基于单片机控制的汽车智能降温系统

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10.16638/ki.1671-7988.2019.12.014
基于单片机控制的汽车智能降温系统
高丽英
（上海适居暖通工程有限公司，上海 201204）
摘 要：在高温曝晒下，汽车内部温度会急剧升高，会降低司乘人员驾驶舒适度甚至诱发身体疾病，导致“车内悲剧”，解决车内温度在曝晒下迅增问题急不可待。

文章以半导体制冷片的peltier 效应和太阳能光伏发电为技术核心，设计了一种高温曝晒下车内智能降温系统。

系统由车体模块和控制模块两部分组成，通过对单片机进行功能控制，驱动半导体制冷模块运转，在不启动发动机的前提下完成车体的整个内外循环降温。

通过理论计算，并设计fluent 仿真、简化装置及整车实体三个实验验证系统的可行性。

实验结果表明，该系统可以实现系统环境与外界进行大气交换，实现了降温智能化、低碳化，同时通过车内温度实时监测及远程控制，提高了驾驶舒适性和安全性。

关键词：半导体制冷；光伏发电；智能降温；节能高效
中图分类号：TG156 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2019)12-39-06
Automobile Intelligent Cooling System Based on Single Chip Microcomputer Control
Gao Liying
( Shanghai Cozy Home HVAC Co. Ltd., Shanghai 201204 )
Abstract: Under high temperature exposure, the internal temperature of the vehicle will rise sharply, which will reduce the driving comfort and even induce physical diseases, resulting in "tragedy in the vehicle". Therefore, it is urgent to solve the problem of rapid increase in the temperature in the vehicle under exposure. Based on the peltier effect of semiconductor cooling sheet and solar photovoltaic power generation technology, a kind of intelligent cooling system is designed in this paper. The system consists of two parts, the vehicle body module and the control module. Through the functional control of the single-chip microcomputer, the semiconductor refrigeration module is driven to run, and the whole internal and external cooling cycle of the vehicle is completed without starting the engine. The feasibility of the system is verified by theoretical calculation, fluent simulation, simplification device and vehicle entity experiments. The experimental results show that the system can exchange atmosphere between the system environment and the outside world, realize intelligent cooling and low carbonization, and improve driving comfort and safety through real-time monitoring and remote control of vehicle temperature.
Keywords: Semiconductor refrigeration; Photovoltaic power generation; Intelligent cooling; Energy conservation and efficient
CLC NO.: TG156 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2019)12-39-06
前言
随着交通便捷程度的提高，汽车逐渐普及，汽车安全隐
作者简介：高丽英，就职于上海适居暖通工程有限公司，主要研究方向为机械工程。

汽车实用技术
40 患成了关注焦点，其中高温下车体的安全隐患成为一种发生频率极高却不易引起注意的隐患。

在高温曝晒下，汽车内部温度会急剧升高，车内高温对人体健康危害极大[1]。

然而，目前常用于实现车体恒温的方式主要使用自动空调系统、智能换气系统、汽车防晒罩和化学降温剂等[2-4]，其中，市场上最为主流的是依靠车体的空调降温，而这已经造成了巨大能耗，严重违背了国家“节能减排”的战略。

而自动空调系统利用温度传感器、光照传感器，以及车窗雾气传感器收集车内环境信息，自动调节车温从而保持车内温度的恒定的。

但此系统成本较高，结构相对复杂。

智能换气系统主要是依靠通风起到换气降温作用，但其主要适用于车内温度升高不显著情况，在极高温环境下的换气工作效果不明显，且频繁的运作空调系统极易导致其使用寿命减少。

汽车防晒罩是目前最普遍的降温方法，需要人工布置，步骤繁琐。

而化学类降温方法可以通过在车内使用化学降温喷剂来实现，其原材料一般是干冰、氮气等，通常只能实现局部降温效果，且在使用过程中，部分化学添加剂具有一定危害性。

近年来，国内外诸多学者考虑将汽车空调控制系统进行改革，促进其小型化、节能化、智能化转型[5-7]。

通过利用半导体温控特性，采用热电制冷器，改变流过制冷器的电流方向进而实现半导体制冷效果。

目前，半导体制冷装置已经广泛应用于医疗卫生、石油化工、电子技术等领域，并取得了很好的效果。

本文在现有的半导体制冷装置基础上，对其特性进行研究，研发了一种以太阳能为能量来源，有效控制车内温度的高温曝晒下车内智能降温系统，设计了车体模块和控制模块两大模块。

