基于PID的車用小型制冷制熱裝置設計

歐艷華

（柳州職業(yè)技術學院，廣西 柳州 545006）

1 前言

車載制冷和制熱裝置已經(jīng)有成熟的應用產品。從實現(xiàn)技術上來分析，車用制冷和制熱裝置在實現(xiàn)原理上主要分為：基于傳統(tǒng)壓縮機的車載冰箱、基于半導體制冷和制熱原理的車載冰箱以及利用保溫材料實現(xiàn)的車載保溫箱。其中基于傳統(tǒng)壓縮機原理的制冷冰箱體積相對較大，其工作原理是利用壓縮機實現(xiàn)制冷目的的，這種制冷方式不適合用于小型車輛上的車載冰箱?；诎雽w制冷和制熱原理實現(xiàn)的冰箱是目前小型車輛上的制冷冰箱的主要方式，而采用保溫材料實現(xiàn)的車載保溫箱不具備主動制冷和制熱的能力，僅僅是依靠保溫材料來降低熱量傳導的能力，使得保溫箱內的熱量與外界環(huán)境盡可能少的進行交換。

雖然目前采用半導體制冷技術是實現(xiàn)車載小型制冷裝置的主流方式。但是，隨著能源越來越緊張，對于車用小型制冷裝置的工作效率成為人們越來越關注的問題。本文設計的小型車載制冷制熱裝置要解決的問題是將充分利用車上現(xiàn)有的能源，盡可能提高能源的利用率，以達到在滿足用戶制冷制熱的需求下以達到節(jié)能的目的。

2 裝置設計

目前車用小型制冷制熱裝置一般是采用基于半導體熱電制冷制熱的原理實現(xiàn)制冷和制熱的目的。然而目前傳統(tǒng)的車

用小型制冷制熱裝置中利用熱電原理實現(xiàn)制熱，雖然能夠實現(xiàn)對制熱箱內溫度的提高，但是汽車在行駛過程中，發(fā)動機本身會產生大量的熱量，這些熱量絕大多數(shù)被當作廢熱給釋放掉了。當汽車在行駛過程中，啟動車用制熱裝置則無形當中增加了汽車能源的負荷，而且沒有充分將汽車自身所具有的熱能利用起來。另一方面，但從傳統(tǒng)的半導體制冷裝置中，一旦啟動半導體制冷，則系統(tǒng)一直處于工作狀態(tài)，并不會根據(jù)制冷箱當前的溫度自動的調節(jié)制冷的輸出功率，從而導致制冷過程中能源的浪費比較明顯。

圖1 車用小型制冷制熱裝置結構圖

本文設計的車用小型制冷制熱裝置（如圖1所示），車用小型制冷制熱裝置由制熱箱、制冷箱兩部分所組成，制熱箱依靠汽車行駛過程中發(fā)動機的熱量來實現(xiàn)制熱的目的；制冷箱通過半導體制冷芯片實現(xiàn)制冷的目的，制冷過程利用微處理器以及 PID控制原理提高制冷過程的效率。制冷箱采用發(fā)動機產生的熱量作為熱源，其特征是由發(fā)動機水暖系統(tǒng)和熱交換器組成對發(fā)動機熱源的采集循環(huán)系統(tǒng)，將制冷箱中的空氣循環(huán)流經(jīng)熱交換器，實現(xiàn)對制熱箱中空氣溫度的改變，將發(fā)動機產生的廢熱傳遞至制熱箱中。制冷箱采用半導體制冷芯片實現(xiàn)制冷的目的，所選用的半導體制冷芯片的型號為TEC1-12710，半導體制冷芯片的熱端和冷端分別安裝風扇，將熱端和冷端的能源以空氣對流的形式快速地向制熱箱或制冷箱中傳遞。半導體制冷循環(huán)系統(tǒng)采用微控制器實現(xiàn)精確控制，其特征是由溫度傳感器對制冷箱中的溫度實施測量，并將測量的結果送至微控制器，由微控制器執(zhí)行PID控制算法，實現(xiàn)對半導體制冷芯片輸入電流的調節(jié)。對制冷箱中溫度測量的傳感器使用四個溫度傳感器分別對制冷箱內部的溫度進行測量，溫度傳感器的型號為DS18B20。微控制器采用型號為AtXmega128A1，微控制器連接著四個溫度傳感器以及制冷工作模式控制開關，同時微控制器的輸出連接電源調節(jié)模塊。微控制器內部設計PID控制模塊，通過PID控制算法，實現(xiàn)由制冷箱內部當前采集的溫度作為輸入量，實現(xiàn)對電源調節(jié)模塊的輸出電流的自動調節(jié)過程。在對制冷箱半導體制冷芯片輸入電源進行調節(jié)時，其電源調節(jié)模塊的輸入端為車載12V標準電源，并使用車用標準插頭連接至車內 12V電源的輸出端。導體制冷箱為制冷箱和制熱箱分別由兩層材料組成，內層為真空隔熱層，外層為聚氨酯保溫層，最外層是加固層，使用金屬材料。

