CN106476665A - 一种基于半导体制冷的车载多能杯座及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于半导体制冷的车载多能杯座，包括光伏阵列、变换器、控制器、车载蓄电池、组合开关、制冷开关、制冷杯座、加热杯座、加热开关。光伏阵列将太阳能转换为直流电能送入变换器，变换器将直流电能进行变换，得到的直流电能满足制冷杯座、加热杯座的用电需求。当阳光充足时，光伏阵列的电能出现剩余，控制器控制组合开关，蓄电池触点拨片连接蓄电池触点与光伏触点，将剩余电能存储于车载蓄电池中，当阳光不充足或者无光照条件下，控制器控制组合开关的供电切换开关拨片连接供电输出端子与蓄电池触点，由车载蓄电池供电。用户根据实际情况，操作制冷开关与加热开关，可以控制制冷杯座、加热杯座的工作，满足用户需求。

Description

一种基于半导体制冷的车载多能杯座及控制方法

技术领域

本发明涉及利用光伏发电和半导体制冷原理实现车载水杯加热或者制冷，属于新能源技术领域，特别是涉及一种基于半导体制冷的车载多能杯座及控制方法。

背景技术

汽车几乎是每个家庭的重要交通工具，随着我国经济的发展，据中国汽车消费协会报道，2015年我国汽车产销量双超2400万辆。由此可见，汽车越来越普遍。在使用汽车时，经常会遇到一些困惑，比如在寒冷的冬天想要喝一杯热水，在酷暑的夏天，想要喝一杯冰水解暑。目前有些高档车型中会配置车载冰箱，具有这一配置的车型，售价一般都比较高，并且车载冰箱制冷，无法加热。如何让这一技术更加普遍，让所有的老百姓都能受惠。光伏电池技术在中国已经非常成熟，可以利用太阳能光伏发电，给车载杯座加热，或者制冷。传统的制冷方式，如吸收式等，很难在汽车上应用，车载制冷需要的是功率小、体积小的制冷设备，便于在车内安装。半导体制冷技术具有如下优点：

1)无运动部件，因而工作时无噪声，无磨损、寿命长，可靠性高。

2)不使用制冷剂，故无泄漏，对环境无污染。

3)半导体制冷器参数不受空间方向的影响，即不受重力场影响，在航天航空领域中有广泛的应用。

4)尺寸小，重量轻，适合小容量、小尺寸的特殊的制冷环境。半导体制冷器虽有许多优点，但也有一些缺点有待克服。

综上所述，半导体制冷非常适合应用于车载制冷设备中。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明提供一种基于半导体制冷的车载多能杯座及控制方法，利用光伏发电和半导体制冷原理实现车载水杯加热或者制冷，从而解决车载饮用水问题，为达此目的，本发明提供一种基于半导体制冷的车载多能杯座，包括光伏阵列、变换器、控制器、车载蓄电池、组合开关、制冷开关、制冷杯座、加热杯座和加热开关：

所述控制器由单片机构成，输入端口采集变换器的电压与电流，根据检测信号，控制组合开关的工作状态，当采集变换器的电压与电流无法满足制冷杯座与加热杯座的用电需求时，由车载蓄电池供电，当采集变换器的电压与电流稳定，并且出现剩余时，控制器控制组合开关，将剩余的电能存储在载蓄电池中；

所述组合开关由蓄电池触点拨片、蓄电池触点、供电切换开关拨片、光伏触点和供电输出端子组成，所述组合开关中蓄电池触点拨片连接或者断开蓄电池触点与光伏触点，供电切换开关拨片连接或者断开供电输出端子与蓄电池触点和光伏触点；

所述制冷杯座由半导体制冷器、制冷杯座保温层和制冷杯座不锈钢外罩组成，所述半导体制冷器安装在制冷杯座保温层内，所述制冷杯座不锈钢外罩安装在最外层；

所述加热杯座由加热器、加热杯座保温层和加热杯座不锈钢外罩组成，所述加热器安装在加热杯座保温层内，所述加热杯座不锈钢外罩安装在最外层；

所述光伏阵列的输出与变换器的输入连接，所述变换器的输出与组合开关的光伏触点连接，所述组合开关的控制端口与控制器的信号输出一端口连接，所述控制器的信号输出二端口与车载蓄电池的控制端口连接，所述控制器的输入端口与变换器的检测端口连接，所述车载蓄电池的电源输出与组合开关的蓄电池触点连接，所述组合开关的供电输出端子分别与制冷开关、所述加热开关的输入连接，所述制冷开关的输出与制冷杯座的半导体制冷器的电源端口连接，所述加热开关的输出与加热杯座的加热器的电源端口连接。