并对车体模块中的半导体制冷装置、水循环冷却装置、内外循环管道装置、太阳能供电装置进行连接，通过远程手动控制和自动控制两种不同控制方法，解决了现有汽车车体温度过高，车载空调能耗大，难以提前启动及电路安全无保障等诸多弊端，能在极短时间内让车内达到舒适温度，实现了车内降温的智能化、低碳化。

1 智能降温系统车体模块设计
1.1 总体设计
整个基于单片机控制的半导体智能降温系统由车体模块和控制模块两个模块组成，见图1。

该系统中车体模块主要包括半导体制冷装置、水循环冷却装置、内外循环气体交换装置、太阳能供电装置。

系统控制模块包括远程手动控制模块、电路自动控制模块。

整个系统基于太阳能电池组物理性能，将整个装置改制成太阳能天窗，利用太阳能光电转化原理，将接收到的太阳能转化为电能提供给半导体制冷装置。

当车内温度达到温度控制器的设定值时，电路自动控制模块启动，首先切换成外循环模式，抽气泵运行，将车内大概70℃的高温空气与环境40℃的空气进行交换，内外空气交换之
后使车内温度与环境温度达到相同温度，实现第一步降温；接着在基于环境温度下再切换成内循环模式并启动半导体制冷，经过半导体制冷片降温处理后的气体通过汽车空调管道排至汽车车内，让汽车内部气流在内循环过程中降至设定温度（如26℃）。

当遇到临时停车或需在预定时间到达车时，车主可启动远程手动控制模块，直接利用时间控制系统，设定某一时刻，启动车体恒温系统，实现远程提前降温，具体系统降温过程见图2。

图1 半导体智能降温系统组成
图2 半导体智能降温系统运行过程 在整个系统中，车体模块和控制模块分别保证整个车体温度的恒温性，由图3可直接看出这两个部分所控制装置之间相互配合、相互支撑、协同工作，保证了恒温系统运行的可靠性。

图3 半导体智能降温系统整体结构
1.太阳能天窗
2.蓄电池组及变压器
3.充电端
4.放电端
5.温控器
6.定时启动器
7.切换开关
8.工作负载部分
系统的整体布局受车体水箱及空调位置限定，安放在汽车车内前端。

该系统将原来导致车辆高温的太阳能转换成控温能源，在控温的同时不增加任何油耗，避免了因高温产生的安全隐患；同时利用车内原有部件，不需要对车体进行大改造，而是另附零件，无需进行车辆组装，通过太阳能板供电给车体开启内外循环系统，让车体迅速降温，有效地降低车载空调的耗能。

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1.2 半导体制冷装置
半导体制冷装置是由半导体制冷片、冷端肋片等组成，它是汽车车体恒温系统的核心部分，能够将汽车车体内的高温气体进行冷却降温处理，并排至汽车车体内，实现汽车车体的降温效果。

图4 半导体制冷装置制冷原理
整个系统设计的半导体制冷装置是利用半导体制冷片的peltier 效应来实现温度的变化。

半导体制冷片(TE)也叫热电制冷片，它没有滑动部件，适合应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无制冷剂污染的场合。

半导体系统的工作原理是使用直流电流冷却和加热。

通过改变直流电流的极性，决定在同一制冷片上实现冷却或加热。

通过电流的大小以及半导体材料N 、P 的元件对数来决定制冷或加热功效[8]。

具体原理如图4所示。

当电流流经存在温度梯度的导体时，除了由导体电阻产生的焦耳热之外，导体还要放出或吸收热量，在温差为△T 的导体两点之间，其放热量或吸热量为：
（1）
式中：Q τ表示放热或吸热功率，τ为汤姆逊系数，I 是工作电流，△T 为温度梯度。

半导体制冷片作为特种新型冷源，对比传统其他用于汽车的制冷方式时，其可实现无需任何制冷剂制冷，可无污染、无噪音地连续工作。

同时半导体制冷片热惯性非常小，制冷制热时间很快，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，制冷片就能达到最大温差。

而由于半导体制冷片是电流换能型片件，可实现高精度的温度控制，很容易实现遥控、程控、计算机控制，便于组成自动控制系统。

1.3 内外循环管道装置
利用汽车空调的循环管道、汽车内循环风机、内外循环端温度传感器和抽气泵（抽气泵，是指具备一进一出的抽气嘴、排气嘴各一个，并且在进口处能够持续形成真空或负压；排气嘴处形成微正压），将降温装置产生的冷风，通过车内循环送达车体。

