨越來越大的挑戰，需要一個系統可以利用太陽能作為輔助能源，降低對汽車主電池的依賴，延長續航里程，還能有效減少碳排放，符合當前的綠色環保要求。同時，自動控制系統的設計使得空調系統能夠根據外界環境變化（如溫度、濕度、太陽輻射強度等）智能調節，提升乘車舒適度，比如在陽光充足的情況下，系統能自動增強太陽能的利用率，減少電池消耗；在陰天或夜間，系統則更多依賴車輛自身的能源，此設計不僅提高能源的利用效率，而且還能根據實際情況優化空調的運行狀態，實現節能與舒適的平衡。另外，這種基于太陽能輔助的新能源汽車空調自動控制系統的設計，是對現有汽車空調系統的一種創新升級，它不僅順應了新能源科技的發展趨勢，也符合現代社會對于節能減排和可持續發展的需求，具有廣泛的應用前景和重要的實用價值。

2.2 系統總體設計組成及框架

基于太陽能輔助的新能源汽車空調自動控制系統的總體設計組成及框架主要包括太陽能收集模塊、能量轉換存儲模塊、空調控制單元、環境監測單元以及用戶界面。

太陽能收集模塊負責捕捉太陽能并將其轉化為電能，這一過程通過安裝在汽車頂部的太陽能光伏板完成。能量轉換存儲模塊則將收集到的太陽能電能轉換為適合汽車空調系統使用的電能形式，并儲存在電池中供空調系統使用。空調控制單元是系統的核心，它根據環境監測單元收集到的數據（如車內外溫度、濕度、太陽輻射強度等信息）智能調節空調運行狀態，實現溫度的自動調控。環境監測單元則是系統感知外界環境變化的“眼睛”，它的精準度直接影響到空調控制單元決策的有效性。最后，用戶界面為駕駛員提供了一個直觀的操作平臺，通過這個平臺，用戶可以查看系統狀態，手動調整空調設置，或查看太陽能收集情況。

這個設計框架整體上實現了太陽能與汽車空調系統的高效結合，不僅優化了能源使用，還提升了用戶體驗，體現了智能化和環保的設計理念[1]。

3 系統硬件設計

太陽能輔助的新能源汽車空調自動控制系統控制模塊如圖1所示。

3.1 電源管理控制器

電源控制器硬件選擇STM-EMC1000，這款電源管理控制器專為與STM32微控制器配合而設計，其特殊之處在于與STM32兼容的通信接口和驅動程序，能夠實現穩定可靠的數據傳輸和控制。此外，該控制器還采用了高效的能量管理算法，實現了太陽能和電池能量的智能分配，最大程度地提升了系統的能效。同時，電源管理控制器與STM32的兼容性保證系統的穩定性和可靠性，其智能能量管理系統能夠根據實時數據動態調整能量分配，確保空調系統在各種工作環境下的持續供電，可有效提高系統性能，而且也會延長電池的使用壽命，為汽車空調系統的可持續運行提供保障[2]。

3.2 微機控制器

微機控制器選擇 STM32F4，該微控制器是系統的核心控制單元，具有高性能的數據處理能力和豐富的外設接口，擁有強大的處理器性能和靈活的外設支持，能夠實現復雜的控制算法和多種傳感器數據的實時處理，并且STM32F4還支持多種通信協議，能夠與其他硬件模塊無縫連接，實現系統的整合與優化。同時，STM32F4微控制器的高性能和靈活性使得系統具備強大的控制能力和響應速度，豐富的外設接口和通信功能為系統的擴展和升級提供了可能，使得系統能夠適應不斷變化的環境和需求。

3.3 電壓信號采集模塊

系統的電壓信號采集模塊選擇STM-VSM200，這款電壓信號采集模塊同樣是專為與STM32微控制器配合而設計的，其特殊之處在于采用STM32的通信接口和驅動程序，能夠實現與STM32之間穩定可靠的數據傳輸和控制。同時，該模塊具有高精度的信號采集和傳輸技術，能夠準確地反映太陽能板和汽車電池的電壓情況。除此之外，該硬件還具有高精度的信號采集技術，可為系統提供準確的實時數據反饋，使得系統能夠及時調整能量分配策略[3]。