本发明的进一步改进，所述变换器是由直流-直流斩波器构成，用于将光伏阵列的输出电能转换为符合车载蓄电池的充电要求以及满足述制冷杯座与加热杯座的用电需求。

本发明的进一步改进，所述制冷杯座和加热杯座的供电端口为USB接口，本发明供电接口可采用常用的USB接口。

本发明的进一步改进，所述光伏阵列由薄膜光伏电池构成，安装在车顶，输出电能用导线与变换器的输入连接。

本发明一种基于半导体制冷的车载多能杯座的控制方法，具体操作步骤为：

首先，通过温度传感器相关电路采样水杯内温度的精确值，并与最高温度限定值进行比较，得到误差信号E，一般误差信号作为模糊控制器的输入量，选择单片机作为模糊控制单元的中心控制器，把误差信号E的精确量进行模糊化变成模糊量,误差E的模糊量可用相应的模糊语言表示，至此，得到了误差E的模糊语言集合的一个子集e，e实际上是一个模糊向量，再由e和模糊控制规则R，即模糊关系根据推理合成规则进行决策，得到模糊向量u，为了对被控对象施加精确的控制，还需要将模糊量u转换为精确量，得到了精确的数字控制量后，经数模转换，变为精确的模拟量送给执行机构,对被控制对象进行控制，通过组合开关作为执行机构进行执行操作；

控制方法中算法如下，基于T-S模型的模糊算法实现车载温度控制的智能化，T-S模型是Takage和sugen，T-S模型的规则具有以下形式；

其中，Rⁱ表示第i条模糊规则；x_i为模糊模型的第i个输入变量；为x_i的第j个模糊子集；m是输入变量的数目；Yⁱ为第i条规则的输出；是第i个模糊规则的第j个参数，为一实数，之后再采用加权平均法进行模糊判决,以得到控制量的精确值，加权平均法的算法公式为；

其中，u_i为模糊量输出，μ(u_i)为模糊量的隶属度，u_OUT为求得的判决结果；

最后通过模糊控制得到输出结果后，利用单片机控制相应开关通断时间，即可完成对杯体的加热和冷却，使水杯中的水维持在理想温度，达到用户的实际需求。

本发明具有以下优点：

(1)本发明使用光伏发电技术提供电能，供车载杯座制冷或者加热，当光伏发电出现剩余时，剩余的电能送至蓄电池，系统稳定可靠。

(2)本发明采用USB借口，更换杯座非常简单，用户可以根据实际情况进行组合，人性化设计。

(3)本发明采用半导体制冷原理，结构简单、功率小，无任何有害气体排放。

(4)本发明采用模糊控制来实现开发的自主通断，操作方便，可靠性高。

(5)本发明在在现有的车辆上非常容易改造，工艺简单、成本低。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明结的制冷杯座构示意图；

图3为本发明的加热杯座结构示意图；

图4为本发明的组合开关结构示意图；

图5为本发明的模糊控制其结构示意图；

图6为本发明的温度控制系统示意图。

图中：1是光伏阵列、2是变换器、3是控制器、4是车载蓄电池、5是组合开关、6是制冷开关、7是制冷杯座、8是加热杯座、9是加热开关；5-1是蓄电池触点拨片、5-2是蓄电池触点、5-3是供电切换开关拨片、5-4是光伏触点、5-5是供电输出端子；7-1是导体制冷器、7-2是制冷杯座保温层、7-3是制冷杯座不锈钢外罩；8-1是加热器、8-2是加热杯座保温层、8-3是加热杯座不锈钢外罩。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明提供一种基于半导体制冷的车载多能杯座及控制方法，利用光伏发电和半导体制冷原理实现车载水杯加热或者制冷，从而解决车载饮用水问题。