车体内外循环的流程见图5。

图5 车体内外循环流程
在车内已配置的内外循环系统上通过不启动车而由太阳能供电时自启动对应温度设定下的内外循环系统，当接于外循环模块的温度传感器在感测到车内温度达到设定高温时，自动启动外循环管道的循环过程，此时进风口开启，利用汽车排风机功率大，排风量大和其工作电压为6V-24V 且可自动调节的优点，与太阳能板在不同的日照下输出电压也不稳定性能互补，随着车内温度升高利用太阳能供能引发外循环电路的自启，同时且利用排风机排风性能实现了自动降温。

在完成车内温度由60-70℃到40℃的降温过程后，外循环结束。

即汽车室内温度达到了与环境温度相同的情况下，因环境温度仍高于所设定的内循环自启温度26℃，则实现内循环
过程。

内循环过程中关闭了车内外的气流通道，即进风口关闭，并启动半导体制冷装置工作，自启动开风机时吸入的气流也仅来自车内，形成车辆内部的气流循环。

内循环主要是及时有效地阻止外部的灰尘和有害气体进入车内，具有更好制冷保温效果。

1.4 太阳能供电装置
为了解决在汽车发电机未启动时，汽车车体恒温系统的动力来源问题，本文应用了太阳能光伏发电技术，将太阳能电池板安装于汽车顶部。

在太阳暴晒时充分利用高温所提供的特定环境资源，吸收太阳能用以供电[9]。

整个太阳能供电装置由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。

如输出电源为交流220V 或110V ，还需额外配置逆变器。

太阳能光伏发电是根据光生伏特效应原理，不论是独立使用还是并网发电，光伏发电系统主要由太阳能电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，因此，光伏发电设备精炼且可靠稳定寿命长[10]。

图6 太阳能供电装置
如图6所示，太阳能供电装置中各部分的作用分别是：1）太阳能电池板作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作；2）太阳能控制器能有效控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用；3）蓄电池主要是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来；4）逆变器需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能。

同时，本文考虑目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高为单晶硅太阳能，其光电转换效率最高的达到
24%，因此利用单晶硅太阳能电池，在阳光照射下，光能立即转化为直流电，供给汽车车体恒温系统的各装置，降低驾
汽车实用技术
42 驶室内温度；当光照强度较大时，一部分电能直接供给汽车车体恒温系统，另一部分由控制器向蓄电池输送并储存起来，当太阳能电池产电量比较低时，再释放给汽车车体恒温系统。

2 系统降温理论计算
2.1 换气风扇换气工作时间计算
在完成车体模块设计后，整个半导体智能降温系统在工作时长内能否完成降温要求需要通过理论计算来分析。

夏季，汽车在高温暴晒下，设车内温度可达70℃，外界温度40℃；车内空间体积计算为：
（2）
在工作过程中，首先启动外循环，将车内大概70℃的高温空气与环境40℃的空气进行交换，实现第一步降温。

通过比较排风扇参数，若某汽车选用的为誉达YD-8020直流汽车电子扇，则可获取其排风量为1m 3/min ，当3.6m 3的高温空气排出时，需要时间为t =3.6min 。

2.2 制冷片制冷工作计算
在计算车内散热量是，假设光照强度为1000W /m 2，车窗玻璃的面积大约为1.7m 2，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91.3%，导热系数为58.33W (m ·K )(65℃时)，车顶面积大约为2.15m 2。

因此，太阳光对车的加热功率为透过车玻璃对车加热功率和透过车顶对车的加热功率两部分之和，即：
（3）
当高温曝晒下车内智能降温系统将40℃的车内温度降至30℃，假设强制对流条件下气体的对流传热表面传热系数h /[W /(m ·K )]≈20-100。

铝制肋片的导热系数(20℃时)为236W /(m ·K )；车内气温T =60℃；大气(p =101kPa )下干空气(60℃时) ρ=1.060kg/m 3，c p =1.005kJ /(kg ·K )，则车内气体总散热量：
（4）
进一步，假设制冷片的制冷功率为P ，采用n 片制冷片，本文选用TEC1-26315半导体制冷片，最大温差电流为15A ，最大制冷功率为200w ，有：
（5） 由半导体的制冷比为0.8，当n=5时，t =69s 。

2.3 水箱温度计算
水箱是水冷式发动机的重要部件，能够吸收缸体的热量，发动机的热量通过冷却水这个液体回路，利用水作为载热体传导热，再通过大面积的散热片以对流的方式散热，以维持发动机的合适工作温度。

