基于太阳能的车载温度控制系统开发

基于太阳能的车载温度控制系统开发　李玲赖序年吴超　（上海汽车集团股份有限公司新能源汽车事业部，上海２０１８０４）　【摘要】　提出将太阳能应用于车载温度控制系统。在车载温度控制系统中，太阳能电池安装于汽车车　顶，吸收太阳能，给车载蓄电池充电；蓄电池给车载降温元件提供能量，从而实现汽车换气降温及制冷。设计了　车载温度控制系统及其控制策略，以指导降温元件的运转状态。针对不同的车载温度工况，车载温度控制系统　能够自动调节降温元件的运行，具有较好的经济性和适应性。最后，通过试验对设计的控制策略进行了验证。　【Ａｂｓｔｒａｃｔ】　Ｓｏｌａｒ　ｅｎｅｒｇｙ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｔｏ　ｕｓｅ　ｉｎ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏ１．Ｓｏｌａｒ　ｂａｔｔｅｒｙ　ｉｓ　ｍｏｕｎｔｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｏｏｆ　ｏｆ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ａｎｄ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｅｎｅｒｇｙ　ｔｏ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｂａｔｔｅｒｙ，ｔｈｅｎ　ｔｏ　ｅｘｅｃｕｔｉｖｅ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ，ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｉｓ　ｄｅ－　ｓｉｇｎｅｄ　ｔｏ　ｇｕｉｄｅ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ　ａｄｊｕｓｔ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ａｃ—　ｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ａｎｄ　ｆｌｅｘｉｂｌｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｖｅ—　ｈｉｃｌｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ　ａｒｅ　ｖａｌｉｄａｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｅｓｔ．　【关键词】太阳能温度控制系统控制策略汽车　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７－４５５４．２０１２．０２．０８　０　引言　１　车载温度控制设计　继“节能减排”和“低碳”提出以来，国内外诸　１．１　车载温度控制系统结构设计　多企业和研究机构纷纷致力于新型能源的开发和　．　图１所示为车载温度控制系统的物理结构　利用。太阳能由于其成本低、资源广，被广泛应用　图。车载温度控制系统主要包括电池系统、信号　于工业领域中。太阳能电池已被应用到汽车领　采集及控制系统、换气系统、制冷系统。继电器１　域，作为汽车电器的辅助能源。目前，仅少量中高　控制太阳能电池给蓄电池充电。继电器２控制制　档汽车采用太阳能电池供电。　冷系统的运行。　本文提出将太阳能用于车载温度控制，并开　电池系统包括太阳能电池板、光伏控制器、继　发其控制策略，实现汽车换气降温及半导体辅助　电器１、１２　Ｖ蓄电池。太阳能电池板将太阳能转化　制冷。同时，模拟车载温度控制系统，进行相关测　为电能，并给１２　Ｖ蓄电池充电。当ｌ２　Ｖ蓄电池电　试，为太阳能技术在新能源汽车上的应用做基础　压低于１３　Ｖ时，继电器１闭合。在光伏控制器、功　研究和经验积累。　’　能控制器的作用下，太阳能电池给蓄电池充电。　收稿日期：２０１ｉ一１２—１２　・３０・　上海汽车２０１２．