基于太陽能技術的汽車空調輔助系統研究

王登杰

（武威職業學院，甘肅 武威 733000）

汽車內部的駕駛環境在高溫季節或低溫季節會加劇惡化，更易發生交通事故，而汽車空調能夠有效改善汽車內部環境的舒適程度。但目前傳統燃油汽車的空調系統會增加大量額外的汽車油耗，且在汽車制動的過程中會自動停止工作，因此無法滿足駕駛員對車內舒適度的要求[1]。而近幾年出現的電動汽車空調系統采用的是蓄電池驅動直流壓縮機實現對車內環境的制冷，這種空調系統的能耗會在一定程度上影響電動汽車在最大的燃料儲備下可連續行駛的總里程。因此，目前該領域的研究學者正針對新型的汽車空調系統及相關的空調輔助系統進行研究。隨著科技的發展，光伏發電系統已經得到了廣泛的應用，且系統的穩定性十分良好，同時太陽能吸收式的制冷空調系統也已經取得了一定進展。因此，本文提出一種基于太陽能技術的汽車空調輔助系統，將太陽輻射熱充分的利用，節約汽車的能源消耗。

1 基于太陽能技術的汽車空調輔助系統硬件設計

本文提出的基于太陽能技術的汽車空調輔助系統硬件部分主要分為兩個部分，分別為基于太陽能技術的電池陣列充電控制電路、半導體制冷控制電路，圖1為硬件設計整體框架圖。

選用DAS781V336型號的控制芯片作為汽車空調輔助系統的核心控制芯片，下述將針對DAS781V336控制芯片、電路設計等進行詳細的說明。

1.1 控制芯片

圖1 硬件設計整體框架圖

DAS781V336型號控制芯片是一種具有8位總線的帶FLASH存儲芯片的單片機。采用8位總線，可將外部設備與內存進行統一的編址，尋址范圍最高可達55k，同時還可外擴存儲器[2]。輸入電壓范圍為2.0～5.5V，極低工作電流為3μA，靈敏度可通過外部電容值自由調節，可實現ON/OFF控制輸出自己LEVEL HOLD方式輸出，總體體積較小，可節約更多的板材空間。具備統一的終端管理，控制芯片上的外圍模塊十分豐富，控制芯片內部裝有精密硬件乘法器、多個32位定時控制器，以及多個8位的模擬數字信號轉換器、12路計算機接口、支持16M時鐘。由于DAS781V336型號控制芯片自帶FLASH存儲芯片，因此可以在線對單片機進行控制和調節，并且集成電路直接與場效應晶體管相連，不需要增設外加的仿真工具，方便使用。由于其3μA的極低工作電流，因此可以在超低功率模式下完成相應的工作，對環境以及人體的輻射較小，可靠性更強，在加強電干擾的條件下不會受到影響，適用于工業級的運行環境當中，適合將其應用在低功耗、小型化的自動控制設備中。

1.2 基于太陽能技術的充電電路設計

系統電路是本文系統的核心部分，由于本文基于太陽能技術對汽車空調輔助系統的加熱控制，而太陽能電池的輸出功率會受到周圍環境的影響而不斷發生改變，為了實現對最大輸出功率的設計，要求本文系統具備強大的實時性及響應速度，為此采用了DAS781V336型號的單片機作為系統的控制芯片，圖2為系統基于太陽能技術的充電電路的設計原理圖。

圖2 基于太陽能技術的充電電路設計原理圖

在模擬數字轉換器采樣中包含四路采樣信號，分別為太陽能電池輸出電壓、太陽能電池輸出電流、蓄電池電壓以及蓄電池電流[3]。四種信號均屬于變化的直流信號。針對汽車空調輔助系統的設計需要，本文選用SIC586電壓傳感器及電流傳感器分別對四路電壓和電流信號進行采樣。采樣信號通過SIC586電壓傳感器及電流傳感器轉化為電壓信號，再經過濾波電路最終送到單片機模擬數字轉換器的接口處。

SIC586電壓傳感器的測量范圍在20V～550V之間，額定輸出為30mA，頻率范圍在0～90KHz，電源電壓為±11V～±21V，響應時間為 8μs，線性度為0.2%。該型號電壓傳感器中共有五個連線端子，分別用作被測電壓輸出和輸出端、電源正極、電源負極以及信號輸出端。電流傳感器中包含三個連線端子，分別用作電源正極、電源負極以及信號輸出端[4]。電流傳感器的測量范圍在0A～220A之間，輸出電流為80mA對應原邊額定電流為80A，頻率范圍為 DC～8KHz，電源為±11V～±21V，線性度為0.1%。

