基于太阳能的汽车驻车空调系统设计

基于太阳能的汽车驻车空调系统设计
韩英斌;宋其江;叶欣磊;于文瀚;张泽冰;郁博尧
【摘要】在夏季阳光直射下露天停放汽车内,由于\"孤岛效应\",车内气温持续升高,高温易导致车辆自然,也使进入车内驾驶者感到非常酷热.针对上面的问题设计了一款基于太阳能电池供电的驻车空调系统,该系统智能控制蓄电池的充放电;根据车内温度控制风机的功率,通过实现车内外空气交换循环使车内温度始终保持适宜状态,而且可以通过手机GSM远程操控.经过不断地测试,该系统实现了预设功能,安装简单方便,解决了夏季开车的烦恼,也实现了节能减排的社会效益.
【期刊名称】《黑龙江科技信息》
【年(卷),期】2019(000)020
【总页数】4页(P135-138)
【关键词】孤岛效应;太阳能供电;智能控制;GMS远程操控;节能减排
【作者】韩英斌;宋其江;叶欣磊;于文瀚;张泽冰;郁博尧
【作者单位】东北林业大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨 150040;东北林业大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨 150040;东北林业大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨150040;东北林业大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨 150040;东北林业大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨 150040;东北林业大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨 150040【正文语种】中文
【中图分类】TP27
1 概述
太阳能利用技术是汽车空调的发展趋势，国内的各大汽车制造商应该抓住机遇，在太阳能汽车空调上进行创新研究，目前汽车上的太阳能空调主要是将太阳能所转换的电能用于空调。

香港理工大学科研人员和工业界合作开发成功一种太阳能驱动汽车空调系统并完成了一系列道路试验[1]。

奇瑞汽车股份有限公司研发一项专利，
主要关于太阳能天窗对车厢内温度调节装置，太阳能天窗上安装太阳能电池板，给半导体空调供电实现车厢内的温度调节。

日本的本田与日产公司都研制了应用太阳能的电动汽车，太阳能用于为车载空调及其他车载设备提供辅助电源。

相比其他领域，太阳能汽车空调领域是新兴行业，处于起步阶段，截根据电能的利用方式不同，其制冷方式主要有两种：一种是利用电能带动压缩机工作制冷，另一种是将产生的电能应用到半导体制冷，主要涉及以下四个技术内容：汽车空调用太阳能电池；太阳能半导体空调；太阳能天窗空调及利用太阳能热能结合余热驱动的汽车空调系统[2-4]。

汽车的空调系统早已经成为汽车中举足轻重的功能部件，但是大多数汽车
的空调系统只有在汽车启动后，通过发动机带动空调压缩机和风机实现空气调节，在炎热的夏季，阳光直射下露天停放汽车内，发动机停止工作无法为空调系统提供电能，伴随着太阳光的强烈照晒，密闭车内空气温度会急剧升高，由此产生“孤岛”效应。

高温易导致车辆自然，也使进入车内驾驶者感到非常酷热。

意外被锁在汽车内的孩童导致高温死亡事件的常见报到发生，可见在车辆熄火情况下保持车内温度适宜尤为重要。

基于上面的问题，本文设计了一款基于太阳能电池供电的驻车空调系统，智能控制太阳能电池对蓄电池的充放电；根据车内温度控制风机的功率，通过实现车内外空气交换循环使车内温度始终保持适宜状态，而且可以通过手机GSM远程操控。

该系统减少依靠燃油发电的汽车自身空调系统的使用，减少汽车尾气的排放，最终达到保护环境的目的[5]。

2 驻车空调系统框图及介绍
该系统框图如图1所示，处于中间位置的是STM32主控芯片，OLED显示模块与主控芯片连接提供各种状态信息的显示；GSM通讯模块用于手机端的控制、信息的交互和系统状态的传输；测温模块与主控芯片的ADC模块相连，用于温度的监测；太阳能电池板、充放电控制电路、蓄电池以及蓄电池容量检测电路组成了电能提供系统；继电器在系统中充当开关作用；调速控制电路与主芯片的PWM相连，同时与排风扇和鼓风机组成了风冷和空气交换系统。

图1 系统框图
3 系统硬件设计
3.1 单片机系统电路设计
空调控制系统的处理器芯片采用意法半导体的STM32F103C8T6，它是是一款基
于ARM Cortex-M 内核STM32系列的32位的微控制器，程序存储器容量是
64KB，需要电压2V～3.6V，具有优点：一流的外设1μs的12位ADC，4兆位 /秒的UART，18兆位/秒的SPI，18MHz的I/O翻转速度；低功耗在72MHz时
消耗36mA(所有外设处于工作状态)，待机时下降到2μA。

设计的主控芯片核心电路如图2所示。

由于采用蓄电池供电，其电压为12V，因此需要设计一个降压稳
压电路为主控芯片提供3.3V电压，其供电电路如图3所示。

图2 主控芯片的核心电路
图3 主控芯片的供电电路
3.2 温度监测模块电路设计
温度传感器实质上是一个热敏电阻，它的特性为随着外界温度变化其本身阻值发生相应改变[6]。

本设计采用pt100铂电阻作为温度传感器，温度传感器输出采样电路如图4所示，其中端子P17用于连接温度传感器，当车内温度发生变化时，热
敏电阻的电阻值将发生改变，导致其两端电压发生改变，经过RC滤波电路和分压
电路后，得到了比较稳定的电压信号，再将此信号输入到主芯片STM32的ADC
模块。