０２　——工作电流方向　・一控制信号流方向　图１　车载温度控制系统物理结构图　当１２　Ｖ蓄电池电压高于１３　Ｖ时，继电器１断开。　在光伏控制器、功能控制器的作用下，太阳能电池　停止给蓄电池充电。　图２车载温度控制系统功能图　信号采集及控制系统包括功能控制器、温度　气扇电路同时接通，车内进行弱换气降温。　采集单元、电压及电流采集单元。信号采集单元　（５）车内温度　＞　≥ｒ３时，半导体制冷模块　采集车内温度、车外温度、太阳能电池电压、蓄电　电路接通，车内进行制冷降温。　池电压、管路电流等信号，传送给功能控制器。功　（６）车内温度Ｔ＜　时，鼓风机、排气扇、半导　能控制器处理信号后，发送出控制信号到换气系　体制冷模块均停止工作。换气降温系统进人待命　统和半导体制冷系统。　状态。　换气系统主要包括排气扇、鼓风机。制冷系　其中，控制温度的设定值可以根据实际运行　统主要是半导体制冷。对于排风扇和半导体制　效果进行适当调整。　冷，其状态只有工作和关闭。对于鼓风机，在不同　的温度工况下，功能控制器能自动调节其工作状　２　功能控制器的控制策略设计　态。　１．２车载温度控制系统功能设计　图３所示为车载温度控制策略设计图。车载　图２所示为车载温度控制系统功能图。其　温度控制策略的目的是将车内温度控制在　范　中，　为车载乘员舱内温度，　为车载乘员舱内高　围内。控制策略的实现以功能控制器为载体。功　温，　为车载乘员舱内中温，　为中温温度缓冲　能控制器采集太阳能电池电压、蓄电池电压、车内　区域下限（　一　约３℃），单位为℃；Ｕ为蓄电　外温度、管路电流，经过逻辑运算后，向继电器１、　池电压，单位为Ｖ。控制系统主要实现如下功能：　继电器２、鼓风机、排风扇发送控制信号。其中，控　（１）太阳能电池板对蓄电池常态充电，并对蓄　制器向继电器１、继电器２发送布尔型的断开或闭　电池进行过充、过放保护。　合信号，向排风扇发送布尔型的关闭或开启信号，　（２）系统开关关闭，换气系统不通电。系统开　向鼓风机发送脉宽调制型的转速信号。　关开启，换气系统进入待命状态，控制器开始实时　２．１蓄电池低能量模式　检测车内温度。　如图３左边支路所示，当蓄电池电压低于　（３）车内温度　≥Ｔ　时，鼓风机２档和排气扇　ｌ２　Ｖ时，其能量不足以给鼓风机、排风扇供电。此　电路同时接通，鼓风机从前部向车内输送外界大　时，控制器向鼓风机、排风扇发送关闭信号，二者　气，排气扇从后部将车内高温气体抽出，车内开始　不工作；向继电器２发送断开信号，半导体制冷不　强换气降温。　工作；向继电器１发送闭合信号，太阳能电池给蓄　（４）车内温度Ｔ１＞　≥　时，鼓风机２档和排　电池充电，补充能量。　上海汽车２０１２．０２　・３１・　图３车载温度控制策略设计图　２．２蓄电池中能量模式　范围内，控制器向鼓风机、排风扇发送关闭信号，　如图３中间支路所示，当蓄电池电压在１２～　二者不工作；向继电器２发送断开信号，半导体制　１３　Ｖ范围内时，其能量能给鼓风机、排风扇供电。　冷不工作；向继电器１发送闭合信号，太阳能电池　若车内温度小于　，此时车内温度已在温度控制　继续给蓄电池充电，补充能量。　范围内，控制器向鼓风机、排风扇发送关闭信号，　如图３右侧支路所示，若车内温度大于　，此　二者不工作；向继电器２发送断开信号，半导体制　时车内温度超过温度控制范围，须降低车内温度，　冷不工作；向继电器１发送闭合信号，太阳能电池　控制器向鼓风机、排风扇发送开启信号，二者工　继续给蓄电池充电，补充能量。　作；向继电器２发送闭合信号，半导体制冷工作；　如图３中间支路所示，若车内温度大于　，此　向继电器１发送闭合信号，太阳能电池继续给蓄　时车内温度超过温度控制范围，须降低车内温度，　电池充电，补充能量。在这个过程中，当蓄电池电　控制器向鼓风机、排风扇发送开启信号，二者工　压小于１２．７　Ｖ时，系统跳出循环，重新做判断，车　作；向继电器２发送断开信号，半导体制冷不工　内温度降低至　后，系统重新做判断。　作；向继电器１发送闭合信号，，太阳能电池继续给　２．４蓄电池保护模式　蓄电池充电，补充能量。在这个过程中，为了使电　当蓄电池的电压过低，小于１１．７　Ｖ时，蓄电池　压和温度的变化有一个缓冲过程，给电压设置缓　不给排风扇、鼓风机、半导体制冷系统提供能量，防　冲范围为０．３　Ｖ，温度缓冲范围为３　ｃＩ＝。