CN107719064B - 一种车载智能温控系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种车载智能温控系统，包括太阳能光伏板、太阳能控制器、DC‑DC斩波电路、传感器单元和车载温控单元。太阳能光伏板与太阳能控制器相连接，太阳能控制器先与DC‑DC斩波电路相连接再与蓄电池相连接。所述传感器单元将检测到数据信息传送给车载温控单元。太阳能光伏板将表面收集到的太阳能转换为电能储存在蓄电池或为负载供电，蓄电池存储或释放光伏电池的剩余电能。本发明提供的一种车载智能温控系统，利用检测车体内温度变化以及车外光强变化的数据对室内温度进行调节，通过计算得出最终的等效温度来控制空调档位的变化。

Description

一种车载智能温控系统
技术领域
本发明涉及汽车控制领域中的电控领域，尤其涉及一种车载智能温控系统。
背景技术
社会的进步、经济的发展和人类的生存都要以能源为基础，二十世纪以来，煤炭、石油和其他化石能源已经被用来作为推动社会进步的重要动力，但是随着能源消耗各种问题接踵而至，新型能源逐步受到人们的重视，近年来我国新能源发展迅速，从而也带动了一些相关产业和产品的发展，电动汽车的太阳能空调系统设计就是其中之一。
基于光伏发电的汽车自动温控系统整体拥有环保、高效等优势特性，系统在不浪费原有能源的基础上还能够为汽车提供能源，做到了能源的可再生利用。同时，整套系统为汽车提供了智能化的管理功能，极大的提高了汽车用户的舒适度与用车体验，符合市场需求，拥有广泛推广的条件。
现阶段太阳能汽车空调系统的供电方式采用光伏系统直接给系统供电的方式，这样能提高系统工作的快速性，但是这种能源供给方式会带来工作时间局限于日照充足时段的弊端，同时在工作期间对能源的分配与利用不足，造成了太阳能资源采集后的浪费。
现有的空调控制系统中控制判据往往只参考温度或光强两种判定因素，这样的判定条件相对简单快速，但由于对环境的判断信息有限，往往对温度的控制偏差很大，譬如在高温无光的环境下，判定系统不能准确的调节车内温度至最适情况，这就造成了系统的实用性有所下降。同时，现有控制系统中，对于温度的调节方式过于单一，只依赖车载空调系统的调节方式会造成温度调节慢、能源消耗大的问题，这往往不利于空调系统在电动汽车等新能源设备上的应用。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种车载智能温控系统，具体方案是包括：将表面收集到的太阳能转换为电能的太阳能光伏板，所述太阳能光伏板将收集到的电能储存在蓄电池或为负载供电，所述蓄电池存储或释放光伏电池的剩余电能；
与所述太阳能光伏板相连接通过调节汽车内的电控系统的工作状态控制太阳能光伏板输出最大电能的太阳能控制器，所述太阳能控制器将太阳能电池板发出的直流电贮存在蓄电池中、对蓄电池进行过充过放保护，
所述太阳能光伏板与蓄电池之间设置有DC-DC斩波电路：所述DC-DC斩波电路将太阳能光伏电池板产生的电能电压值调整到适应蓄电池或用于负载的电压值；
该系统还包括：采集车载空调的温度信息、车体外光强度信息和每个时刻的太阳光入射角信息的传感器单元；
接收所述传感器单元传送的数据信息对汽车内的温度进行实时调节和控制车载温控单元。
所述车载温控单元包括控制电路、制冷驱动电路和制冷装置，所述控制电路与所述制冷驱动电路相连接，所述制冷驱动电路与所述制冷装置相连接。
所述传感器单元包括温度传感器、光强传感器和太阳入射角跟踪测量仪；
