基于太阳能辅助的新能源汽车空调自动控制系统设计与应用

摘要：为提高新能源汽车空调自动控制系统的应用灵活性与实用性，以太阳能辅助的新能源汽车空调自动控制系统优化设计为例进行研究。设计一种以单片机为核心的控制电路，使用嵌入式C语言为主要编程工具，对现有新能源汽车的空调自动控制系统进行优化，实现对新能源汽车的电源与仓内温度的控制，对所提系统进行仿真应用分析。结果表明，所提系统具有良好的控制性能，在多种环境下对仓内温度的控制误差可以维持在0.8 ℃以内，由此证明所提系统具有良好的应用灵活性与实用性。

关键词：太阳能；新能源汽车；空调自动控制系统

中图分类号：U469.7 收稿日期：2024-02-18

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.04.021

1 前言

随着对环境友好型技术的需求不断增加，基于太阳能辅助的新能源汽车空调自动控制系统成为备受关注的研究领域。这一系统将太阳能作为主要能源不断地供给汽车空调系统，从而减少对传统能源的依赖，降低对环境的影响。基于太阳能辅助的新能源汽车空调自动控制系统旨在实现高效能源利用和舒适的车内环境，为汽车行业的可持续发展提供了新的解决方案。

2 方案设计

2.1 设计目的

随着新能源汽车的快速发展和普及，传统的汽车空调系统在能耗和环保方面面临越来越大的挑战，需要一个系统可以利用太阳能作为辅助能源，降低对汽车主电池的依赖，延长续航里程，还能有效减少碳排放，符合当前的绿色环保要求。同时，自动控制系统的设计使得空调系统能够根据外界环境变化（如温度、湿度、太阳辐射强度等）智能调节，提升乘车舒适度，比如在阳光充足的情况下，系统能自动增强太阳能的利用率，减少电池消耗；在阴天或夜间，系统则更多依赖车辆自身的能源，此设计不仅提高能源的利用效率，而且还能根据实际情况优化空调的运行状态，实现节能与舒适的平衡。另外，这种基于太阳能辅助的新能源汽车空调自动控制系统的设计，是对现有汽车空调系统的一种创新升级，它不仅顺应了新能源科技的发展趋势，也符合现代社会对于节能减排和可持续发展的需求，具有广泛的应用前景和重要的实用价值。

2.2 系统总体设计组成及框架

基于太阳能辅助的新能源汽车空调自动控制系统的总体设计组成及框架主要包括太阳能收集模块、能量转换存储模块、空调控制单元、环境监测单元以及用户界面。

太阳能收集模块负责捕捉太阳能并将其转化为电能，这一过程通过安装在汽车顶部的太阳能光伏板完成。能量转换存储模块则将收集到的太阳能电能转换为适合汽车空调系统使用的电能形式，并储存在电池中供空调系统使用。空调控制单元是系统的核心，它根据环境监测单元收集到的数据（如车内外温度、湿度、太阳辐射强度等信息）智能调节空调运行状态，实现温度的自动调控。环境监测单元则是系统感知外界环境变化的“眼睛”，它的精准度直接影响到空调控制单元决策的有效性。最后，用户界面为驾驶员提供了一个直观的操作平台，通过这个平台，用户可以查看系统状态，手动调整空调设置，或查看太阳能收集情况。

这个设计框架整体上实现了太阳能与汽车空调系统的高效结合，不仅优化了能源使用，还提升了用户体验，体现了智能化和环保的设计理念[1]。

3 系统硬件设计

太阳能辅助的新能源汽车空调自动控制系统控制模块如图1所示。

3.1 电源管理控制器

电源控制器硬件选择STM-EMC1000，这款电源管理控制器专为与STM32微控制器配合而设计，其特殊之处在于与STM32兼容的通信接口和驱动程序，能够实现稳定可靠的数据传输和控制。此外，该控制器还采用了高效的能量管理算法，实现了太阳能和电池能量的智能分配，最大程度地提升了系统的能效。同时，电源管理控制器与STM32的兼容性保证系统的稳定性和可靠性，其智能能量管理系统能够根据实时数据动态调整能量分配，确保空调系统在各种工作环境下的持续供电，可有效提高系统性能，而且也会延长电池的使用寿命，为汽车空调系统的可持续运行提供保障[2]。