当蓄电池　止电压过低。当蓄电池电压过高，大于１３．３　Ｖ时，太　电压不在１２—１３　Ｖ时，系统跳出循环，重新做判　阳能电池停止给蓄电池供电，以防止电压过高。　断；车内温度降低至　后，系统重新做判断。　２．３蓄电池高能量模式　３　实验与分析　如图３右侧支路所示，当蓄电池电压大于　１３　Ｖ时，其能量充足，能给鼓风机、排风扇供电。　图４所示为车载温度控制系统实验平台。车　若车内温度小于　，此时车内温度已在温度控制　载温度控制策略快速原型开发完成并下载到控制　・３２・　上海汽车２０１２．０２　器内，标定Ｔ】＝５０℃，　＝，４５　ｏＣ，　＝４２　ｏＣ，同时　完成样车的装配，进行测试。利用ＣＡＮａｌｙｚｅｒ工具　接通车辆诊断口实时监控和记录动力系统ＣＡＮ　网络信息，同时利用硬件平台自身的标定工具监　控和标定功能控制器内部变量，验证和优化控制　策略功能。实验结果如表１所示。　．实验结果表明，当样车车内温度在设定范围　内时，换气及制冷系统都不工作；当车内温度超过　设定范围时，针对不同的车载温度工况，车载温度　控制系统能自动调节换气系统及制冷系统的工作　状态，将温度调到设定范围内。　４　结语　本文提出的车载温度控制系统及其策略能够　有效地保证鼓风机、排风扇、半导体制冷３大关键　部件的运行可靠，实现车内温度控制Ｏ针对车内　温度不同工况，车载温度控制系统能够自动调节　降温元件，进一步提高其经济性；另外，能根据系　原　图４车载温度控制系统实验平台　表１实验及结果　实验环境　实验操作　实验结果．　统实际的运行效果，对其控制策略参数进行标定　优化，进一步提高其适应性。　参考文献　［１］　何彬，窦国伟．插电式燃料电池轿车整车控制策略研究　［Ｊ］．上海汽车，２００９（２）：２－６．　环境温度３０℃；样车曝　风扇不开，鼓风机　车内温度在４２℃　晒至车内温度达４０℃　不开，半导体不开　以内　环境温度７８℃；样车曝　风扇开，鼓风机开　车内温度能稳定　晒至车内温度达９５℃　１０％，半导体未开　在４２℃以内　外界温度７６℃；样车曝　风扇开。鼓风机开　车内温度能稳定　晒至车内温度达１０１℃　１０％，半导体开　在４２℃以内　［２］ＬＩＮ　Ｃ　Ｃ，ＰＥＮＧ　Ｈ，ＧＲＩＺＺＬＥ　Ｊ　Ｗ．Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｄｅｖｅ１．　ｏｐｍｅｎｔ　ｆｏｒ　ａｎ　ａｄｖａｎｃｅｄ－・ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｍｅｄｉｕｍ－・ｄｕｔｙ　ｈｙｂｒｉｄ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｔｒｕｃｋ　［Ｊ］．ＳＡＥ　ｐａｐｅｒ２００３－０１－３３６９，２００３．　［３］　万仁君．电动汽车分布式控制系统的总线调度与整车　控制策略的研究［Ｄ］．天津：天津大学，２００４．　外界温度７６℃；样车曝　风扇开，鼓风机开　车内温度能稳定　晒至车内温度达１１０℃　２０％，半导体开　在４２℃以内　［４］万刚．中国电动汽车的现状和发展［Ｊ］．中国环保产业，　２００３（２）．　（上接第２６页）　．　可以看出：随着尾翼高度的增加，风阻系数先减　少，后增加，后升力不断减少，前升力有所增加，增　加的趋势比较缓慢。　参考文献　［１］　王福军．计算流体动力学分析：ＣＦＤ软件原理与应用　（３）风洞试验结果验证了模拟的准确性，以后　的开发过程中，在一定的情况下，可以先进行模拟　计算，分析讨论方案的效果，最后选取结果比较好　的进行风洞试验，可以减少开发成本，提高开发的　效率。　［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００４．　［２］付强．轿车尾翼间隙和攻角的数值风洞研究［Ｄ］．吉　林：吉林大学，２００７．　［３］ＳＣＨＥＮＫＥＬ，Ｆ．Ｋ．．ｒＩ１｝ｌｅ　Ｏｒｉｎｇｉｎ　ｏｆ　Ｄｒａｇ　ａｎｄ　Ｌｉｆｔ　Ｒｅｄｕｃ—　ｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｓ　ｗｉｔｈ　Ｆｒｏｎｔ　ａｎｄ　Ｒｅａｒ　Ｓｐｏｉｌｅｒ［Ｊ］，ＳＡＥ　Ｐａｐｅｒ　７７０３８９．　上海汽车２０１２．０２　・３３・