基于太阳能技术的汽车空调辅助系统研究

王登杰

（武威职业学院，甘肃 武威 733000）

汽车内部的驾驶环境在高温季节或低温季节会加剧恶化，更易发生交通事故，而汽车空调能够有效改善汽车内部环境的舒适程度。但目前传统燃油汽车的空调系统会增加大量额外的汽车油耗，且在汽车制动的过程中会自动停止工作，因此无法满足驾驶员对车内舒适度的要求[1]。而近几年出现的电动汽车空调系统采用的是蓄电池驱动直流压缩机实现对车内环境的制冷，这种空调系统的能耗会在一定程度上影响电动汽车在最大的燃料储备下可连续行驶的总里程。因此，目前该领域的研究学者正针对新型的汽车空调系统及相关的空调辅助系统进行研究。随着科技的发展，光伏发电系统已经得到了广泛的应用，且系统的稳定性十分良好，同时太阳能吸收式的制冷空调系统也已经取得了一定进展。因此，本文提出一种基于太阳能技术的汽车空调辅助系统，将太阳辐射热充分的利用，节约汽车的能源消耗。

1 基于太阳能技术的汽车空调辅助系统硬件设计

本文提出的基于太阳能技术的汽车空调辅助系统硬件部分主要分为两个部分，分别为基于太阳能技术的电池阵列充电控制电路、半导体制冷控制电路，图1为硬件设计整体框架图。

选用DAS781V336型号的控制芯片作为汽车空调辅助系统的核心控制芯片，下述将针对DAS781V336控制芯片、电路设计等进行详细的说明。

1.1 控制芯片

图1 硬件设计整体框架图

DAS781V336型号控制芯片是一种具有8位总线的带FLASH存储芯片的单片机。采用8位总线，可将外部设备与内存进行统一的编址，寻址范围最高可达55k，同时还可外扩存储器[2]。输入电压范围为2.0～5.5V，极低工作电流为3μA，灵敏度可通过外部电容值自由调节，可实现ON/OFF控制输出自己LEVEL HOLD方式输出，总体体积较小，可节约更多的板材空间。具备统一的终端管理，控制芯片上的外围模块十分丰富，控制芯片内部装有精密硬件乘法器、多个32位定时控制器，以及多个8位的模拟数字信号转换器、12路计算机接口、支持16M时钟。由于DAS781V336型号控制芯片自带FLASH存储芯片，因此可以在线对单片机进行控制和调节，并且集成电路直接与场效应晶体管相连，不需要增设外加的仿真工具，方便使用。由于其3μA的极低工作电流，因此可以在超低功率模式下完成相应的工作，对环境以及人体的辐射较小，可靠性更强，在加强电干扰的条件下不会受到影响，适用于工业级的运行环境当中，适合将其应用在低功耗、小型化的自动控制设备中。

1.2 基于太阳能技术的充电电路设计

系统电路是本文系统的核心部分，由于本文基于太阳能技术对汽车空调辅助系统的加热控制，而太阳能电池的输出功率会受到周围环境的影响而不断发生改变，为了实现对最大输出功率的设计，要求本文系统具备强大的实时性及响应速度，为此采用了DAS781V336型号的单片机作为系统的控制芯片，图2为系统基于太阳能技术的充电电路的设计原理图。

图2 基于太阳能技术的充电电路设计原理图

在模拟数字转换器采样中包含四路采样信号，分别为太阳能电池输出电压、太阳能电池输出电流、蓄电池电压以及蓄电池电流[3]。四种信号均属于变化的直流信号。针对汽车空调辅助系统的设计需要，本文选用SIC586电压传感器及电流传感器分别对四路电压和电流信号进行采样。采样信号通过SIC586电压传感器及电流传感器转化为电压信号，再经过滤波电路最终送到单片机模拟数字转换器的接口处。

SIC586电压传感器的测量范围在20V～550V之间，额定输出为30mA，频率范围在0～90KHz，电源电压为±11V～±21V，响应时间为 8μs，线性度为0.2%。该型号电压传感器中共有五个连线端子，分别用作被测电压输出和输出端、电源正极、电源负极以及信号输出端。电流传感器中包含三个连线端子，分别用作电源正极、电源负极以及信号输出端[4]。电流传感器的测量范围在0A～220A之间，输出电流为80mA对应原边额定电流为80A，频率范围为 DC～8KHz，电源为±11V～±21V，线性度为0.1%。

