车载光伏供电控温系统的设计与实现分析

苏冠领?李玉琴?甘新泉

摘要：随着现代社会中私人轿车的普及度不断提升，对于广大车主来说，夏季户外开车是一种煎熬，车辆在户外停放一会，车内的温度就会快速上升，最高可达70多度，还容易导致车内易燃物爆炸并引发火灾等问题，对此，在汽车设计中需要考虑到这一点，为车辆能量均衡提供技术支持，避免车内温度过快地增长。目前，车辆生产中已经开始应用太阳能，通过太阳能向电能转化，启动风扇让车内空气流通起来，以达到降温效果，但考虑到传统光伏太阳能使用中的相关机构使用存在一定安全问题，所以本文研究一种车载光伏供电控温系统，促进制冷制热效果不断优化，弥补传统装置的不足。

关键词：车载；光伏；供电控温系统；设计

基金项目：2021年广西高校中青年教师科研基础能力提升项目；一种基于太阳能供电的车载自动供氧控温系统的设计（2021KY1867）。

苏冠领（1994.01-），男，汉族，广西合浦，本科，助教，研究方向：职业教育、机械设计制造及其自动化。

全球变暖的趋势愈演愈烈，传统化石能源紧张的趋势日甚，各国政府都在积极探索能源发展战略，提出要进一步开发和加大可再生资源应用比例。光伏能源作为重要的可再生能源，可以实现对太阳能的有效利用，节能能源资源，而在汽车生产供能中，光伏太阳能也是重要组成部分，是汽车供电的重要来源之一。

一、太阳能光伏发电技术

我国自1958年开始探索太阳能电池技术，此后不断研究对于太阳能资源的开发利用，形成了一系列的研究成果，并在相关技术发展和应用上面取得了重大突破。光伏发电产业作为目前增速最快和最稳定的可再生能源，其在汽车领域的应用能有效减少汽车对石油、天然气、电能等消耗。研究指出，未来光伏太阳能将发展成为人类基础能源之一[1]。汽车作为我国重要的工业支柱型产业，正处于高速发展时期，而就汽车光伏系统设计来看，汽车负载为汽车电子打火及内外部照明，照付系统可以通过逆流系统来实现，选择蓄电池气密性和安全性高的产品，能够实现快速充电，并设置对蓄电池多余电能统一回收再利用的端口，确保資源利用率显著提升。研究太阳能光伏发电技术系统的设计和应用，是目前新能源汽车研发的重要方向[2]。

二、系统设计目标

设计基于光伏太阳能发电的车载供电温控系统，需要满足车辆发动机在停止运转的情况下车内的温度舒适性要求，具体的设计要件有太阳能板、光伏控制器、蓄电池、继电器、升温装置、降温装置、ARM控制电路和温度传感器。这一系统通过将太阳能板设置在车辆外，接受太阳能光源，蓄电池通过继电器和太阳能板、光伏控制器连接，通过太阳能采集，为车内温控系统提供供电支持，确保车内相应元件运作有足够电量支持。其中，蓄电池和ARM控制电路、温控装置等连接，在温度传感器检测到车辆内部的区温度低于舒适温度的情况下，通过ARM控制电路确保升温装置运作，适时地降低车内温度[3]；而在检测到车辆内部温度比舒适温度高的情况下，则可以通过ARM控制电路确保降温装置运转，实现车内温度降低，确保车内环境舒适，提升驾驶体验。具体的系统原理图如图1所示。

三、系统主要模块设计

具体的设计系统框架如图2所示。

（一）温度传感器选择

在该温控系统设计中，传感器的主要作用是感测温度，根据温度变化，实现相应测温元件的功能，有效监测温度变化，因此需要选用温度传感器，本设计选用热电阻温度传感器，是考虑到此类传感器的导通电阻会发生变化。制作该类温度传感器的主要电阻元件包括铜、镍、铂等相关材料，具有精度高、测量范围广等优点，可有效应用于远距离测量。与传统的热电阻相比，这些材料具有较大的温度电阻系数、较低的成本系数、更简单的加工和生产方法以及低阻值，可以有效地应用于许多领域的温度测量[4]。该温控系统设计采用Pt100铂热电阻，其电阻值会与温度的变化成正比，工作原理是0℃时电阻值为100欧姆，随着温度升高电阻值不断增大。Pt100铂电阻温度传感器的温度变化与电阻值有关，因此更适合该温控系统设计应用。此研究设计的温度控制系统采用AT89S52单片机作为主控单元，它的主要部件包括CPU芯片、存储芯片、输入/输出接口芯片和简单的输入/输出设备，由于这些部件与印刷电路板的有效连接，相关的应用程序被加载到单片机上，因此是芯片上的小型计算设备。根据温控系统设计的实际需要选择单片机，包括芯片引脚和扩展引脚，此时单片机是系统中最小的系统，对系统的启动和运行有直接地影响和控制，可以有效地控制系统的运行和目标[5]，在初始状态重置循环。