本发明实施方案如下，如图1所示：一种基于半导体制冷的车载多功能杯座，包括光伏阵列1、变换器2、控制器3、车载蓄电池4、组合开关5、制冷开关6、制冷杯座7、加热杯座8和加热开关9；

所述光伏阵列1由薄膜光伏电池构成，安装在车顶，输出电能用导线与变换器2的输入连接；

所述变换器2是由直流-直流斩波器构成，用于将光伏阵列1的输出电能转换为符合车载蓄电池4的充电要求以及满足述制冷杯座7与加热杯座8的用电需求；

所述控制器3由单片机构成，输入端口采集变换器2的电压与电流，根据检测信号，控制组合开关5的工作状态，当采集变换器2的电压与电流无法满足制冷杯座7与加热杯座8的用电需求时，由车载蓄电池4供电。当采集变换器2的电压与电流稳定，并且出现剩余时，控制器3控制组合开关5，将剩余的电能存储在载蓄电池4中；

所述车载蓄电池4由铅酸免维护蓄电池构成；

所述组合开关5如图4所示由蓄电池触点拨片5-1、蓄电池触点5-2、供电切换开关拨片5-3、光伏触点5-4和供电输出端子5-5组成。蓄电池触点拨片5-1连接蓄电池触点5-2与光伏触点5-4，将剩余电能存储于车载蓄电池4中，当阳光不充足或者无光照条件下，控制器3控制组合开关5的供电切换开关拨片5-3连接供电输出端子5-5与蓄电池触点5-2，由车载蓄电池4供电；

所述光伏阵列1的输出与变换器2的输入连接，变换器2的输出与组合开关5的光伏触点5-4连接，组合开关5的控制端口与控制器3的信号输出一端口连接，控制器3的信号输出二端口与车载蓄电池4的控制端口连接，控制器3的输入端口与变换器2的检测端口连接，车载蓄电池4的电源输出与组合开关5的蓄电池触点5-2连接，组合开关5的供电输出端子5-5分别与制冷开关6、加热开关9的输入连接，制冷开关6的输出与制冷杯座7的半导体制冷器7-1的电源端口连接，加热开关9的输出与加热杯座8的加热器8-1的电源端口连接。

所述制冷杯座7如图3所示由半导体制冷器7-1、制冷杯座保温层7-2和制冷杯座不锈钢外罩7-3组成。半导体制冷器7-1由半导体制冷材料构成，当通入直流电能时，开始制冷，半导体制冷器7-1安装制冷杯座保温层7-2，用于长时间的保持温度，最外层安装制冷杯座不锈钢外罩7-3，用于保护制冷杯座7；

所述制冷开关6由常规开关构成，用于控制制冷杯座7；

所述加热杯座8如图2所示由加热器8-1、加热杯座保温层8-2和加热杯座不锈钢外罩8-3组成。加热器8-1通入直流电能时，开始加热，外面安装加热杯座保温层8-2用于长时间的保温，最外层安装加热杯座不锈钢外罩8-3，用于保护加热杯座8；

所述加热开关9由常规开关构成，用于控制加热杯座8；

制冷杯座7和加热杯座8的供电端口为USB接口。

本发明工作原理如下：光伏阵列1将太阳能转换为直流电能，直流电能送入变换器2，变换器2将直流电能进行直流-直流斩波变换，得到的直流电能满足制冷杯座7、加热杯座8的用电需求。当阳光充足时，光伏阵列1的电能出现剩余，控制器3控制组合开关5，蓄电池触点拨片5-1连接蓄电池触点5-2与光伏触点5-4，将剩余电能存储于车载蓄电池4中，当阳光不充足或者无光照条件下，控制器3控制组合开关5的供电切换开关拨片5-3连接供电输出端子5-5与蓄电池触点5-2，由车载蓄电池4供电。用户根据实际情况，操作制冷开关6与加热开关9，可以控制制冷杯座7、加热杯座8的工作，满足用户需求。举例说明，在寒冷的冬季，当水杯里面低于某个温度值时，此时应该要操作加热开关来控制加热杯座，当水杯内温度达到某个值时，停止加热，或者，在夏季的时候，水杯中水的温度过高，需要对其冷却，就操作制冷开关，使其下降到某个临界值，停止冷却

