基于微型能源技术的空调温度控制器设计及实验验证

任鹏，文武

（珠海格力电器股份有限公司，广东　珠海　519070）

基于微型能源技术的空调温度控制器设计及实验验证

任鹏*，文武

（珠海格力电器股份有限公司，广东珠海519070）

随着微型能源采集技术的逐渐成熟和应用，通过将室内微弱光源进行采集和存储，采用低功耗的器件和设计电路，应用低功耗的控制策略，并对控制装置的功耗进行分析控制，合理地利用存储能源和实时能源，从而实现一种无源无线的室内空调温度控制装置温控器。经测试验证，温控器在不需要任何外接电源的情况下完全可以满足其工作要求。

微型能源；光能；无源；存储；温控器

0　引言

“十二五”节能工作的重点将进一步转向建筑能耗，而降低建筑能耗的关键则是降低暖通系统能耗。通常在一个大型商业的办公场所，其暖通系统由主机和空调末端机组设备组成。空调末端机组是用户根据需要操作的末端设备，末端设备使用的方式如何，对暖通系统的能耗有很大影响。作为办公室内部的空调末端机组，是用户根据办公环境需要直接操作的设备，通常都会提供给用户操作的温控器，可以显示用户关心的信息，提供给用户操作的按键和检测室内环境温度，此温控器通常是由末端机组供电，虽然温控器控制系统或传感器的功耗较小，但是不论设备运转或停止都在工作，一直在损耗能源［1-2］。

本文就是通过采集室内日光灯（或室外提供的光线）产生的室内微弱光能，利用光电转换效应产生电能，在消耗能源的同时产生能源。但此部分产生的能源是非常有限的，适用于一些功耗较低的设备。对此加以充分利用，用此能源为温控器提供电源，从而使温控器脱离末端机组的限制，根据用户需要，实时检测环境温度对机组进行控制，为用户提供舒适的环境温度［3］。

1　理论分析

室内光线的来源有两种途径：引入室外光线和室内灯光提供合适的光照。据介绍，一般室内的照度为窗前1，000 lux，桌上400 lux，桌下100 lux。不论是室外光线还是室内的灯光，都可作为我们收集的光能，从光谱响应来看，在室内频谱的区间适合使用非晶硅的太阳能电池片进行光能采集转换。根据太阳能电池板的性能特点，每100 mm2光伏电池可以产生大约1 mW的电能，一般的能源效率为10%，容量比（平均所产生的电能对太阳持续照射时产生电能的比率）约为15%～20%。

常规的温控器功耗在30 mA左右，如果要使用室内光源提供能源就必须对温控器的器件、电路、控制策略重新设计，采用低功耗器件、低功耗电路以及节能策略的设计。通过低功耗的理论计算和分析，对带有液晶显示、按键、无线发射功能的温控器进行功耗分配（见表1）。

根据温控器的功耗需求我们选用小尺寸的非晶硅太阳能片提供电源是可行的。

表1　功耗分配

2　方案设计

根据温控器装置的需要，我们搭建的控制系统结构如见图1［4］。

图1　控制系统原理图

2.1光能电池的选型

根据主芯片，液晶、射频模块等主要器件的工作电压要求，选择3.3 V的光能电池比较合适，通过对比选择了适用于室内弱光型光能电池板。光能电池板对光强度很敏感，在室外太阳光下，电流可达毫安级；在室内则只有室内微安级。对光能电池板的光强度敏感性进行测试：在室外太阳光下，电压可以达到3.3 V以上，电流可达毫安级；在室内弱光环境下，电压只有2.2 V，电流只有室内微安级［5］。

带负载能力见表2，负载能力图见图2。分析室内弱光电池的负载能力：在负载在50 kΩ～100 kΩ之间的情况下能够得到的工作电压在2.8 V以上，电流可以达到56 mA，输出功率较好。

表2　带负载能力

图2　负载能力图

2.2能量存储方案设计

采用小电容直接供电、大电容存储电能的方式。由于小电容充电速度快，可以迅速升压至工作电压，让芯片得以迅速启动，多余的电量就存储在大电容中，用来度过没有能源供应的时间段，见图3储能原理图所示［6］。