（二）数据采集模块设计

在车载供电温度控制系统的硬件设计中，需要对信号进行放大或转换，以实现温度或模拟信号的采集，并通过FPGA实现处理目的[6]。使用石英线圈加速度计采集加速度信号，虽然可以保证测量精度，但由于输出的是模拟信号，信号需要经过转换处理后才能被FPGA采集。在采集信号的转换中，一般是通过I/F或A/D，将系统采集的模拟信号转换为数字信号。在两个信号转换器的使用中，I/F转换方式是基于负载平衡理论，可以借助标准电流产生一个反积分负载，并连续调节车速表输出的积分负载。

（三）电源模块设计

车载供电温控系统由不同的芯片组成，如DSP芯片、AD芯片等，不同的芯片需要不同的电压，因此需要设计一个电源模块，以提供多个独立的电源和电压供给。另外，系统中还使用了光耦隔离芯片，该芯片可以将整个电路隔离成独立的部分，没有电气连接，不提供不同独立部分的电气连接[7]。而系统电源模块可为系统温度控制提供电源支持，保证各电路系统设备的正常运行。

（四）LED显示模块设计

在温控系统的设计中，LED显示模块也是系统重要的人机交互单元，用于有效控制LED显示屏的电流，保证LED分子的分选是根据一定的规则进行的。合理的模块设计应保证整体效果，避免功耗过大，保证人机交互界面功能可靠且运行流畅。车内温度控制系统设计中使用的LED显示屏型号为FYD12864-0402B，该显示屏的接口更方便编写程序，所需成本也相对较低。本显示模块的设计主要采用串行和并行通信方式，可以让用户自由选择不同的模式来满足不同的需求，而适当地内置文本库和图形符号可以保证整体内容的丰富性，使用户在人机交互中感觉到舒适，增强交互体验[9]。

四、系统软硬件构成

（一）硬件

该温控系统设计中，以光伏太阳能为温控系统的主要动力来源，通过光伏电板、光伏控制器、蓄电池来进行主要能量采集、转化以及存储。光伏电板是整个系统最为关键的一部分，需要结合升温装置以及降温装置的功率电压等参数来选择。在这一系统中，升温装置一般选择低功率加热器，主要降温装置为半导体制冷器。

这里的温度传感器以可编程单线输出的数字温度传感器为主，这类传感器的接口不复杂，且对应的温度测量精度更为可靠，具体显示范围为-50摄氏度—125摄氏度。选择这类传感器作为温度显示模块，主要是由于这类温度传感器和微处理器连接时只需要一条口线就可以实现微处理器和传感器的信息互通，在具体应用中也无需其他外围元器件就能完成测温，且在一些狭小空间设备数字测温以及控制领域都有广泛的应用，使用效果比较好[9]。本次设计的温控系统属于无触点通断功率型电子开关，在继电器发出触发信号后，如果信号输入端有信号，公共端和常开端会产生导通，而主回路如果是导通状态，在没有信号的情况下，则表现为阻断状态。系统选择以ARM9作为控制电路主控芯片，通过ARM9的引脚来对于升温和降温装置开关进行控制，再通过引脚与温度传感器引脚连接，实现对温度数据的接收。在ARM检测到温度数据低于20摄氏度的情况下，相应引脚打开，升温控制开始工作，降温装置被关闭；在温度大于20摄氏度且低于或等于30摄氏度时，两个引脚都处于0状态，则升温和降温装置此时都不工作；在温度超过30摄氏度时，降温装置工作，升温装置关闭[10]。

（二）软件

该温控系统的软件部分包含两个主要模块，即温度测量模块和ARM控制模块。测量温度模块用于对相应控制硬件设备的温度测量，能够及时准确地测量出车内温度情况。而ARM控制模块主要作用是对采集的温度信号实施处理，对输出中断信号灯采集、显示以及控制功能进行把握。相应控制算法也是温度控制系统的重要内容，本次系统设计中以PID算法为主，借助ARM控制软件来运算，结合系统设定的温度值以及采样获得的实际温度值，对于控制量进行计算，实现对继电器导通时间的有效控制，并以此控制外部加热以及制冷装置平均输出功率，确保实现温度控制的目标[11]。

