一種基于光伏發電技術的電熱防寒服的設計

丁攀，郭偉，焦騰，謝奎，湯池

1.第四軍醫大學 生物醫學工程學院，陜西 西安 710032；2.解放軍73096部隊，江蘇 南京 210049

引言

我國高原、高寒地域遼闊，對于在寒冷等惡劣條件下長時間戶外工作、生活的人來說，人體熱量散失較快，僅靠被動防寒裝備難以長時間保證機體正常運行。特別是長期駐守在高原、高寒地區的邊防官兵和工作人員，經常需要進行長時間野外作業，加之御寒裝備不足，導致體內熱量大量散失，常常有凍傷情況發生，風濕、關節炎等慢性病發病率很高，嚴重影響作業能力和身體健康。

針對高原、高寒地區抗寒取暖難題，研制一種適用于野外環境下無源、便攜、連續供熱的防寒裝置具有十分重要的意義。本文結合高原、高寒環境下日照充足的特點，提出了一種基于光伏發電技術與電熱技術相結合的自發電防寒服的研究方案，該裝備能夠利用太陽能作為能源，通過儲能電池儲能[1]，給防寒服電熱裝置供能。該方案能夠有效解決野外無電源條件下長時間連續供熱的難題，適用于油田工人、道路工人、執勤巡警、站崗交警、極地科考人員等寒冷環境作業人員，特別是對提高邊防官兵高寒環境下作業效能具有重要的實際意義和應用價值。

1　硬件設計和實現

系統硬件設計以輕便、易攜、舒適、耐用原則為指導，系統主要由電池單元、發熱單元和溫控單元3部分組成[2]。電池單元由太陽能電池、充放電控制器和蓄能電池組成。發熱單元由電熱片組成。溫控單元由電源電路、溫度調節電路、MOSFET開關電路和溫度采集電路組成。

系統總體性能需滿足高原高寒條件下人們生活和工作的實際需求，主要性能指標包括：最低工作溫度-40℃，連續工作時間不少于6 h，總重量不大于1 kg，使用壽命不少于5年。同時，該系統具有攜帶輕便、操作簡單、穿戴舒適、發熱均勻、保暖持久、安全耐用等特點。

該電熱防寒服包括發熱背心和外套兩部分[3]。發熱背心內層貼附柔性電熱片，用于人體衣服內層供暖。柔性太陽能電池板貼附于外套外層，在光照良好的條件下給鋰電池充電。柔性電熱片和柔性太陽能電池板均可自由拆卸，便于防寒服水洗和攜帶。鋰電池通過溫度控制器為柔性電熱片提供電能,溫度控制器通過單片機的脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）功能和MOSFET開關電路實現功率控制和電路保護[4]，同時接收溫度傳感器反饋的實時溫度，實現智能化溫控。該電熱防寒服可兼容12 V電源充電器，可在市電、發電機發電等條件下為鋰電池充電，以備防寒服在陰雨天氣、夜間等光照不足條件下使用。

1.1　電池單元設計

1.1.1太陽能電池

太陽能電池依材料不同可分為晶硅電池和非晶硅電池。晶硅電池包括單晶硅電池和多晶硅電池。單晶硅電池轉換效率高，但單晶硅造價高，電池工藝繁瑣。多晶硅太陽能電池所使用的硅材料遠較單晶硅少，而且能夠在廉價襯底材料上制備，其成本遠低于單晶硅電池，但其重量大，柔韌性差，不適用于可穿戴設備[5-6]。非晶硅柔性薄膜太陽能電池擁有電壓可調節、薄膜結構柔韌性好、良好的弱光發電特性等優點[7]，其質量輕、可彎曲度好、光電轉換效率可高達20.4%[8]。考慮到可穿戴的技術需求，本系統采用非晶硅柔性薄膜電池作為太陽能電池材料，可設計并制作成可拆卸式太陽能外套，用于接收太陽能并給蓄能電池充電。

綜合分析系統需求，本系統選用開路電壓2 V、功率1.5 W的柔性太陽能電池板，每片面積不大于0.1 m2，尺寸可任意定制。太陽能電池板連接電路圖見圖1，采用6串2并的太陽能電池板連接方式[9]，盡可能提高光電轉換效率，并在每串中增加防反充肖特基二極管。

