基于太阳能供电的车辆智能降温控制系统

韩文颖 赵明君 春兰

摘要：汽车在驻车后，特别是在炎热的夏天，经过太阳光照射后，车内的高温使乘坐人员非常难受。基于此，本文利用半导体制冷装置和太阳能供电装置，设计一套系统。该系统以单片机控制为核心，实现在不启动汽车发动机的前提下，完成车体的整个内外循环降温，从而实现了智能化降温，提高了乘车人员的舒适度。

关键词：半导体制冷装置;太阳能供电装置;智能降温

中图分类号：TB文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2022.13.073

0引言

现在汽车已经非常普遍了，汽车的安全隐患是人们关注的重点，但是，经过暴晒后车体的安全隐患却不易引起人们的注意。其实在高温曝晒下，车内温度会快速上升，这种高温对人体健康损害非常大。为了降温，现在主要采取空调系统、智能换气系统、化学降温剂等措施，而这些措施消耗的能源是石油和煤炭，这些能源在燃烧的过程中产生的有害物质必将危害到人们的生活。

本文设计的基于太阳能的车辆智能降温系统，是将太阳能供电系统直接应用于汽车上，是汽车空调的发展趋势。本系统将半导体制冷装置、水循环装置、内外循环装置、太阳能供电装置连接起来，以单片机控制为核心，将太阳能作为能量来源，利用半导体制冷装置实现车内智能降温，能够实现自动控制和远程手动控制两个部分，能在短时间内使车内的温度达到系统所设定的合适温度，解决了空调能耗大、车内温度过高引起的安全隐患等弊端，实现了智能化降温。

1系统的工作原理

1.1总体设计

本智能降温系统由太阳能供电装置、降温控制系统组成，其中太阳能供电装置由太阳能电池、防反充二极管、控制器、储能系统组成，其结构如图1所示。

本智能降温系统利用太阳能电池的工作原理，当能量充足时，将能量经过控制器送到了降温控制系统和储能系统，同时，当能量不足时，储能系统也可以为降温控制系统提供能量。

1.2降温控制系统

降温控制体统主要包含半导体制冷装置、内外循环装置、自动/远程手动控制装置、水循环装置，其结构如图2所示。

1.2.1半导体制冷装置

半导体制冷装置能够将汽车车体内的高温气体进行冷却降温处理，并将冷却后的气体送至车内，从而实现降温效果。本制冷装置以半导体制冷器为核心，半导体制冷器是一种基于珀尔帖效应的新型制冷器件，即利用半导体材料组成P-N结，通过两端加的直流电源进行制冷，实现电热转换。其结构如图3所示，将一只P型半导体元件与一只N型半导体元件连接成热电偶，然后在两端接直流电源，在接头处就会产生热量和温差转移。在下端处，电流方向是P流向N，温度上升并释放热量，这便是热端;而在上端处，电流方向是N流向P，温度下降并吸收热量，则成为冷端。如果改变电流的方向，那么下端温度就会下降并吸收热量，成为冷端，上端温度上升并释放热量，成为热端。

不同于一般的压缩式制冷方式，半导体制冷技术有体积小、没有噪音、没有运动部件、质量不大、污染极小、可靠性不低等特点，在电子设备散热系统中得到了广泛的应用 。

1.2.2内外循环装置

本智能降温控制系统是依靠太阳能供电装置，在不启动车的情况下，利用汽车空调的循环管道、温度传感器、抽气泵和车内循环风机等自动启动相应温度下的内外循环系统。当接于外循环系统的温度传感器检测到车内温度与设置的高温一致时如60℃-70℃，自动启动外循环系统，抽气泵运行，进风口打开，将车内的高温空气不断与外界空气进行交换，实现降温。当车内温度降至与外界空气温度相同时如40℃后，外循环系统关闭，此时自动启动内循环系统，进风口关闭，运行半导体制冷装置工作，将冷却后的气体通过汽车的空调管道送入车内，将车内温度降至设定的低温如26℃。在驻车时，驾车员可启动远程手动装置，设置在多长时间后到达车内，手动启动降温控制系统，实现远程控制。

1.3太阳能供电装置

太阳能供电装置安装于汽车顶部，此供电装置由太阳能电池、控制器、储能系统组成，这里储能系统选择的是铅酸蓄电池组。

本装置控制器的单片机选择有脉冲宽度调制（这里简称PWM）功能，真正10位200 ksps的17通道单端/差分ADC，带模拟路器的C8150F320。以此单片机为核心的控制器能够实现MPPT（最大功率跟踪）功能，太阳能得到了充分的应用，并将太阳能转变成电能，为各个系统提供稳定的工作电压，能够在符合马斯曲线条件下为蓄电池充电，当蓄电池容量C小于额定容量的30%，就要切断负载向上位机报送警告信息，以免造成蓄电池过度放电。本控制器的温度传感器采样电路能实时采集车内温度，进而实现自动降温控制。本供电装置中的蓄电池在太阳能充足的情况下将多余的太阳能储存起來，而在太阳能不足的时候将储存能量释放出来。