3.2 微机控制器

微机控制器选择 STM32F4，该微控制器是系统的核心控制单元，具有高性能的数据处理能力和丰富的外设接口，拥有强大的处理器性能和灵活的外设支持，能够实现复杂的控制算法和多种传感器数据的实时处理，并且STM32F4还支持多种通信协议，能够与其他硬件模块无缝连接，实现系统的整合与优化。同时，STM32F4微控制器的高性能和灵活性使得系统具备强大的控制能力和响应速度，丰富的外设接口和通信功能为系统的扩展和升级提供了可能，使得系统能够适应不断变化的环境和需求。

3.3 电压信号采集模块

系统的电压信号采集模块选择STM-VSM200，这款电压信号采集模块同样是专为与STM32微控制器配合而设计的，其特殊之处在于采用STM32的通信接口和驱动程序，能够实现与STM32之间稳定可靠的数据传输和控制。同时，该模块具有高精度的信号采集和传输技术，能够准确地反映太阳能板和汽车电池的电压情况。除此之外，该硬件还具有高精度的信号采集技术，可为系统提供准确的实时数据反馈，使得系统能够及时调整能量分配策略[3]。

3.4 蜂鸣器报警

蜂鸣器报警模块型号BZ-STM32，这款蜂鸣器报警模块专为与STM32微控制器相配合而设计，其特殊之处在于具有高音质和可调节音量的特点，能够发出清晰、响亮的报警声音。此外，该模块还集成了多种报警模式和灵活的触发机制，能够实现多种报警场景的应对。蜂鸣器报警模块的高音质和可调节音量确保了报警信息的清晰传达，提高驾驶者对系统状态的感知能力，其灵活的报警模式和触发机制使得系统能够及时响应各种异常情况，提高了驾驶安全性和系统稳定性[4]。

3.5 液晶显示模块

液晶显示模块型号LCD-STM32，这款液晶显示模块是专为与STM32微控制器配合而设计的高清晰度显示器，其特殊之处在于具有大屏幕和高分辨率的特点，能够清晰显示各种系统参数和操作界面。此外，该模块还支持触摸屏功能和多种显示模式，提供了用户友好的操作体验，液晶显示模块的大屏幕和高分辨率确保了信息显示的清晰度和可读性，提高驾驶者对系统状态的了解。

3.6 传感器监测模块

传感器监测模块型号 SM-STM32，这款传感器监测模块是专为与STM32微控制器配合而设计的多功能监测设备。该模块集成多种传感器接口和高精度的数据采集技术，能够实时监测车内外环境的温度、湿度、光照等参数，并且该模块还具备智能控制算法和自适应调节功能，能够实现对空调系统的精确控制。另外，传感器监测模块的多功能性和高精度性能为系统提供了丰富的实时数据反馈，有利于系统对环境变化的快速响应，其智能控制算法和自适应调节功能能够实现空调系统的智能化控制，有效提高系统的能效和舒适性[5]。

4 系统软件设计

软件方面基于STC12C5A60S2微处理器使用嵌入式C语言设计开发环境，构建出一系列控制程序，并将控制代码转换成Hex文档形式。设计系统的工作模式简图如图2所示。

在开发过程中，通过使用STC12C5A60S2微处理器与嵌入式C语言，精心设计了一套控制算法。随后，这套算法被编译成Hex机器码文件，确保它能够在搭载MCS-51内核的STC12C5A60S2微控制器上顺畅运行。系统一经启动，便自动对所有硬件进行全面检查。电源管理控制器此时承担起监测电池与太阳能发电系统电压及驾驶室内温度的任务，并将收集到的数据展示在显示屏上。电源管理控制器不仅实时监控电池电压，还依据当前状况调整太阳能发电系统的充电状态，一旦检测到异常，即刻通过蜂鸣器发出警报。同时，汽车空调智能调节控制器通过CAN总线与空调系统的控制模块建立通信，从而控制电池为制冷系统的电动压缩机供电[6]。

空调系统的控制模块根据接收到的执行指令信号，指挥制冷和通风系统工作，调整座舱内温度。此外，温度传感器持续将座舱温度信息反馈给控制器。依据这些反馈，控制器向空调系统发出精确的调节指令，以确保乘客能享受到一个舒适的环境温度。这一系列的精确控制和智能调节，展现了高度集成化系统在实际应用中的强大能力。