所述太阳入射角跟踪测量仪检测每个时刻的太阳光入射角信息，所述车载温控单元接收太阳入射角跟踪测量仪检测到的太阳光入射角信息后绘制出太阳入射角随时间变化的α-t曲线，根据该曲线的斜率k值判断是哪个时刻，并将该斜率k输入至制冷驱动电路，所述制冷驱动电路调节空调制冷的控制参数。
所述车载温控单元接收传感器单元传送的数据信息对车载温度进行调控时：
当车内温度升高，车外光强增强，太阳光入射角增大，该状况符合车内温控基本要求，空调以最大制冷量开始制冷；
当车内温度升高，车外光强减小，太阳光入射角增大，控制空调以基本制冷量开始制冷；
当车内温度减小，车外光强增强，太阳光入射角减小，控制空调以小制冷量开始制冷；
当车内温度减小，车外光强减小，太阳光入射角减小，该状况符合车内温控基本要求，控制空调以最小制冷量开始制冷；
在此过程中，所述车载温控单元获取斜率k后采用如下方式计算得到空调开始制冷量
Q＝Q0+ρ(ΔI+kβ)D/λ
其中，Q表示最终空调负荷量，Q0表示原档位所需的空调负荷量，D表示单位光强升高对空调负荷量的影响参数，β表示太阳光入射角的变化率对于光强的影响参数，I表示光强传感器检测到的光强大小。
所述车载温控单元对空调进行控制时采用如下方式：
设定在最适宜温度上下2℃之内属于最佳温度，若综合温度T在最佳温度-T1内，则调用换气稳定温度的档位；若综合温度T在T1-T2之间，空调采用制热一档；若综合温度T在T2-T3之间，空调采用制热二档；若综合温度T低于T3，空调采用制热三档；若综合温度T在TZ-T4之间，空调采用制冷一档；若综合温度T在T4-T5之间，空调采用制热二档；若综合温度T高于T5，空调采用制热三档；如果综合温度从某一档位降低或者上升至下一档位，则空调负荷也随之改变到本档位对应的负荷状态；
在此环节中，TZ、T1、T2、T3、T4、T5为生产时根据各地区实际情况决定。
所述车载温控单元对车体内温度进行控制时：首先设定一个综合温度，综合温度表达式如下：
T＝T0+ρI/α
其中，T0为温度传感器检测到的车内的温度，ρ为汽车表面对太阳光辐射的吸收能力，λ为车体外表面对流换热系数；
对于车体内空调最适宜的温度TZ，可按照以下计算公式计算：
TZ＝20+0.5×(T-20)。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种车载智能温控系统，利用检测车体内温度变化以及车外光强变化的数据对室内温度进行调节，通过计算得出最终的等效温度来控制空调档位的变化。相对于其他的车载空调，本车载温控系统更加适合在温度变化大的地区投入使用，因为加入了车外光强的变化这一物理量的影响，从而可以预判车外温度是处于上升还是下降的趋势，从而可以在本来就检测出来的车内温度上加上车外温度对于车体的影响，提前使车体内温度进入下一阶段的最佳温度，采用这种方法可以节省一定的能量，并且对于温度的检测与预判能够有比较大的准确性，克服了不考虑车外温度对车内温度的影响的缺点，能够更加清洁的主动检测温度并调节温度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1(a)为本发明车载智能温控系统的结构示意图；
图1(b)为本发明车载智能温控系统中车载温控单元的结构示意图；
图2为本发明车载智能温控系统的工作流程图；
图3为本发明车载智能温控系统的控制电路的硬件原理图；
图4为本发明中DC-DC斩波电路中Buck型降压电路的原理图；
图5为本发明中车载智能温控系统的温度调节示意图；
图6为本发明中车载智能温控系统的温度控制的电路图；
图7为本发明中系统控制温度过程中四种模式转换示意图；
图8为本发明中车载智能温控系统的结构图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