本发明一种基于半导体制冷的车载多能杯座的控制方法如图5和6所示，具体操作步骤为：

首先，通过温度传感器等电路采样水杯内温度的精确值，并与最高温度限定值进行比较，得到误差信号E，一般误差信号作为模糊控制器的输入量，在这里，我们选择单片机作为模糊控制单元的中心控制器，把误差信号E的精确量进行模糊化变成模糊量,误差E的模糊量可用相应的模糊语言表示。至此，得到了误差E的模糊语言集合的一个子集e(e实际上是一个模糊向量)。再由e和模糊控制规则R(模糊关系)根据推理合成规则进行决策,得到模糊向量u，为了对被控对象施加精确的控制,还需要将模糊量u转换为精确量,得到了精确的数字控制量后,经数模转换,变为精确的模拟量送给执行机构,对被控制对象进行控制，本发明中的执行机构为组合开关。

温度控制过程是一个典型的非线性、强耦合的复杂控制对象,其精确的数学模型难以建立,常规控制很难获得满意的效果。基于控制对象的特点,本发明采用了基于T-S模型的模糊算法实现车载温度控制的智能化。

T-S模型是Takage和sugen。提出的一种十分典型的模糊模型,一般用于辨识,也可用于控制,一般的基于T-S模型的规则具有以下形式:

其中，Rⁱ表示第i条模糊规则；x_i为模糊模型的第i个输入变量；为x_i的第j个模糊子集；m是输入变量的数目；Yⁱ为第i条规则的输出；是第i个模糊规则的第j个参数，为一实数。本发明中，将开关接通时间作为输出，通过解模糊化，得到精确的开关接通时间，从而控制车载水杯加热时间，最终影响水杯中的温度。

T一S模型的规则的前件部分是模糊的,但其后件部分是确定的,即输出为各输入变量的线性组合,同一般模糊型相比,更有利于信息的系统化表示和运算。

在整个模糊控制温度的过程中，只要涉及四个过程，即，模糊化，建立模糊规则，模糊推理，解模糊化。这里，模糊控制器的输入量是误差E及误差变化率EC，

模糊规则建立和模糊推理这部分根据实际经验进行设定，当我们根据杯体实测出温度后，通过与设定温度之间的差值，来决定对杯体进行加热或冷却的时间，这一过程，为解模糊或者成为模糊判决，本发明采用加权平均法进行模糊判决,以得到控制量的精确值。加权平均法的算法公式为:

其中，u_i为模糊量输出，μ(u_i)为模糊量的隶属度，u_OUT为求得的判决结果。

通过模糊控制得到输出结果后，利用单片机控制相应开关通断时间，即可完成对杯体的加热和冷却，使水杯中的水维持在理想温度，达到用户的实际需求。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种基于半导体制冷的车载多能杯座，包括光伏阵列(1)、变换器(2)、控制器(3)、车载蓄电池(4)、组合开关(5)、制冷开关(6)、制冷杯座(7)、加热杯座(8)和加热开关(9)，其特征在于：

所述控制器(3)由单片机构成，输入端口采集变换器(2)的电压与电流，根据检测信号，控制组合开关(5)的工作状态，当采集变换器(2)的电压与电流无法满足制冷杯座(7)与加热杯座(8)的用电需求时，由车载蓄电池(4)供电，当采集变换器(2)的电压与电流稳定，并且出现剩余时，控制器(3)控制组合开关(5)，将剩余的电能存储在载蓄电池(4)中；

所述组合开关(5)由蓄电池触点拨片(5-1)、蓄电池触点(5-2)、供电切换开关拨片(5-3)、光伏触点(5-4)和供电输出端子(5-5)组成，所述组合开关(5)中蓄电池触点拨片(5-1)连接或者断开蓄电池触点(5-2)与光伏触点(5-4)，供电切换开关拨片(5-3)连接或者断开供电输出端子(5-5)与蓄电池触点(5-2)和光伏触点(5-4)；