主芯片STM32根据采样得到的ADC值与以及通过实验得到的温度传感的
V-T的近似函数关系如公式所示，可以根据采集得到电压值推导出当前传感器测定的温度值。

3.3 调速模块电路设计
图4 温度传感器输出采样电路
驻车空调系统是利用空气交换和风冷的原理，使车内温度与外界环境温度近似相等，进而使人刚进入车内时，不至于因太阳光长期照射密闭空间而导致温度过高使人产生不适感。

由于空调箱体的鼓风机为有刷直流电机，因此可以应用PWM输出控
制驱动调速模块，所以当单片器STM32系统输出不同占空比、不同频率的PWM 信号就可以实现对鼓风机风量和转速的控制[7]。

PWM调速控制模块电路如图5
所示。

图5 PWM调速控制模块电路
3.4 太阳能电池板与蓄电池容量的选型
太阳能电池板是一种能将光能转换为电能的光电半导体薄片。

电池板太阳能电池板有多种，通常是单晶和多晶电池板[7]。

因为车顶有弧形，刚性的太阳能板不好安装，因此选择半柔性太阳能板，半柔性使得很薄而且纵向有柔性可以弯曲，正好符合贴在车顶上的需求。

本设计选用了两片半柔性单晶太阳能电池板，每片功率为
80W，尺寸（1250*400mm），峰值电压18V，开路电压22V，峰值电流4.44A，考虑到风机输出峰值功率接近240瓦，直接由太阳能电池板直接供电无法满足功
率要求，因此先要通过太阳能电池向铅酸蓄电池充电，实现电能的储存，铅酸蓄电池再为空调系统提供电能，考虑输出功率选择铅酸蓄电池选用12V/100AH。

使用中要了解其SOC(State of charge)，即荷电状态，也叫剩余电量，用百分数表示，
根据常见12V电池充放电特性曲线[8]，给出SOC-V关系如表1所示。

3.5 电池电量检测电路设计
考虑到蓄电池过放会导致蓄电池的寿命降低，系统会不断的对蓄电池内电能容量进行采集，通过分压电路和RC滤波电路后得到稳定的电压值，将稳定的电压值输入到STM32内部的ADC模块内进行分析，当电压值低于预设值(10.7V)[9]时，切
断供电装置，以保护蓄电池过放电。

蓄电池容量检测电路如图6所示。

表1 SOC-V关系表S O C ? 电压V
图6 蓄电池容量检测电路
3.6 继电器模块电路设计
继电器电路如图7所示，继电器在系统中相当于一个受控的开关，当输入端
Relay1输入的是高电平，三极管U2导通，线圈中有电流流过，使铁芯产生磁力，吸引开关K1由2端转向3端；当输入端Relay1输入的是低电平，三极管U2截止，线圈中没有电流流过，没有磁力产生，故开关K2由3转向2，特别注意在开关关断时会出现过电压，要安装设计线圈的续流二极管。

图7 继电器模块电路
4 系统软件设计
4.1 软件总体设计
主程序流程图如图8所示，当系统进入工作状态时，系统初始化后，会判断手机
端是否传送有效字符串对空调系统进行有效操控，然后会对检测蓄电池容量，以确保蓄电池没有过放，如果蓄电池容量低于预设值，继电器和风机系统会关闭，电池充电；如果蓄电池容量充足，会进行对车内温度进行采集，判断车内温度是否高于预设值，如果高于预设值，会控制继电器开启，风机开始工作；如果低于预设值，会控制继电器关闭，风机停止工作。

图8 主程序流程图
4.2 GMS通信模软件设计
我们在该系统中嵌入了一个GSM通信模块，该模块可以与用户的手机进行信息交互。

GMS通信系统子程序流程图如图9所示，STM32系统会自动检测来自手机端的指令，并进行判断，实现远程操控的目的，节省了许多时间；系统也可以将自身状态参数通过STM32主控芯片发送到手机端，能够实时监控系统的状态，当故障发生时能够尽快的解决，大大减小了意外的发生，并可以根据用户个人喜好调节车内温度，提高用户可操控性。

图9 GMS通信子程序流程图
结束语
该系统完成了样机制作，经过测试完成了预设的功能，由于采用太阳能供电，大大节省了汽车的燃油，采用排风扇实现车内外空气交换循环使车内温度始终保持适宜状态，GMS通讯模块的增加控制上的方便。

相信不久的将来，太阳能电池和半导体制冷技术的不断发展，从而代替现有的汽车压缩制冷空调，减少尾气及有害制冷剂的排放，解决对大气污染影响严重的问题。

参考文献
【相关文献】
[1]董天禄.香港科研人员开发太阳能驱动汽车空调系统[J].制冷技术，2011，(1)：31.
[2]季红军，谢晶，王金锋等.太阳能汽车空调专利现状及发展趋势分析[J].制冷技术.2015(3)：44-47
[3]陈秀红.汽车空调的太阳能供电控制系统的研究与设计[D].上海：东华大学，2016
[4]程雨霏.浅析温室气体与全球环境变化[A].资源节约与环保，2018，8（112）：142.
[5]姚登银.西能选汽车空调控制系统研究[J].科技风，2019，13（6）：163.
[6]杨璐.汽车空调智能温度控制系统[J].电子设计工程，2018，26（22）：133-141.
[7]王苏.直流电机PWM调速研究及单片机控制实现[J].机电工程技术，2008，37（11）：82-85.
[8]张佳凡.太阳能发电系统中蓄电池充电控制器的设计[J].电源技术，2016，40（8）：1648-1650.
[9]王宜海.蓄电池容量车载检测方法的设计[J].汽车实用技术，2017，8（63）：63-64.。