如图1(a)、图1(b)、图2和图3所示的一种车载智能温控系统，包括太阳能光伏板、太阳能控制器、DC-DC斩波电路、传感器单元和车载温控单元。太阳能光伏板与太阳能控制器相连接，太阳能控制器先与DC-DC斩波电路相连接再与蓄电池相连接。所述传感器单元将检测到数据信息传送给车载温控单元。太阳能光伏板将表面收集到的太阳能转换为电能储存在蓄电池或为负载供电，蓄电池存储或释放光伏电池的剩余电能。
太阳能控制器通过调节汽车内的电控系统的工作状态控制太阳能光伏板输出最大电能。所述太阳能控制器将太阳能电池板发出的直流电贮存在蓄电池中、对蓄电池进行过充过放保护。所述太阳能光伏板与蓄电池之间设置有DC-DC斩波电路：所述DC-DC斩波电路将太阳能光伏电池板产生的电能电压值调整到适应蓄电池或用于负载的电压值。传感器单元采集车载空调的温度信息、光强度信息和每个时刻的太阳光入射角信息。车载温控单元接收所述传感器单元传送的数据信息对汽车内的温度进行实时调节和控制。
所述车载温控单元包括控制电路、制冷驱动电路和制冷装置，所述控制电路与所述制冷驱动电路相连接，所述制冷驱动电路与所述制冷装置相连接。
所述传感器单元包括温度传感器、光强传感器和太阳入射角跟踪测量仪。
光强传感器接受光强表达式为：
IDV＝IDNcosi
其中，IDV为太阳辐射直射强度,IDN为太阳光垂直入射的表面所受光强，i为某点与垂直方向的夹角；除此之外，传感器接受到的光强强度还包括一些太阳光辐射强度，包括地面太阳光辐射强度以及天空漫反射的辐射强度。
所述太阳入射角跟踪测量仪检测每个时刻的太阳光入射角信息，所述车载温控单元接收太阳入射角跟踪测量仪检测到的太阳光入射角绘制出太阳入射角随时间变化对的α-t曲线，根据该曲线的斜率k值判断是哪个时刻，并将该斜率k输入至制冷驱动电路，所述制冷驱动电路调节空调制冷的控制参数。太阳入射角跟踪测量仪可以采用TBQ-2SD型太阳入射角跟踪测量仪，根据实时检测得到的数据传送至车载温控单元的控制电路的处理器内绘制出太阳入射角随时间变化对的α-t曲线，根据该曲线可以得出时间正处于正午时分或是傍晚时刻。根据α-t图像可以计算出任何时刻对应的斜率k，将该斜率k引入到最后调节空调制冷的一个参数，与车内温度和车外光强一起控制空调制冷量。即若在这段时间内太阳入射角角度呈上升趋势，暗示车外温度会逐渐升高，则斜率k为正值，在原本制冷条件下会加入该正值比例的制冷强度，使车内加速降温；反之，若太阳光入射角角度呈下降趋势，暗示车外温度会逐渐降低，则k为负值，这个会使空调制冷低于原本制冷条件，使空调减速运行，达到最大程度的节约能量，达到节能减排的目的；
进一步的，如图5-图7所示，车载智能温控系统对车体内的温度进行控制时分以下情况：
①车内温度不断升高，车外光强不断增强，太阳光入射角不断增大，这个符合基本要求，空调以最大制冷量开始制冷；
②车内温度不断升高，车外光强不断减小，太阳光入射角不断增大，这个说明时间是越来越往正午靠近，车外温度理论上是越来越高，但是因为车外传感器检测光强不断地变小，所以说明这个时候车应该是停在了阴凉处遮蔽了太阳光，这个时候空调以基本制冷量开始制冷；
③车内温度不断减小，车外光强不断增强，太阳光入射角不断减小，这个说明时间是越来越往傍晚靠近，车外温度理论上是越来越低，但是因为车外传感器检测光强不断地增强，所以说明这个时候车体应该是从阳光遮蔽处转移到了阳光接收处，这个时候空调以稍小制冷量开始制冷；
④车内温度不断减小，车外光强不断减小，太阳光入射角不断减小，这个符合基本要求，空调以最小制冷量开始制冷。