3 工作原理

PID（比例（proportion）、積分（integral）、微分（derivative））控制器作為最早實用化的控制器，誕生于已有70多年歷史，發(fā)展速度迅速，目前仍然還廣泛應用于工業(yè)控制器。它控制器簡單易懂，不需精確的系統(tǒng)模型作為先決條件，是目前最為廣泛應用的控制器。一個控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機構、輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過輸出接口、執(zhí)行機構，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器、執(zhí)行機構是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（儀表）已經(jīng)很多，產品已在工程實際中得到了廣泛的應用，有各種各樣的 PID控制器產品，各大公司均開發(fā)了具有 PID參數(shù)自整定功能的智能調節(jié)器 (intelligent regulator），其中 PID控制器參數(shù)的自動調整是通過智能化調整或自校正、自適應算法來實現(xiàn)。有利用 PID控制實現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實現(xiàn) PID控制功能的可編程控制器(PLC），還有可實現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等。本文基于PID控制器的制冷制熱裝置的的工作原理如圖2所示。

圖2 PID控制器設計結構

車用小型制冷制熱裝置在制熱過程中將發(fā)動機產生的熱量通過水暖系統(tǒng)以及熱交換器將熱量傳遞至制熱箱中。當發(fā)動機產生的熱量不能夠滿足制熱箱要求的制熱需求時，再啟動半導體制熱系統(tǒng)對制熱箱中的溫度進行升溫。當用戶需要使用制冷箱是，在半導體制冷循環(huán)系統(tǒng)中增加基于微控制器和 PID控制原理的制冷量調節(jié)系統(tǒng)，根據(jù)制冷箱內部當前的溫度自動調節(jié)半導體制冷芯片的輸出電流，使得制冷箱的能源消耗盡可能處于最科學的狀態(tài)，以提高能源的利用率。圖1中將車用小型制冷制熱裝置分為兩部分：上半部分為制熱箱，下半部分是制冷箱。其中制熱箱和制冷箱之間放置了半導體制冷芯片，在半導體制冷芯片兩端分別安裝了散熱和散冷風扇，使得半導體制冷芯片在工作過程中產生的熱量以及能量能夠通過風扇及時地傳遞至制熱箱或制冷箱內部。在制熱箱里面安裝了兩個循環(huán)風口，分別連接至熱交換器。熱交換器通過水冷系統(tǒng)與發(fā)電機形成一個循環(huán)系統(tǒng)，能夠將發(fā)動機運行過程中產生的熱量傳遞至制熱箱中。制冷箱內部安裝了四個溫度測量探頭監(jiān)測制冷箱內部當前的溫度。通過采集到的溫度送入微控制器中，由微控制器根據(jù)制冷箱中當前的實際溫度以及制冷的目的對制冷箱的輸入電源進行動態(tài)調節(jié)，實現(xiàn)對半導體制芯片制冷量的調節(jié)，使得制冷箱在工作過程中盡量減少多余能量的消耗，其中可調電源的輸入端采用車載標準的12V電源。

4 車用制冷制熱裝置的工作過程

下面結合小型車用制冷制熱裝置的工作方式進一步闡述本文設計的制冷制熱裝置結構特征與其工作過程步驟如下。

（1）車用小型制冷制熱裝置啟動后，當用戶需要進行制熱的需求時，制熱箱的熱交換輸入輸出風口分別打開，而通過從發(fā)動機工作過程中產生的熱量經(jīng)過水暖系統(tǒng)熱交換器將熱量以熱風的形式輸入至制熱箱中，并在制熱箱內部形成循環(huán)，提高制熱箱內部的溫度。如果用戶對當前制熱箱中的溫度不夠滿意，此時可以啟動半導體制熱系統(tǒng)，通過對半導體制冷芯片施加特定方向的電流使得半導體制冷芯片往制熱箱內輸出熱能，提高制熱箱的溫度。當用戶需要使用制冷功能時，由用戶設定制冷箱的制冷強度，制冷強度可分為高中低三個檔，對應不同溫度的設定。

（2）制冷箱溫度調節(jié)范圍為5℃～65℃，其中制冷模式設為高表示制冷的目標溫度為5℃，制冷模式設為中，表示制冷的目標溫度為15℃，制冷模式設為低，表示此時制冷目標溫度為25℃。制冷箱通過溫度傳感器對制冷箱內部的溫度進行采樣，獲取的溫度信息送至微處理器中，由微處理器根據(jù)當前采樣得到的溫度值以及制冷模式設定的目標溫度。

（3）通過PID軟件模塊對可調電源進行控制，調節(jié)可調電源的輸出電流值，使得半導體制冷芯片以不同的功率工作，實現(xiàn)制冷箱內部溫度的動態(tài)調節(jié)。在制冷箱整個工作過程當中，溫度傳感器將定期地對制冷箱內部溫度進行測量，并啟動微處理器中的 PID功能模塊定期地調整半導體制冷芯片的工作電流，確保制冷箱內部的制冷量與實際要求盡可能地一致，提高制冷循環(huán)系統(tǒng)的能源利用效率。

5 總結

本文所設計的車用小型制冷制熱裝置由制冷子箱和制熱箱兩個箱體共同組成，其中制熱箱采用汽車發(fā)動機行駛過程中產生的熱量作為熱源，當汽車發(fā)動機產生的熱源不夠時，再以半導體制冷芯片作為熱源，而制冷箱則完全通過半導體制冷芯片實現(xiàn)制冷的目的。車用小型制冷制熱裝置制熱部分主要采用發(fā)動機產生的熱量來實現(xiàn)制熱的目的，不消耗額外的能量，降低了制冷制熱裝置的能源消耗。采用基于微處理器及 PID控制原理來提高制冷箱的制冷效率，提高了能源的利用率。

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