圖1　太陽能電池板連接電路圖

1.1.2充放電控制器

充放電控制器主要用于太陽能電池板的充電控制和鋰電池的放電控制。目前充放電控制技術比較成熟，市場上的太陽能控制器經過改裝后即可滿足功能要求，其實現的功能主要有：為蓄電池提供最佳的充電電流和電壓，為負載提供持續穩定的輸出電壓，太陽能組件反充保護，鋰電池反接保護，過流保護，過壓保護，過充保護，過放保護，過載保護，短路保護和電量指示等。

1.1.3儲能電池

本系統中蓄能電池的要求有：體積小，重量輕，便于攜帶；工作電壓12 V，容量不小于4000 mAh，能夠提供足夠的發熱功率，連續供電時間不少于6 h；耐低溫性強，能在-40℃嚴寒環境下工作。基于以上要求，本系統選用大容量聚合物鋰電池。為拓展對外供電能力，鋰電池上可增加5 V的USB接口、12 V直流電源輸出口，可為手機、電腦、儀器等電子設備提供應急電源[10]。

1.2　發熱單元設計

基于舒適性、安全性、發熱效率等方面考慮，本系統選用柔性電熱片作為發熱材料，均勻貼附于背心內層，具有防水、可拆卸、安全方便等優點。選擇電熱片的基本要求有：每片發熱功率不小于0.5 W，溫度控制均勻，升溫速度快；每片面積不大于0.1 m2，可按需求采用串并聯方式貼制于背心上；柔韌性好，可彎曲折疊，不易斷裂；絕緣性好，可水洗；穩定性好，壽命長；工作溫度范圍大，能在-40℃嚴寒環境下工作。

1.3　溫控單元設計

溫度控制器是一種常用的自動化控溫設備，根據不同功能已廣泛應用于醫療、工業、生活服務等許多領域[11]。基于系統的特殊功能需求，本系統采用IAP15W4K58S4單片機作為微處理器，設計開發系統專用溫度控制器。該單片機具有可靠性高、功耗低、抗干擾能力強等優點，不需外部晶振和外部復位，工作頻率范圍寬，帶有高精度PWM功能。該單片機采用LQFP44形式封裝，根據電路設計需求，選用P0.5、P1.3、P1.4、P1.5和P3.5作為I/O口，選用P2.3作為脈寬調制輸出口。溫度控制器結構框圖見圖2，溫度控制器通過溫度傳感器反饋的實時溫度來控制MOSFET開關電路的通斷，通過單片機輸出不同占空比的PWM信號來實現精確控溫。

圖2　溫度控制器結構框圖

該溫度控制器主要包括電源電路、溫度調節電路、MOSFET開關電路和溫度采集電路4部分，其結構簡單，安全穩定，控溫精確。

1.3.1電源電路設計

采用LM2576S-5.0開關型降壓穩壓器設計輸出為+5 V的穩壓電源電路[12]。LM2576S-5.0穩壓器是單片集成電路，能夠很大程度上簡化外圍電路設計，具有熱關斷和電流限制保護功能。該穩壓器效率高，功耗小，一般不需外加散熱片，能夠滿足本系統的設計需求。系統電源電路設計見圖3，C1為輸入電容，防止輸入端瞬間電壓過大。C3為輸出電容，降低輸出端震蕩，提高電路的穩定性。D4為肖特基二極管，其正向壓降低、開關速度快、反向恢復時間短。L1為儲能電感，抑制高頻干擾。C2、C4為濾波電容。

圖3　電源電路

1.3.2溫度調節電路設計

采用1個獨立按鍵選擇溫度檔位，1個三色發光二極管指示當前溫度，設計小巧，操作簡單，不容易發生誤操作。第一次按鍵，選擇低溫檔位，黃燈亮；第二次按鍵，選擇中溫檔位，綠燈亮；第三次按鍵，選擇高溫檔位，紅燈亮；第四次按鍵回到低溫檔位。溫度調節電路見圖4。單片機P0.5為按鍵輸入，用軟件延時來消除按鍵抖動[13-14]，P1.3、P1.4和P1.5控制三色發光二極管。

圖4　溫度調節電路

1.3.3MOSFET開關電路設計

因單片機輸出的PWM信號頻率比較高，MOSFET管開關頻率高適合進行功率控制[15]。MOSFET開關電路見圖5，采用N溝道增強型MOSFET管Q2控制通斷，三極管Q1驅動，保險絲F1短路保護。單片機I/O口P2.3提供PWM控制信號。