2 基于太陽能技術的汽車空調輔助系統軟件設計

2.1 汽車空調輔助制熱設計

本文系統根據電壓傳感器測得的蓄電池兩端的電壓信號及電流信號決定采用對汽車制冷或制熱的方式，系統的總體軟件流程如圖3所示。

圖3 系統總體軟件流程

光伏電池的輸電電壓與電流之間非線性關系，因此，存在一個最大的功率電壓，而光伏電池電壓與電流的特性會隨著日照強度以及運行溫度的變化而改變[5]。為了進一步保證太陽能電池能夠獲取到的最大的能量利用效率，本文采用最大功率點追蹤的方法是太陽能電池陣列隨時處于最大功率輸出點上。

基于太陽能技術的太陽能電池陣列在工作過程中，當到達最大功率點時，其工作電壓與開路電壓之間呈線性關系，而此時的光伏陣列為最大功率點。

2.2 汽車空調輔助制冷設計

系統中采用脈沖寬度調度的方式調節半導體制冷器兩端的平均電壓，進而調節其輸出功率。脈沖寬度調制由相應的引腳控制。脈沖寬度調制的控制偏差計算公式為：

公式（1）中，m（s）表示為控制器實際輸出值；n（s）表示為給定的定值；p（s）表示為二者之間的控制偏差。將偏差的比例、積分以及微分通過線性組合構成控制量，并對被控制的對象進行調節，其調控規律為：

公式（2）中，H（x）表示為控制傳遞函數；KP表示為比例系數；T1表示為積分時間常數；T2表示為微分時間常數。其中，比例環節利用成比例的反應對系統的偏差信號進行控制，當偏差產生時，控制器立即動作從而降低誤差[6]。積分環節主要用于消除系統內部的靜態誤差，提高系統整體的制冷控制精度，積分作用的強弱取決于公式（2）中的積分時間常數T1，當T1越大，則表示積分的作用越弱，當T1越小，則表示積分的作用越強。微分環節用于反映系統偏差信號的變化趨勢，當系統偏差信號值過大時系統自動引入一個修正信號，從而降低系統的超調，加快制冷過渡，減少制冷時間。

3 實驗論證

3.1 實驗準備

實驗選用兩臺型號相同的汽車作為實驗對象，其中一臺汽車內安裝本文提出的基于太陽能技術的汽車空調輔系統，另一臺安裝傳統汽車空調輔助系統，分別將其設置為實驗組和對照組。為了在實驗過程中時刻了解汽車內部的溫度變化情況，在車內的駕駛位、副駕駛位布置兩個測量溫度的PL1000鉑電阻測溫設備，并利用多路數據采集設備將采集到的溫度信息傳輸到計算機上。實驗開始前將兩輛汽車內部溫度控制在25°C，分別利用本文系統和傳統系統將兩輛汽車的內部溫度調節到10°C、15°C、20°C、25°C、30°C、35°C，同時在調節過程中保證兩組調節時間統一，比較實驗組與對照組的耗電功率情況。

3.2 實驗論證分析

根據上述實驗準備，完成對比實驗，在實驗過程中將實驗組與對照組汽車高電功率情況進行記錄，并繪制成如圖4所示的實驗結果對比圖。

圖4 實驗組與對照組實驗結果對比圖

由圖4中的兩條實驗曲線可以看出，對照組汽車的耗電功率明顯高于實驗組，其主要原因是由于在調節汽車內部環境溫度時，實驗組大部分的溫度調節是依靠太陽能技術，因此節約了大量汽車的耗電功率，而對照組中汽車空調輔助系統并未添加太陽能技術，單純依靠汽車自身的能源消耗。因此，通過對比實驗證明，本文提出的基于太陽能技術的汽車空調輔助系統可以有效降低汽車的耗電功率，節約更多的能源，既可以滿足汽車的制熱、制冷需要，同時又達到了節能環保的目的。

4 結束語

文章對汽車空調輔助系統的軟硬件分別進行了設計和研究，基于太陽能技術對汽車內部環境的溫度進行調節。目前基于太陽能技術的汽車空調輔助系統仍處于研究的狀態，實用化程度較低，但隨著日后相關研究工作的不斷深入，制造該系統的成本也會不斷降低、效率也會得到提高，因此具有十分廣闊的前景。