（三）系统调试

为了检验该温控系统精度和可靠性，通过控制变量的方式来开展测试。在温度传感器显示车内温度小于20℃的情况下，将光伏能源转化并存储的电能应用到驱动车内小功率加热器，不断增加车内温度；在检测到车内温度达到23度舒适温度的情況下，停止升温操作，以实现电能节约目；而在温度传感器检测到车内温度超过30摄氏度的情况下，借助光伏能源转化并存储为电能使用，驱动降温装置工作，为车辆内部制冷提供支持，降低车内温度；在检测到车内温度达到26摄氏度的时候，降温装置停止运作，避免造成电力资源的浪费。这一系统主要是在车辆发动机停止运作的情况下工作的，在安装这一系统的同时，也需要在车内安装一只标准温度计，可以检查温度计显示的设计温度数值，作出对比分析，以减少实际的温度误差情况。在系统模块设计和编程的基础上，完成硬软件设计后，需要确保相应设计和模块工作原理正常运行，因此需要针对各个模块进行反复检查，再将PCB文件发送到厂家进行制作生产，随后进行相应元器件的硬件功能电路测试，完成测试后，确认没有异常的情况下，就可以进行软件部分的代码调试，对于系统的运行效果进行观察，看看是否满足设计的要求。对于该温控系统进行调试，发现此次设计的系统的最终温度误差范围为0.5摄氏度，能够实现对于温度的实时控制效果，可以基本达到预期控制效果，且能够让温度保持舒适区间内。就该温控系统设计来看，其优势突出，主要表现在以下几方面：

光伏太阳能电板被安装在车辆的顶部，这个位置相对于车窗位置，所能接收到的光照面积更大，太阳光直射的时间更长，相对于太阳光侧射而言，可以确保系统能够获得更多的太阳能资源，为更多的电能转化打好基础。该温控系统有升温和降温功能，可以将采集的太阳能转化为电能，再将电能转化为冷气或者是热气，这种系统制冷和制热的效果要比风扇降温带来的效果更好，并且相对于传统汽车空调系统来说，此系统不需要消耗汽油，也是对于太阳能的一种回收再利用。系统带来的降温和升温效果比较理想，能够保证车辆舒适度，且这一系统的运作是在汽车发动机停止工作的情况下启动，确保车辆在比较高温或低温的环境中依然能够确保车内温度舒适度，当司机进入车辆后仍能够感觉到舒适。

系统与目前单独的通风降温器相比，有效地发挥了太阳能资源的应用优势，在夏季制冷，在冬季制热。汽车发动机启动的情况下，车辆空调可以不需要使用；在车内温度不需要调节时，还可以将太阳能采集的电能应用到车载冰箱中，以此更好地实现资源的利用价值，实现相关能量之间的有效转换，具有节能减耗的应用优势。

五、结束语

车载光伏供电温控系统设计，旨在为车辆发动机停止工作状态下的车内温度控制提供一种有效的解决方案。这一温控系统能够在发动机不工作的情况下，对车内温度进行检测，当发现车内温度低于或者是高出舒适温度的情况，系统可以自动启动升温装置或是降温装置，对车内温度进行降温或升温进行及时地处理，保证车内温度舒适宜人，提升驾驶体验。这种智能化的设计应用于车辆设计和技术升级中，能够让驾驶员有更好的车辆使用体验，解决部分夏季车辆使用的安全隐患问题，对于提升整体车辆使用性能也有积极作用。相信随着这一系统技术的不断优化和完善，未来相关温控系统的性能还将进一步优化，为车辆智能化、人性化设计提供有效支持，带动汽车工业发展。此外，目前我国的环境污染和能源短缺问题日益严重，研究设计此类温控系统，能够在一定程度上节约能源，有利于减少环境污染问题，是新型绿色汽车设计研究的重要方向。

作者单位：苏冠领 李玉琴 甘新泉 广西城市职业大学

参  考  文  献

[1]许超，张贺明，谷若男.车载光伏供电控温系统的设计[J].电子质量，2015（1）：44-46.

[2]徐志勇.一种基于太阳能半柔性光伏电池供电的车载降温系统：CN201610364385.9[P].2016-10-12.

[3]东南大学.一种基于车载光伏与蓄冷的分时复叠制冷双温冷链物流车：CN202210544007.4[P].2022-09-27.

[4]珠海格力电器股份有限公司.车载空调控制方法、装置及控制器和车载空调系统：CN201911111364.6[P].2020-03-27.

[5]上海豪骋机电科技有限公司.一种基于光伏发电的车载辅助空调系统：CN201610222793.0[P].2017-10-24.

[6]合肥极美电器有限公司.一种使用太阳能供电的直流冷库制冷系统：CN201720753950.0[P].2018-02-23.

[7]黄维康，施凯，徐培凤.太阳能光伏驱动车载散热通风系统[J].信息技术，2016（1）：1-5.

[8]北京交通大学.一种采用车载光伏发电充电的电动车电池舱恒温系统：CN201811339123.2[P].2019-03-19.

[9]南华大学.一种基于光伏发电驱动半导体制冷的辅助车载空调系统：CN202021599298.X[P].2021-04-02.

[10]张海宁，李春来，杨波，等.高海拔并网光伏电站移动检测平台研究及应用技术报告[Z].国网青海省电力公司电力科学研究院.2016.

[11]李绚阳，兰青，季旭，等.AT80C52单片机温差控制系统在太阳能辅助热源密集烤烟房上的应用[J].安徽农业科学，2015（33）：342-343，372.