3.4 蜂鳴器報警

蜂鳴器報警模塊型號BZ-STM32，這款蜂鳴器報警模塊專為與STM32微控制器相配合而設計，其特殊之處在于具有高音質和可調節音量的特點，能夠發出清晰、響亮的報警聲音。此外，該模塊還集成了多種報警模式和靈活的觸發機制，能夠實現多種報警場景的應對。蜂鳴器報警模塊的高音質和可調節音量確保了報警信息的清晰傳達，提高駕駛者對系統狀態的感知能力，其靈活的報警模式和觸發機制使得系統能夠及時響應各種異常情況，提高了駕駛安全性和系統穩定性[4]。

3.5 液晶顯示模塊

液晶顯示模塊型號LCD-STM32，這款液晶顯示模塊是專為與STM32微控制器配合而設計的高清晰度顯示器，其特殊之處在于具有大屏幕和高分辨率的特點，能夠清晰顯示各種系統參數和操作界面。此外，該模塊還支持觸摸屏功能和多種顯示模式，提供了用戶友好的操作體驗，液晶顯示模塊的大屏幕和高分辨率確保了信息顯示的清晰度和可讀性，提高駕駛者對系統狀態的了解。

3.6 傳感器監測模塊

傳感器監測模塊型號 SM-STM32，這款傳感器監測模塊是專為與STM32微控制器配合而設計的多功能監測設備。該模塊集成多種傳感器接口和高精度的數據采集技術，能夠實時監測車內外環境的溫度、濕度、光照等參數，并且該模塊還具備智能控制算法和自適應調節功能，能夠實現對空調系統的精確控制。另外，傳感器監測模塊的多功能性和高精度性能為系統提供了豐富的實時數據反饋，有利于系統對環境變化的快速響應，其智能控制算法和自適應調節功能能夠實現空調系統的智能化控制，有效提高系統的能效和舒適性[5]。

4 系統軟件設計

軟件方面基于STC12C5A60S2微處理器使用嵌入式C語言設計開發環境，構建出一系列控制程序，并將控制代碼轉換成Hex文檔形式。設計系統的工作模式簡圖如圖2所示。

在開發過程中，通過使用STC12C5A60S2微處理器與嵌入式C語言，精心設計了一套控制算法。隨后，這套算法被編譯成Hex機器碼文件，確保它能夠在搭載MCS-51內核的STC12C5A60S2微控制器上順暢運行。系統一經啟動，便自動對所有硬件進行全面檢查。電源管理控制器此時承擔起監測電池與太陽能發電系統電壓及駕駛室內溫度的任務，并將收集到的數據展示在顯示屏上。電源管理控制器不僅實時監控電池電壓，還依據當前狀況調整太陽能發電系統的充電狀態，一旦檢測到異常，即刻通過蜂鳴器發出警報。同時，汽車空調智能調節控制器通過CAN總線與空調系統的控制模塊建立通信，從而控制電池為制冷系統的電動壓縮機供電[6]。

空調系統的控制模塊根據接收到的執行指令信號，指揮制冷和通風系統工作，調整座艙內溫度。此外，溫度傳感器持續將座艙溫度信息反饋給控制器。依據這些反饋，控制器向空調系統發出精確的調節指令，以確保乘客能享受到一個舒適的環境溫度。這一系列的精確控制和智能調節，展現了高度集成化系統在實際應用中的強大能力。