快充电储能电容：满足快速投入工作，充电时间短，低内阻，低泄漏电流，确保快速充电和放电电流足够大。

使用470 μF钽电容进行充放电测试，充电：光能充电（内阻97 kΩ），从0 V开始充电，充到3.3 V的时间：t=56.6 s；从2.4 V开始充电，充到3.3 V的时间：t=23.4 s。放电：30 mA放电，初始电压3.3 V，放电到2.4 V，估算负载电阻80 Ω，放电时间T=12 ms。计算结论：如果用470μF电容情况下放电时间太短，必须用储能电池。

使用0.22 F超级电容进行充放电测试，充电：光能充电（内阻97 kΩ），从0 V开始充电，充到3.3 V的时间：t=7.36 h；从2.4 V开始充电，充到3.3 V的时间：t=3 h。放电：初始电压3.3 V，放电到2.4 V，估算负载电阻80 Ω，放电时间T=5.6 s。计算结论：每天按充电时间10 h计算，可供放电时间11.2 s，可以满足白天7.82 s放电，即可以满足通讯工作约15次/h。

通过对比470 μF钽电容、0.22 F和0.33 F超级电容，最终选用容量0.33 F的超级电容，电压5.5 V，最大等效内阻1.2 Ω，超低的泄漏电流。

图3　储能原理图

2.3低功耗器件选型

根据产品的应用特点，选取超低功耗的器件。

主芯片：低电压，执行效率高，工作功耗低，有多级休眠，休眠功耗低，能够带有低功耗的液晶驱动模块。

三极管：饱和压降小，确保能够控制场效应管的工作，消耗电流足够小，控制自身功耗。实际选用BC847B。

场效应管：具有极低的启动电压，栅极漏电流和饱和漏极电流小，均低于1 μA。满足低电压条件下的充电控制，内部具有续流二极管。实际选用BSS84。

2.4低功耗电路设计

针对选取的低功耗器件，对电源电路、储能电路、主芯片电路、通讯电路等进行设计［7］。

晶振：26 M高速晶振和32.768 K低速晶振的配合使用降低能耗；

外围电路：采用较高的限流电阻，降低能耗；

功耗较大器件：在器件不使用的时间段里面，直接切断其电源供给，节省能源。

2.5无线网络

采用低频段、短帧的低能耗无线通讯网络设计。

2.6节能控制策略

从使用方式和能源管理的要求出发，建立控制算法，形成节能控制策略。由于在功耗分析中无线通讯的功耗最大，所以针对控制系统需要进行无线通讯的各种状态进行节能优化处理。充分利用现有控制系统中的无线通讯网络的无源节点和有源节点的特点，实现信息的最低功耗交互［8］。

无线通讯网络的节点按能源方式分为两种。

1）无源节点：能源来自微型能源的采集利用，在网络上处于间隔时间周期的主动发送数据，包括温控器、温度采集单元、按键单元，仅在发送数据期间运行，不发送数据期间该单元处于休眠状态降低能耗。

2）有源节点：能源来自常规线性电源，在网络上处于实时接收数据状态，即风机盘管主板控制器。

图4为通讯机制处理示意图。通讯处理方案：由于无线通讯发送和接收消耗电量大（可达毫安级），如果一直连续进行发送，储能和太阳能电池无法满足，所以对通讯处理机制进行了节能控制策略。初次上电工作后温控器与机组控制器之间的网络发送同步确认指令；接收到网络节点发送的确认响应指令后，确认实现同步通信；如果温控器检测到没有任何操作，温控器进入通信休眠状态；如果温控器检测到用户有操作指令，并确认操作指令已结束，启动无线发送指令；如果温控器检测到当前的环境温度超过用户设定的温度范围时，启动无线发送指令；如果机组控制器故障时，温控器进入间隙性睡眠模式，并且通讯交互速率变慢，环境温度检测速率变慢。

图4　通讯机制

软件程序节能运行方案：根据环境温度变化的特性，温控器定时检测温度传感器，并随着环境温度变化的速率调整定时检测的时间；针对程序中多任务的执行需求，任务处理根据需求进行，不使用时进入挂起状态；针对程序中需要检测的参数，根据用户使用的要求分优先级来进行调度计算处理［9-10］。