在此环节中，经过步骤4，斜率k这一数据传给到自动温控系统后，计算得到空调开始制冷量为
Q＝Q0+ρ(ΔI+kβ)D/λ
其中，Q表示最终空调负荷量，Q0表示原档位所需的空调负荷量，D表示单位光强升高对空调负荷量的要求，β表示太阳光入射角的变化率对于光强的影响。通过对外部环境实时光强的监测可以提前对外部环境温度升高或降低有一个预判，并将其作为一个因子加入到空调负荷量的计算当中，做到对温度调节的精准以及对储存能量的环保利用。
进一步的，在考虑空调制冷强度时需要将室内温度与车外光强综合考虑，这里设定一个综合温度T。综合温度表达式如下：
T＝T0+ρI/λ
其中，T0为温度传感器检测到的车内的温度，ρ为汽车表面对太阳光辐射的吸收能力，λ为车体外表面对流换热系数。
对于车体内空调最适宜的温度TZ，可按照以下计算公式计算：
TZ＝20+0.5×(T-20)
进一步的，制冷装置在对车载内的空调进行控制时采用如下方式：设定在最适宜温度上下2℃之内都属于最佳温度，若综合温度T在最佳温度-T1内，则自动温控系统调用换气稳定温度的档位；若综合温度T在T1-T2之间，空调采用制热一档；若综合温度T在T2-T3之间，空调采用制热二档；若综合温度T低于T3，空调采用制热三档；若综合温度T在TZ-T4之间，空调采用制冷一档；若综合温度T在T4-T5之间，空调采用制热二档；若综合温度T高于T5，空调采用制热三档；一旦综合温度从某一档位降低或者上升至下一档位，则空调负荷也随之改变到本档位对应的负荷状态。
在此环节中，TZ、T1、T2、T3、T4、T5为生产时根据各地区实际情况决定。实施例：本车载智能温控系统工作流程如下：
步骤:1：将太阳能光伏电池板平铺在车顶篷上，使其受光面积尽量大，将光伏板输出电压通过导线接出接至DC-DC斩波电路；
如图4所示，DC-DC斩波电路的Buck电路由开关S、电感L、续流二极管D、滤波电容C等组成，当开开关闭时，电源U0通过开关S、电感L给负载Ui供电，并将部分电将部分电能感L以及电容C中。由于电感L的自感，在开关接通后，电流增大缓慢，即输出电压不能马上达到电源U0电压值。一定时间后,开关断开，由于电感L的自感作用，将保持电路中的电流不变，电流流过负载U，经过续流二极管D，返回电感L的左端，从而形成了一个回路。通过控制开关S断开和闭合时间(即PWM——脉冲宽冲宽度)。就可以控制输出电压。将Buck型降压电路应用于太阳能充电控制器时。用IRF9540N场效应管Q1和Q2代替此处的开关s0。单片机输出PWM波来控制Q1和Q2。由此，通过调节负载两端的电压改变太阳能电池充电电压以及电流，实现太阳能电池的最大功率点跟踪型。
将MPPT太阳能控制器与光伏板相接
为了实现最大功率点跟踪的目标，太阳能充电控制系统采用了干扰观测法来实现，这种方法是在一定的周期内改变太阳能电池输出电压，通过前一个太阳能电池输出功率值与后一个的输出功率值大小比较，最终在最大功率点处保持稳定。由于此方法简单，只要测量电流和电压两个参数，虽然系统输出的功率在最大功率的两侧有振荡现象，会损失部分功率，但还是因为方便实现，而使得其应用范围广。
其特点为：MPPT太阳能控制器具有对蓄电池组过充过放保护的功能，并且对整个系统有一定的电气保护作用；除此之外，MPPT太阳能控制器能够通过对太阳能光伏板到蓄电池组传输电能的功率的调节使得光伏板达到最大功率，达到充分利用光能的作用；
步骤3：将从DC-DC斩波电路引出的电压分成两条电路，一条接至蓄电池，一条与负载相接；