所述制冷杯座(7)由半导体制冷器(7-1)、制冷杯座保温层(7-2)和制冷杯座不锈钢外罩(7-3)组成，所述半导体制冷器(7-1)安装在制冷杯座保温层(7-2)内，所述制冷杯座不锈钢外罩(7-3)安装在最外层；

所述加热杯座(8)由加热器(8-1)、加热杯座保温层(8-2)和加热杯座不锈钢外罩(8-3)组成，所述加热器(8-1)安装在加热杯座保温层(8-2)内，所述加热杯座不锈钢外罩(8-3)安装在最外层；

所述光伏阵列(1的输出与变换器(2)的输入连接，所述变换器(2)的输出与组合开关(5)的光伏触点(5-4)连接，所述组合开关(5)的控制端口与控制器(3)的信号输出一端口连接，所述控制器(3)的信号输出二端口与车载蓄电池(4)的控制端口连接，所述控制器(3)的输入端口与变换器(2)的检测端口连接，所述车载蓄电池(4)的电源输出与组合开关(5)的蓄电池触点(5-2)连接，所述组合开关(5)的供电输出端子(5-5)分别与制冷开关(6)、所述加热开关(9)的输入连接，所述制冷开关(6)的输出与制冷杯座(7)的半导体制冷器(7-1)的电源端口连接，所述加热开关(9)的输出与加热杯座(8)的加热器(8-1)的电源端口连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于半导体制冷的车载多能杯座，其特征在于：所述变换器(2)是由直流-直流斩波器构成。

3.根据权利要求1所述的一种基于半导体制冷的车载多能杯座，其特征在于：所述制冷杯座(7)和加热杯座(8)的供电端口为USB接口。

4.根据权利要求1所述的一种基于半导体制冷的车载多能杯座，其特征在于：所述光伏阵列(1)由薄膜光伏电池构成，安装在车顶。

5.根据权利要求1所述的一种基于半导体制冷的车载多能杯座，其特征在于：所述车载蓄电池(4)由铅酸免维护蓄电池构成。

6.一种基于半导体制冷的车载多能杯座的控制方法，其特征在于：

具体操作步骤为：

首先，通过温度传感器相关电路采样水杯内温度的精确值，并与最高温度限定值进行比较，得到误差信号E，一般误差信号作为模糊控制器的输入量，选择单片机作为模糊控制单元的中心控制器，把误差信号E的精确量进行模糊化变成模糊量,误差E的模糊量可用相应的模糊语言表示，至此，得到了误差E的模糊语言集合的一个子集e，e实际上是一个模糊向量，再由e和模糊控制规则R，即模糊关系根据推理合成规则进行决策，得到模糊向量u，为了对被控对象施加精确的控制，还需要将模糊量u转换为精确量，得到了精确的数字控制量后，经数模转换，变为精确的模拟量送给执行机构,对被控制对象进行控制，通过组合开关作为执行机构进行执行操作；

控制方法中算法如下，基于T-S模型的模糊算法实现车载温度控制的智能化，T-S模型是Takage和sugen，T-S模型的规则具有以下形式；

$R^i:if{x}_{1}is{A}_1^i,x_{2}is{A}_2^i,\mathrm{...},x_{m}is{A}_m^i,$

$Then{Y}^i=P_0^i+P_1^i{x}_1+P_2^i{x}_2+\mathrm{...}+P_m^i{x}_m;$

其中，Rⁱ表示第i条模糊规则；x_i为模糊模型的第i个输入变量；为x_i的第j个模糊子集；m是输入变量的数目；Yⁱ为第i条规则的输出；是第i个模糊规则的第j个参数，为一实数，之后再采用加权平均法进行模糊判决,以得到控制量的精确值，加权平均法的算法公式为；

$u_{OUT}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n\mathrm{\μ}\left(u_i\right)u_i}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n\mathrm{\μ}\left(u_i\right)};$

其中，u_i为模糊量输出，μ(u_i)为模糊量的隶属度，u_OUT为求得的判决结果；

最后通过模糊控制得到输出结果后，利用单片机控制相应开关通断时间，即可完成对杯体的加热和冷却，使水杯中的水维持在理想温度，达到用户的实际需求。