2智能降温控制系统设计

本智能降温控制系统的控制器以单片机控制为核心，通过温度传感器实时采集车内温度，自动控制内外循环系统从而实现智能降温。当监测到车内温度I高于设定的高温Ih如40℃时，自动启动外循环系统，当监测到车内温度I降至Ih，外循环系统关闭，开启内循环系统，当监测到车内温度I 高于设定的低温Il如26℃时，通过单片机来控制24V半导体制冷装置工作，当监测到车内温度I在设定的低温Il附近时，单片机输出PWM信号控制量，经过驱动电路，驱动场效应管导通与关闭，实现对电流变化的控制，从而改变制冷片的工作形态，使车内温度一直在设定的低温附近，完成制冷恒温控制的目的，图4是智能降温控制系统流程图。

3系统降温计算

3.1风扇换气时间计算

夏季，汽车在高温暴晒后车内温度可达70℃，假设外界空气的温度 40℃，那么在工作过程中，首先启动外循环，将车内的高温空气70℃与外界空气40℃进行交换，实现第一步降温。以汽车车内空间为4m3为例，某汽车选用电子风扇KF249S，其排风量为4000m3/h，当4m3的高温空气排出时，需要时间为 t1=3.06min。

3.2制冷片制冷时间计算

阳光对车加热功率为透过车窗玻璃加热功率Φ1和透过车顶加热功率Φ2之和。

假设光照强度为1000W/m2，车窗玻璃的面积大约为1.07m2，车玻璃光的透射率为80%，透射光的热载体约为40%。车顶的材质为碳素钢，反射率为91.03%，导热系数为58.033/W（m·K），车顶面积大约为2.15m2，那么太阳光对车的加热功率为：

Φ=Φ1+Φ2

=1000×1.07×0.08×0.04+1000×2.015×0.0087

=731.05W（1）

进而得出太阳光对车的加热功率Φ为731.05W。

高温曝晒下智能降温系统将40℃的车内温度降至26℃时，车内气体散热量：

Q=CpmΔt=CpρVΔt（2）

式中，Cp=1.005kJ/（kg·K），ρ=1.060kg/m3，V=4m3，Δt=14℃，将数据代入（2）中，从而得出车内气体散热量Q为59656.8J。

本系统采用的半导体制冷片型号为TEC1-19912，最大电压24V，最大制冷功率为288W，最大温差电流为12A，这里选取5片，则制冷量Q总就是太阳能对车加热量和车内气体散热量之和，即

Q总=npt2=Φt2+Q=731.05t+59656.8（3）

式中，n=5，p=288W，t2为制冷片制冷时间，经过计算，制冷片制冷时间为85s。

故将车内70℃高温降至26℃时，所需要的总时间5.5分钟左右，在车辆不启动的情况下，驾驶员可通过远程手动装置，设置在6分钟后到达车内，手动启动降温控制系统。

3.3水箱温度变化

水箱是发动机的重要组成部分，发动机利用水箱回路散发热量，来确保它合适的工作温度。为确保汽车发动机正常运转，正常范围一般都在80℃到95℃内。汽车发动机在工作的时候，气缸内气体的温度是1700℃～2500℃，如果不迅速冷却，则发动机零部件一直在高温的环境下工作，势必会影响它的寿命。因此，需要计算水箱内水温变化，以6L水箱体积为体积为例，水吸收的热量Q吸：

Q吸=cmΔt=cρvΔt（4）

式中：c=4.2×103J/（kg·℃），ρ=1.g/m3，V=6m3，Δt=水箱内水的升温。

水箱所吸收的热量Q吸就是流经过半导体制冷器时水释放的热量Q放，而半导体制冷器制冷时，其所释放的热量Q总是水释放的热量Q放，当制冷时间为92s时，代入（3）式得出Q总为123280J，则Q放为123280J，从而：

Q吸=Q放=123280J（5）

将（4）式代入（5）式中，进而得出水箱内水的升温Δt为4.9℃，即因半导体制冷器热端散发的热量使水箱升温远小于其可正常工作温度，对发动机几乎没什么影响。

4实验验证

在不同时间段，利用温度探测仪记录车内温度并填于表1。

通过数据分析，将高温暴晒后的汽车内气体温度降至26℃左右时，用时是6分钟，与理论值相差不大。

5结论

本智能降温系统利用车内原有的器件，再外加一些零件，不需要对汽车进行大规模的改造，在不增加任何油耗情况下，通过太阳能供电装置和自动/远程手动装置开启车内外循环系统，让车辆迅速降温。

（1）本系统中的太阳能供电装置，即能对太阳能进行最大功率跟踪，使得能源得到合理应用，又能保障蓄电池不会被过度充电、过度放电，从而延伸了蓄电池的使用寿命。

（2）本系统能够将暴晒后车内温度迅速降至人体舒适温度，而降温时对水箱温度变化非常小。

（3）驾驶员可以通过远程手动装置操控智能降温系统，设置几分钟后到达车内，这种方式便捷而又舒适。

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基金项目：内蒙古工业大学校基金项目（2017030035）;内蒙古工业大学校基金项目（2020364）;内蒙古自治区自然科学基金项目（2018LH05031）。

作者简介：韩文颖（1983-），女，汉族，硕士，内蒙古工业大学工程训练教学部，高级实验师，研究方向：控制工程;春兰（1980-），女，蒙古族，博士，内蒙古工业大学工程训练教学部，高级实验师，研究方向：控制工程（通讯作者）。