3　实验验证

首先将温控器放置在室内光照度大约在400 lux左右的环境中进行了2个小时的充电，测得超级电容的电压在5 V左右。如果放置在室内光照度大约在1，000 lux左右的环境中，20 min可以充电完成。环境温度为28 ℃，温控器通过操作按键唤醒后开始工作，液晶显示当前机组状态。通过按键设定温度20 ℃、模式供冷、风速高风速，设定信息确认后，温控器通过无线模块发送设定信息给室内空调末端控制器开启机组，机组进入运转状态。温控器在没有任何操作持续10 s后，进行睡眠状态［9，11］。

温控器运转过程中的工作电流测量见表5。

在有按键、显示、通讯发生的情况下，超级电容可以在大约15 min后充电到5 V；在正常的显示情况下，太阳能电池供电给温控器液晶显示屏，同时给超级电容充电。如果在室内没有光线的情况下，温控器放置24 h后超级电容的电量基本释放完，温控器需要在光线下放置半小时后才能开启。

表5　工作电流

4　结论

从测试的数据和实验情况看，完全满足用户和现有末端机组控制的需要。通过此设计方式，使温控器实现无源无线应用，可以满足室内末端机组在日常使用的所有操作，并解决了常规温控器需要单独提供电源，而且要进行固定位置的安装问题。用户在使用此温控器时，可以放置在任何位置，根据用户需要随时拿在手上设置，并且实时监测到用户周围的环境温度信息，准确的对末端机组进行控制，在减少机组能源消耗的同时也为用户提供了舒适的工作环境。

［1］安大伟.暖通空调系统自动化［M］.北京∶中国建筑工业出版社，2009∶39-92.

［2］高兴，袁杰，高元，张殿光，田兴旺，张琨.建筑环境与能源应用工程实践教学教材建设［J］.制冷，2014，33（1）∶81-86.

［3］夏玲，钱雪峰，岳海兵，等.风机盘管系统测试系统设计及影响因素分析［J］.制冷技术，2013，33（2）∶7-19.

［4］田甲申，张鑫喆，马国远.太阳能驱动超疏水冷表面凝结制水装置的研制［J］.制冷技术，2014，34（5）∶45-48.

［5］刘静，邓月光，贾得巍.超常规能源技术［M］.北京∶科学出版社，2010∶47-84.

［6］BRUNET Y.储能技术［M］.北京∶机械工业出版社，2013∶70-89.

［7］华成英，童诗白.模拟电子技术基础［M］.4版.北京∶高等教育出版社，2006∶13-568.

［8］任哲.嵌入式实时操作系统uc/os-Ⅱ原理及应用［M］.2版.北京∶北京航空航天大学出版社，2009∶93-204.

［9］王如竹，张川，翟晓强.关于住宅用空气源热泵空调、供暖与热水设计要素的思考析［J］.制冷技术，2014，34（1）∶32-41.

［10］纪斯荣.医院病房空调送风口结露的分析与设计对策［J］.制冷，2014，33（4）∶71-76.

［11］朱伟明.电子设备冷却装置软件测试方法的研究［J］.制冷技术，2014，34（2）∶64-67.

Design and Experimental Verification for the Temperature Controller Based on Micro Power Technology

REN Peng*，WEN Wu
（GREE Electric Appliances Inc，Zhuhai，Guangdong 519070，China）

Along with the maturation and application of collection technology of micro power through collection and storage of the energy of the faint light inside the room，a kind of passive and wireless thermostat for controlling the indoor air temperature can be realized by adopting low power consumption parts and design circuit，applying low power consumption control strategy，and analyzing and controlling the power consumption of control devices and then utilizing the storage energy and on-line power reasonably.The experiment proved that the temperature controller can completely satisfy the working demand without connecting any external power supply.

Micro power；Energy of light；Passive；Storage；Thermostat

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.03.205

*任鹏（1978-），男，中级工程师，学士。研究方向：新能源技术。联系地址：广东珠海格力电器股份有限公司，邮编：519070。联系电话：0756-8668764。E-mail：gree_renpeng.com.sina。