圖5　MOSFET開關電路

1.3.4溫度采集電路設計

溫度采集電路的設計選用數字溫度傳感器DS18B20[16]。DS18B20內部主要由溫度傳感器、配置寄存器、64位ROM和高低報警觸發器等部件構成[17]。該數字溫度傳感器采用單總線協議，不需A/D轉換，能夠直接將溫度信號轉化為數字信號，其溫度測量范圍為-55℃～+125℃[18]。該溫度傳感器功耗低、精度高、體積小、電路設計簡單，能夠滿足系統的實際需求。溫度采集電路設計見圖6，DS18B20的數字信號輸入/輸出端DQ與單片機I/O口P3.5相連，傳感器測得的數據輸出為數字信號，通過“一線總線”串行的方式將其傳送到單片機[19]。上拉電阻R11的作用是提高電平的穩定性。DS18B20硬件電路比較簡單，還需通過軟件編程的方式進行初始化、總線讀取和總線寫入，整個過程必須嚴格按照DS18B20的讀寫時序來操作，這樣才能夠準確讀取實時溫度。

圖6　溫度采集電路

2　軟件設計與實現

2.1　溫度讀取

測溫軟件設計的重點是DS18B20溫度傳感器測溫數據的讀取，主要有以下4個步驟：初始化、ROM操作命令、存儲器操作命令和數據處理[20]。溫度讀取軟件流程圖見圖7，DS18B20在每一次通信之前都需要進行初始化，初始化的時間、等待時間和回應時間必須嚴格按照時序編程。單片機檢測DS18B20連接正常后發送ROM操作指令，隨后單片機依次執行寫暫存存儲器、讀暫存存儲器和溫度轉換命令，而后DS18B20保持等待狀態。若溫度轉換完成，則總線輸出1，經轉換所得的溫度值以二字節補碼形式存放在高速暫存存儲器。單片機將數據進行數學轉換后便可得到所測的實際溫度。另外，由于該系統是在寒冷氣候條件下工作，還需要判斷溫度的正負。

2.2　溫度控制

根據功能設計要求，應用單片機的PWM輸出控制功能和溫度傳感器進行溫控設計。本設計通過改變PWM輸出波形占空比實現3個溫度檔位調節。首先需確定PWM的周期T，然后用定時器T0產生一個中斷時間間隔t，定時器T0溢出n次的時間是PWM的高電平的時間，D為占空比，則：

設定周期T為1 ms的PWM，設置中斷時間間隔t為0.01 ms，中斷100次即為1 ms。在中斷子程序內，設置變量s，當s≥100時，s清零；當s＞n時（0＜n＜100），單片機P2.3輸出高電平；當s＜n時，單片機P2.3輸出低電平，此時占空比為n%。

圖7　溫度讀取軟件流程圖

溫度控制軟件流程圖見圖8。設置計數器I標記按鍵狀態。選擇低溫檔位時，輸出占空比為10%，溫度控制在40℃左右；選擇中溫檔位時，輸出占空比為20%，溫度控制在45℃左右；選擇高溫檔位時，輸出占空比為30%，溫度控制在50℃左右。控溫浮動范圍±1℃。

圖8　溫度控制軟件流程圖

3　討論

在寒冷環境下，只要光照充足，單純的低溫環境對太陽能電池的光電轉換效率影響不大，太陽能電池組件在低溫環境下能夠正常工作。考慮到鋰電池在低溫環境下性能會降低，放電時間會縮短，放電量會減少[21]，可在發熱背心內層設置存放鋰電池的口袋，利用人體溫度為鋰電池提供正常的工作環境。另外，也可為鋰電池外加一種抗低溫外殼[22]，確保其在低溫環境下能夠正常充放電。本文設計的電熱防寒服能夠滿足實際需求，其主要技術指標見表1。

表1　系統主要技術指標

4　結論

針對高原、高寒地區抗寒取暖難題，本文利用高原地區光照充足的特點設計出了一種基于光伏發電的電熱防寒服。該電熱防寒服能夠充分利用太陽能持續供暖，可實現實時智能溫度控制，具有使用簡單、穿戴方便、穩定可靠、實用性強的特點。本系統有望為高原高寒地區野外長時間作業人員抗寒取暖提供一種新裝備，具有良好的應用前景和實際意義。

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