2 基于太阳能技术的汽车空调辅助系统软件设计

2.1 汽车空调辅助制热设计

本文系统根据电压传感器测得的蓄电池两端的电压信号及电流信号决定采用对汽车制冷或制热的方式，系统的总体软件流程如图3所示。

图3 系统总体软件流程

光伏电池的输电电压与电流之间非线性关系，因此，存在一个最大的功率电压，而光伏电池电压与电流的特性会随着日照强度以及运行温度的变化而改变[5]。为了进一步保证太阳能电池能够获取到的最大的能量利用效率，本文采用最大功率点追踪的方法是太阳能电池阵列随时处于最大功率输出点上。

基于太阳能技术的太阳能电池阵列在工作过程中，当到达最大功率点时，其工作电压与开路电压之间呈线性关系，而此时的光伏阵列为最大功率点。

2.2 汽车空调辅助制冷设计

系统中采用脉冲宽度调度的方式调节半导体制冷器两端的平均电压，进而调节其输出功率。脉冲宽度调制由相应的引脚控制。脉冲宽度调制的控制偏差计算公式为：

公式（1）中，m（s）表示为控制器实际输出值；n（s）表示为给定的定值；p（s）表示为二者之间的控制偏差。将偏差的比例、积分以及微分通过线性组合构成控制量，并对被控制的对象进行调节，其调控规律为：

公式（2）中，H（x）表示为控制传递函数；KP表示为比例系数；T1表示为积分时间常数；T2表示为微分时间常数。其中，比例环节利用成比例的反应对系统的偏差信号进行控制，当偏差产生时，控制器立即动作从而降低误差[6]。积分环节主要用于消除系统内部的静态误差，提高系统整体的制冷控制精度，积分作用的强弱取决于公式（2）中的积分时间常数T1，当T1越大，则表示积分的作用越弱，当T1越小，则表示积分的作用越强。微分环节用于反映系统偏差信号的变化趋势，当系统偏差信号值过大时系统自动引入一个修正信号，从而降低系统的超调，加快制冷过渡，减少制冷时间。

3 实验论证

3.1 实验准备

实验选用两台型号相同的汽车作为实验对象，其中一台汽车内安装本文提出的基于太阳能技术的汽车空调辅系统，另一台安装传统汽车空调辅助系统，分别将其设置为实验组和对照组。为了在实验过程中时刻了解汽车内部的温度变化情况，在车内的驾驶位、副驾驶位布置两个测量温度的PL1000铂电阻测温设备，并利用多路数据采集设备将采集到的温度信息传输到计算机上。实验开始前将两辆汽车内部温度控制在25°C，分别利用本文系统和传统系统将两辆汽车的内部温度调节到10°C、15°C、20°C、25°C、30°C、35°C，同时在调节过程中保证两组调节时间统一，比较实验组与对照组的耗电功率情况。

3.2 实验论证分析

根据上述实验准备，完成对比实验，在实验过程中将实验组与对照组汽车高电功率情况进行记录，并绘制成如图4所示的实验结果对比图。

图4 实验组与对照组实验结果对比图

由图4中的两条实验曲线可以看出，对照组汽车的耗电功率明显高于实验组，其主要原因是由于在调节汽车内部环境温度时，实验组大部分的温度调节是依靠太阳能技术，因此节约了大量汽车的耗电功率，而对照组中汽车空调辅助系统并未添加太阳能技术，单纯依靠汽车自身的能源消耗。因此，通过对比实验证明，本文提出的基于太阳能技术的汽车空调辅助系统可以有效降低汽车的耗电功率，节约更多的能源，既可以满足汽车的制热、制冷需要，同时又达到了节能环保的目的。

4 结束语

文章对汽车空调辅助系统的软硬件分别进行了设计和研究，基于太阳能技术对汽车内部环境的温度进行调节。目前基于太阳能技术的汽车空调辅助系统仍处于研究的状态，实用化程度较低，但随着日后相关研究工作的不断深入，制造该系统的成本也会不断降低、效率也会得到提高，因此具有十分广阔的前景。