蓄电池在此采用斩波式PWM充电原理。检测蓄电池的充电端电压，将检测得到的蓄电池端电压，与给定点电压比较，若小于给定电压，斩波器全通，迅速给蓄电池充电；当蓄电池的电压大于给定电压，则根据比例调整功率管的占空比，充电进入慢充阶段，改善充电特性，防止过充。
其特点为：两条电路的优先程度为：先满足负载所需电量，如果当太阳光较为强烈时候，即光伏板转化的电能满足负载所需时，将所剩电能充入蓄电池组中，否则只为负载供电；
步骤4：将传感器单元与车载温控单元的微型控制器相接，获取采集信息，计算α-t图像的斜率k,将该斜率k引入到最后调节空调制冷的一个参数，与车内温度和车外光强一起控制空调制冷量。即若在这段时间内太阳入射角角度呈上升趋势，暗示车外温度会逐渐升高，则斜率k为正值，在原本制冷条件下会加入该正值比例的制冷强度，使车内加速降温；反之，若太阳光入射角角度呈下降趋势，暗示车外温度会逐渐降低，则k为负值，这个会使空调制冷低于原本制冷条件，使空调减速运行，达到最大程度的节约能量，达到节能减排的目的。
温度传感器安装在车内，用于监测车内温度变化，同时也将温度数据T0传入微型控制器中作为一个空调制冷强度的参数。
在考虑空调制冷强度时需要将室内温度与车外光强综合考虑，这里设定一个综合温度T。
对于车体内空调最适宜的温度TZ，可按照以下计算公式：
TZ＝20+0.5×(T-20)
步骤5：将一块LCD液晶显示屏与温度传感器与微型控制器接口相连，将车内温度实时显示出来，同时将空调工作状态显示出来，即是在制冷还是制热；
步骤6：将自动温控系统与空调部分相连，根据之前综合温度以及最适宜温度可以通过自动温控系统调节空调负荷。
如图3所示为充电控制电路的硬件设计原理。其中微控制器采用的是U9-STC12C5A60S2单片机，使用A/D模块采样太阳能电池阵列的输出电流、输出电压和蓄电池的充电电压、充电电流继而调节PWM占空比，最终实现蓄电池的过充、过放保护和光伏电池的最大功率输出。控制电路的控制效果取决于电压和电流的测量精度。电压传感器选择采用霍尔电压传感器为CHV-25P型电压传感器，其原边与副边电路之间是电绝缘的。电流传感器选择采用的电流传感器型号为CNB-100S/100A型电流传感器，其原边与副边电路之间也是电绝缘的。
如图6所示，其中车载温控单元的微型控制器采用单片U9-STC12C5A60S2。其中I/O口P1.0太阳能电池电压采样信号输入口，P1.1为蓄电池电压采样信号输入口，P1.2为整个系统充电电流采样信号输入口，P1.3为PWM的输出口，P0.4为环境温度采集输入口，P2.0～P2.7为显示模块数据输出口，P1.5～P1.7的CAN总线通信的SPI接口，P3.0～P3.1为串行通信接口，XTAL1和XTAL2为外部晶振输入口，外接11.0592MHz的晶振。RST口为复位电路接口
利用温度传感器可随时检测车内温度及车外环境温度的变化，并把检测到的信号送至空调系统的CPU。空调系统的CPU按程序对信号进行处理，并通过执行器不断地对出风温度、工作模式及压缩机速度等工作状况等进行控制，从而使车内温度保特在驾驶员设定值上。本系统的硬件电路组成部分如图8所示，即太阳能电池组充电控制模块，电动压缩机驱动控制模块，温度采集模块，键盘模块，ICD显示模块，CAN总线模块。
如图8所示，温度采集模块采用DS18b20温度传感器，实时温度显示在液晶上，单线数字温度传感器DS18b20可把温度信号直接转换成串行数字信号供微处理器处理。此控制系统使用了两个独立的DS18b20.分别接U9-STC12C5A60S2的两个V0口上，分别检测车内温度和车外光强转化得到的附加温度。键盘模块采用独立按键，使用常开触点开关，K1，K2分别用来调节温度的高低，加减温度使用，并且在液晶上显示。K3用来选择送风方式冷风还是热风.SW1是空调的总开关，用来控制空调系统的所有供电的通断。