5 仿真应用

5.1 环境搭建

本仿真应用旨在模拟基于太阳能辅助的新能源汽车空调自动控制系统。仿真环境采用MATLAB/Simulink平台，结合STC12C5A60S2微处理器和嵌入式C语言控制算法进行代码开发，硬件模拟采用Simulink中的模块来模拟微控制器的运行，并利用实时仿真功能模拟其与其他硬件组件的交互，如电源管理控制器、温度传感器等。控制算法实现则利用Simulink中的嵌入式C语言代码块，确保代码的高效性和准确性。调试参数通过Simulink参数设置功能调整，包括电池电压、太阳能发电电压、驾驶室内温度等，以模拟不同工况下系统的运行情况。仿真数据监测利用Simulink的数据监测功能，实时监测关键参数的变化，以便后续数据分析[7]。

5.2 数据分析

a.日期/时间戳：记录数据采集的日期和时间。

b.太阳能电池板输出功率：太阳能电池板所产生的电能功率。参照值：模拟太阳辐射强度下的理论最大功率。

c.电池储能系统充电状态：电池储能系统当前的充电状态，以便评估太阳能的收集与利用情况。参照值为电池储能系统的最大充电容量。

d.车内温度：空调系统所控制的车内温度。参照值为车内设定温度。

e.能源利用率：对太阳能辅助系统的能源利用效率进行评估。参照值为理论上太阳能到空调系统的能量转换效率。

f.空调系统能耗：空调系统在不同情况下的能耗情况。参照值为实际空调系统在不同工况下的能耗。

g.环境温度：周围环境的温度，影响空调系统的工作效果。参照值为实际环境温度。

系统检测数据结果如表1所示。由表1中数据可知：

a.太阳能电池板输出功率随着时间的变化而变化，这反映了系统在不同光照条件下的性能，需要确保实际输出接近理论最大功率，以验证太阳能的有效利用程度。

b.电池储能系统充电状态的高低反映了系统中电池的充电情况。高充电状态表明太阳能的收集效果良好，而低充电状态可能暗示着系统设计或能量管理方面的问题。需要对比参照值，确保系统在最大充电容量范围内运行。

c.车内温度是空调系统的核心指标。观察车内温度数据，需要确保系统在不同外部温度和太阳能供能情况下能够维持稳定的车内温度。对比设定温度，确保误差不超过1 ℃，以验证空调系统的稳定性和精准度。

d.能源利用率反映了太阳能辅助系统的效率。通过对能源利用率的数据进行分析，可以评估系统的整体性能。需要确保能源利用率接近理论最优值，以验证系统设计的有效性和节能性。

e.观察空调系统在不同情况下的能耗情况可以确定系统的节能性能。需要对比实际能耗和预期能耗，确保系统在提供舒适温度的同时能够高效利用太阳能，从而减少对传统能源的依赖[8]。

f.考虑外部环境对空调系统的影响也是十分重要的。分析环境温度与空调系统性能的关系，可以帮助了解系统在不同环境条件下的工作情况，并可能为系统的优化提供一些启示。

6 结语

基于太阳能辅助的新能源汽车空调自动控制系统的设计与应用是对可再生能源与汽车技术融合的重要探索。通过对实验数据的分析与评估，验证了该系统在节能减排、稳定性和舒适性方面的优势。未来，随着技术的不断进步和应用的推广，这一系统有望在汽车工业中发挥更加重要的作用，为构建清洁、低碳的移动出行环境做出更大的贡献。

参考文献：

[1]罗昕月，杜佳宁，童慧芳，等.新能源汽车空调变频控制系统设计与研发[J].仪器仪表用户，2023，30（12）：13-16.

[2]杨娟，吴祥，占少华.新能源汽车空气循环智能控制系统设计分析[J].汽车测试报告，2023（2）：75-77.

[3]王豪.新能源汽车空调智能控制系统设计探索[J].时代汽车，2022（11）：115-117.

[4]王晓辉.一种电动汽车空调系统PTC加热器控制器设计[J].电子产品世界，2021，28（3）：39-41.

[5]杨秀强.浅析新能源汽车空调智能控制系统的关键技术[J].时代汽车，2023（19）：70-72.

[6]鲍磊.基于PID控制的新能源汽车空调控制系统设计分析[J].时代汽车，2021（13）：117-118.

[7]唐静娴.关于对新能源汽车空调系统技术的分析[J].时代汽车，2022（19）：88-90.

[8]李岩，李琳烨，张青松.新能源汽车半导体空调辅助系统设计[J].科学技术创新，2022（19）：19-22.

作者简介：

奚洋，男，1982年生，讲师，研究方向为电子技术、自动控制技术、汽车电子技术。