5 仿真應用

5.1 環境搭建

本仿真應用旨在模擬基于太陽能輔助的新能源汽車空調自動控制系統。仿真環境采用MATLAB/Simulink平臺，結合STC12C5A60S2微處理器和嵌入式C語言控制算法進行代碼開發，硬件模擬采用Simulink中的模塊來模擬微控制器的運行，并利用實時仿真功能模擬其與其他硬件組件的交互，如電源管理控制器、溫度傳感器等。控制算法實現則利用Simulink中的嵌入式C語言代碼塊，確保代碼的高效性和準確性。調試參數通過Simulink參數設置功能調整，包括電池電壓、太陽能發電電壓、駕駛室內溫度等，以模擬不同工況下系統的運行情況。仿真數據監測利用Simulink的數據監測功能，實時監測關鍵參數的變化，以便后續數據分析[7]。

5.2 數據分析

a.日期/時間戳：記錄數據采集的日期和時間。

b.太陽能電池板輸出功率：太陽能電池板所產生的電能功率。參照值：模擬太陽輻射強度下的理論最大功率。

c.電池儲能系統充電狀態：電池儲能系統當前的充電狀態，以便評估太陽能的收集與利用情況。參照值為電池儲能系統的最大充電容量。

d.車內溫度：空調系統所控制的車內溫度。參照值為車內設定溫度。

e.能源利用率：對太陽能輔助系統的能源利用效率進行評估。參照值為理論上太陽能到空調系統的能量轉換效率。

f.空調系統能耗：空調系統在不同情況下的能耗情況。參照值為實際空調系統在不同工況下的能耗。

g.環境溫度：周圍環境的溫度，影響空調系統的工作效果。參照值為實際環境溫度。

系統檢測數據結果如表1所示。由表1中數據可知：

a.太陽能電池板輸出功率隨著時間的變化而變化，這反映了系統在不同光照條件下的性能，需要確保實際輸出接近理論最大功率，以驗證太陽能的有效利用程度。

b.電池儲能系統充電狀態的高低反映了系統中電池的充電情況。高充電狀態表明太陽能的收集效果良好，而低充電狀態可能暗示著系統設計或能量管理方面的問題。需要對比參照值，確保系統在最大充電容量范圍內運行。

c.車內溫度是空調系統的核心指標。觀察車內溫度數據，需要確保系統在不同外部溫度和太陽能供能情況下能夠維持穩定的車內溫度。對比設定溫度，確保誤差不超過1 ℃，以驗證空調系統的穩定性和精準度。

d.能源利用率反映了太陽能輔助系統的效率。通過對能源利用率的數據進行分析，可以評估系統的整體性能。需要確保能源利用率接近理論最優值，以驗證系統設計的有效性和節能性。

e.觀察空調系統在不同情況下的能耗情況可以確定系統的節能性能。需要對比實際能耗和預期能耗，確保系統在提供舒適溫度的同時能夠高效利用太陽能，從而減少對傳統能源的依賴[8]。

f.考慮外部環境對空調系統的影響也是十分重要的。分析環境溫度與空調系統性能的關系，可以幫助了解系統在不同環境條件下的工作情況，并可能為系統的優化提供一些啟示。

6 結語

基于太陽能輔助的新能源汽車空調自動控制系統的設計與應用是對可再生能源與汽車技術融合的重要探索。通過對實驗數據的分析與評估，驗證了該系統在節能減排、穩定性和舒適性方面的優勢。未來，隨著技術的不斷進步和應用的推廣，這一系統有望在汽車工業中發揮更加重要的作用，為構建清潔、低碳的移動出行環境做出更大的貢獻。

參考文獻：

[1]羅昕月，杜佳寧，童慧芳，等.新能源汽車空調變頻控制系統設計與研發[J].儀器儀表用戶，2023，30（12）：13-16.

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[6]鮑磊.基于PID控制的新能源汽車空調控制系統設計分析[J].時代汽車，2021（13）：117-118.

[7]唐靜嫻.關于對新能源汽車空調系統技術的分析[J].時代汽車，2022（19）：88-90.

[8]李巖，李琳燁，張青松.新能源汽車半導體空調輔助系統設計[J].科學技術創新，2022（19）：19-22.

作者簡介：

奚洋，男，1982年生，講師，研究方向為電子技術、自動控制技術、汽車電子技術。