为保证汽车发动机正常运行，一般在80℃到95℃都属于正常范围。

在发动机工作时，气缸内的
气体温度可高达1727~2527℃，若不及时冷却，将造成发动机零部件温度过高。

因此，需对水箱中水电温度变化进行计算，以平均水箱体积6L 为计算的体积，在质量和升高的温度相同时，水吸收的热量：
（6）
水释放的热量为：
（7）
则可计算水箱升温△t =4.4℃，即在散发半导体制冷过程中其热端发热的过程中，水箱升温远小于其可正常工作温度，因此对整个汽车发动机工作影响甚微。

2.4 太阳能电池板工作计算
夏季，按太阳能电池板一天工作6小时、吸收率为23%计算，太阳能一天的发电量至少为0.67度，W =0.67KJ ·h ，整套装置由70℃降到30℃时使用一次的能耗为86250J ，则可供整套装置运行次数为f =0.67×1000÷86250×3600=28次，若太阳能电池板每小时充电1小时，则可以供应的次数为f =4.7次。

外循环管道模块运行，将车内大概70℃的高温空气换为环境40℃的空气，需要3.6分钟；内循环管道模块运行，将车内40℃空气降至30℃，需要1分钟即可。

整个过程低能耗运行5分钟即可制造舒适的车内环境。

3 单片机温度控制模块设计
3.1 换气风扇换气工作时间计算
本系统设计的控制模块是基于单片机的智能化控制系统，从架构上讲，由远程手动控制部分、自动控制部分两个
主要控制端组成。

这两部分所控制的电路及器件主要包括处理器，温度传感器，数码管显示，按键调节电路，控制信号驱动电路，半导体制冷执行器连接电路，详细的系统结构图如图7所示：
图7 单片机温度控制模块工作原理
图7中，以单片机为处理中心，接受温度传感器所在电路的反馈信号，经过单片机内部模糊控制算法处理，单片机IO 口输出一定占空比的PWM 信号控制量，经过驱动器的作
用，最终驱动半导体制冷器制冷。

同时，在单片机的外围电路中，通过8位数码管显示给定值和反馈值，通过安检设定控制系统的温度目标值。

并在实际温度和目标设定温度之间进行反馈调整，完成制冷恒温过程。

3.2 远程手动控制模块设计
汽车远程手动温控系统，整车智能控温，手机一键启动，即可达到远程控制车内温度高低[11]。

车主可以通过手机APP
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达到人机互动，实现在未发动汽车且未进入车内时便可控制制冷系统的循环开启。

整个远程模块包括外循环手动控制电路，内循环手动控制电路。

外循环电路由太阳能供能给鼓风机启动，启动外电路为一温度感测电路和温度控制驱动电路。

内循环部分为基于单片机的半导体制冷片温度控制电路，其系统的总体结构图如图8所示。

图8 温度控制电路结构图
该系统中包括的部件主要有液晶显示电路，键盘的输入，温度传感器，单片机元件以及驱动的电路设计等等。

在这个系统中液晶屏的作用主要是显示实时温度的变化，而单片机的作用主要是整体上控制各支路有序工作。

3.3 自动控制部分设计
本文中，半导体制冷温度控制系统设计以STC89C52RC 单片机为核心，通过内外循环所设定的温度传感器电路，分别在设定外循环电路初始温度40℃，当高于40℃时自动开启外循环，达到与外界温度一致（假设40℃），设定温度40℃（即达到与室温一致时）则自动控制内循环开启，实际温度与自动设定温度（假设30℃）相比较，当实际温度与设定温度相差较大时，单片机5V 电压通过继电器来控制12V 半导体制冷片工作；当实际温度降到设定温度附近时，采用PWM （脉冲宽度调制）控制场效应管IRF630的电流变化，来改变制冷片的工作状态，从而实现恒温的目的。

图9 自动控制核心部分组件图
如图9所示，在Multisim 中画出单片机程序原理图后，再在单片机中编写具体程序，从而在组件部分实现温度控制功能。

4 实验验证
4.1 仿真模拟实验
通过采用流体工程仿真软件fluent ，仿真模拟在汽车车体恒温系统的作用下车内气体温度变化。

本次实验主要研究出高温暴晒下，启动汽车车体恒温系统后车内气体温度变化。

通过设置边界条件、进风口参数、出风口参数、迭代步数等模拟实际环境，获得精确可靠的结果，具体结果如图10、11
所示。

图10 初始热分布图
图11 系统工作后热分布
由图10、11可得，根据fluent 仿真实验中可以得出在利用内外循环两个模块之后汽车车体内部气流及温度变化态势，由初始高温32℃在10s 后降至29℃的变化过程。