CAN总线模块主要完成和主控节点即整车控制器的通信。其次负责对空调控制器的控制和两路温度模拟量的采集以及显示控制，由于空调控制系统的智能节点处理的信息量不是很大，因此，选用通用性较好、开发较灵活的微控制器(MCtU)和独立CAN控制器及CAN总线驱动器方案完成。其中，智能节点中微控制器选用U9-STC12C5A60S2。CAN接口由独立控制SLA1000和CAN总线驱动器PCA82C250组成，JA1000作为微控制器U9-STC12C5A60S2的片外扩展芯片，SJA1000和MCU之间的数据传送通过MCU数据端口P0完成，数据接收信号用中断方式INT可以提高数据处理的实时性.CAN控制器SJA1000是追过总线驱动器PCA82C250连接在物理总线上,PCA82C250可以提供对总线的差动发送的能力和对CAN控制器差动接收的能力。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种车载智能温控系统，其特征在于包括：将表面收集到的太阳能转换为电能的太阳能光伏板，所述太阳能光伏板将收集到的电能储存在蓄电池或为负载供电，所述蓄电池存储或释放光伏电池的剩余电能；
与所述太阳能光伏板相连接通过调节汽车内的电控系统的工作状态控制太阳能光伏板输出最大电能的太阳能控制器，所述太阳能控制器将太阳能光伏板发出的直流电贮存在蓄电池中、对蓄电池进行过充过放保护，
所述太阳能光伏板与蓄电池之间设置有DC-DC斩波电路：所述DC-DC斩波电路将太阳能光伏电池板产生的电能电压值调整到适应蓄电池或用于负载的电压值；
该系统还包括：采集车载空调的温度信息、车体外光强度信息和每个时刻的太阳光入射角信息的传感器单元；
接收所述传感器单元传送的数据信息对汽车内的温度进行实时调节和控制的车载温控单元；
所述车载温控单元包括控制电路、制冷驱动电路和制冷装置，所述控制电路与所述制冷驱动电路相连接，所述制冷驱动电路与所述制冷装置相连接；
所述传感器单元包括温度传感器、光强传感器和太阳入射角跟踪测量仪；
所述太阳入射角跟踪测量仪检测每个时刻的太阳光入射角信息，所述车载温控单元接收太阳入射角跟踪测量仪检测到的太阳光入射角信息后绘制出太阳入射角随时间变化的α-t曲线，根据该曲线的斜率k值判断是哪个时刻，并将该斜率k输入至制冷驱动电路，所述制冷驱动电路调节空调制冷的控制参数；所述车载温控单元接收传感器单元传送的数据信息对车载温度进行调控时：
当车内温度升高，车外光强增强，太阳光入射角增大，该状况符合车内温控要求，空调以最大制冷量开始制冷；
当车内温度升高，车外光强减小，太阳光入射角增大，该状况符合车内温控要求，控制空调以制冷量开始制冷；
当车内温度减小，车外光强增强，太阳光入射角减小，该状况符合车内温控要求控制空调以小制冷量开始制冷；
当车内温度减小，车外光强减小，太阳光入射角减小，该状况符合车内温控要求，控制空调以最小制冷量开始制冷；
在此过程中，所述车载温控单元获取斜率k后采用如下方式计算得到空调开始制冷量
Q＝Q0+ρ(ΔI+kβ)D/λ
其中，Q表示最终空调负荷量，Q0表示原档位所需的空调负荷量，D表示单位光强升高对空调负荷量的影响参数，β表示太阳光入射角的变化率对于光强的影响参数，I表示光强传感器检测到的光强大小，ρ为汽车表面对太阳光辐射的吸收能力，λ为车体外表面对流换热系数。
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