4.2 简化模型实验
在经过fluent 仿真验证了实验过程温度变化趋势之后，通过搭建简化模型来完成整个车体在简要装置下的效果展示，看是否可以通过内外循环及太阳能供能完成制冷恒温过程。

通过在高温曝晒条件下，利用半导体制冷片、温控开关、温度探测器、风扇、水箱、水管、散热器、导冷片、变压器等实验器材搭建简化模型，按电路图连接各电器元件，设定温控开关起始温度与停止温度，搭建的车体简化模型如图12所示。

图12 车体简化模型
将整个简化模型放置在高温环境，进入自动模式，观察温度探测器的示数并记录。

图13 系统初始温度31℃
图14 系统工作60s 时温度20℃
汽车实用技术
44通过对表1的数据进行分析，在简化模型中，汽车车体
恒温系统降温效果显著。

在高温曝晒下，仅用时1分钟，便可将汽车车内温度从31℃降温至20℃，该结果与理论计算的结果相近，进一步说明实验真实有效性。

表1 系统模块工作过程实验数据
4.3 实车实验
通过尽量不改变原有汽车车体内部结构的基础上，将整套装置的核心部分及太阳能装置分别安装于车体，太阳能电池板固定在汽车天窗上方，如图所示。

再将整套汽车车体恒温系统安装在小轿车上，利用温度探测仪探测车内温度变化并记录相关示数，同时用钟表计时。

图15 整车实验图
表2 实车实验过程数据
图16 整车系统运行现象图
通过对数据的分析，高温曝晒下车内智能降温系统降温效果显著。

在高温曝晒下，仅用时3分钟，便可将汽车车内温度从45.1℃降温至32.8℃。

在整个过程中，车辆启动了内外循环两个过程，实验结果虽然比计算结果略大，但也符合温降范围，因此，由整车实验再次验证了装置的可行性。

5 结论
（1）本文将半导体制冷技术应用于汽车车内降温，并且将装置与车体原有的空调管道组件（车载空调的循环管道、汽车水箱、汽车天窗三大组件）结合，通过实验结果表明，利用结合太阳能供电和半导体制冷两部分特性设计的汽车降温系统能够实现迅速制冷、供能等功能。

（2）系统将制冷组件安装于汽车空调管道当中，通过采用单片机控制，减少电路占比，并设有电瓶保护和电路短路保护装置。

与汽车其他组件无体积和电路冲突，而电瓶保护和电路保护也能够为汽车原有电路形成双重保护，能在保障汽车原有安全性的同时，提供额外的保护。

（3）研究表明，设计的系统结构紧凑，体积小，安装方便，与汽车内外循环管道的工作模式结合，省去了复杂的传输管路，与汽车原有部件无电路冲突、无体积冲突。

同时能够有效降低半导体制冷的能耗，本文的研究结果使得半导体制冷技术突破能耗壁垒，有效应用于高温曝晒下车内降温。

参考文献
[1] 鲁植雄.车辆工程专业导论[M].北京:机械工业出版社,2013.
[2] 麻友良.汽车空调技术[M].北京:机械工业出版社,2009.
[3] 梁荣光,何文超,朱志强,杨丽明.现代汽车空调技术[M].广州:华南
理工大学出版社,2003.
[4] CHANG Yuwei, CHANG Chichung, KE Mingtsun. Thermoelectric
air-cooling module for electronic devices[J].Applied Thermal Eng -ineering, 2009,29: 2731-2737.
[5] OECD/IEA. Energy Technology Perspectives-Scenarios and Strateg
-ies to 2050[M].2006.
[6] 杨金焕.太阳能光伏发电应用技术[M].北京:电子工业出版社, 2013.
[7] CHEN Xiaohang, LIN Bihong, CHEN Jincan. The parametric opti
-mum design of a new combined system of semiconductor thermo -electric devices[J], Applied Energy, 2006, 83: 681-686.
[8] 郑贤德.制冷原理与装置[M].北京:机械工业出版社,2015.
[9] Nunes P, Figueiredo R. Brito M C. The use of parking lots to solar-
charge electric vehicles[J].Renewable and Sustainable Energy Revie -ws,2016,66: 679-693.
[10] ZHOU W, MO M. Simulation research on infrared remote control
transmitter in Proteus[J].Electronic Technology,2014,11: 55-57. [11] HAN Xiaocui. Infrared Remote Control Design Based on Single
Chip Microcomputer[J]. IEEE Computer Society,2015,10:75-78.。