摘要：為提高新能源汽車空調(diào)自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用靈活性與實用性，以太陽能輔助的新能源汽車空調(diào)自動控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計為例進行研究。設(shè)計一種以單片機為核心的控制電路，使用嵌入式C語言為主要編程工具，對現(xiàn)有新能源汽車的空調(diào)自動控制系統(tǒng)進行優(yōu)化，實現(xiàn)對新能源汽車的電源與倉內(nèi)溫度的控制，對所提系統(tǒng)進行仿真應(yīng)用分析。結(jié)果表明，所提系統(tǒng)具有良好的控制性能，在多種環(huán)境下對倉內(nèi)溫度的控制誤差可以維持在0.8 ℃以內(nèi)，由此證明所提系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用靈活性與實用性。

關(guān)鍵詞：太陽能；新能源汽車；空調(diào)自動控制系統(tǒng)

中圖分類號：U469.7 收稿日期：2024-02-18

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.04.021

1 前言

隨著對環(huán)境友好型技術(shù)的需求不斷增加，基于太陽能輔助的新能源汽車空調(diào)自動控制系統(tǒng)成為備受關(guān)注的研究領(lǐng)域。這一系統(tǒng)將太陽能作為主要能源不斷地供給汽車空調(diào)系統(tǒng)，從而減少對傳統(tǒng)能源的依賴，降低對環(huán)境的影響?；谔柲茌o助的新能源汽車空調(diào)自動控制系統(tǒng)旨在實現(xiàn)高效能源利用和舒適的車內(nèi)環(huán)境，為汽車行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了新的解決方案。

2 方案設(shè)計

2.1 設(shè)計目的

隨著新能源汽車的快速發(fā)展和普及，傳統(tǒng)的汽車空調(diào)系統(tǒng)在能耗和環(huán)保方面面臨越來越大的挑戰(zhàn)，需要一個系統(tǒng)可以利用太陽能作為輔助能源，降低對汽車主電池的依賴，延長續(xù)航里程，還能有效減少碳排放，符合當(dāng)前的綠色環(huán)保要求。同時，自動控制系統(tǒng)的設(shè)計使得空調(diào)系統(tǒng)能夠根據(jù)外界環(huán)境變化（如溫度、濕度、太陽輻射強度等）智能調(diào)節(jié)，提升乘車舒適度，比如在陽光充足的情況下，系統(tǒng)能自動增強太陽能的利用率，減少電池消耗；在陰天或夜間，系統(tǒng)則更多依賴車輛自身的能源，此設(shè)計不僅提高能源的利用效率，而且還能根據(jù)實際情況優(yōu)化空調(diào)的運行狀態(tài)，實現(xiàn)節(jié)能與舒適的平衡。另外，這種基于太陽能輔助的新能源汽車空調(diào)自動控制系統(tǒng)的設(shè)計，是對現(xiàn)有汽車空調(diào)系統(tǒng)的一種創(chuàng)新升級，它不僅順應(yīng)了新能源科技的發(fā)展趨勢，也符合現(xiàn)代社會對于節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的需求，具有廣泛的應(yīng)用前景和重要的實用價值。

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計組成及框架

基于太陽能輔助的新能源汽車空調(diào)自動控制系統(tǒng)的總體設(shè)計組成及框架主要包括太陽能收集模塊、能量轉(zhuǎn)換存儲模塊、空調(diào)控制單元、環(huán)境監(jiān)測單元以及用戶界面。

太陽能收集模塊負(fù)責(zé)捕捉太陽能并將其轉(zhuǎn)化為電能，這一過程通過安裝在汽車頂部的太陽能光伏板完成。能量轉(zhuǎn)換存儲模塊則將收集到的太陽能電能轉(zhuǎn)換為適合汽車空調(diào)系統(tǒng)使用的電能形式，并儲存在電池中供空調(diào)系統(tǒng)使用。空調(diào)控制單元是系統(tǒng)的核心，它根據(jù)環(huán)境監(jiān)測單元收集到的數(shù)據(jù)（如車內(nèi)外溫度、濕度、太陽輻射強度等信息）智能調(diào)節(jié)空調(diào)運行狀態(tài)，實現(xiàn)溫度的自動調(diào)控。環(huán)境監(jiān)測單元則是系統(tǒng)感知外界環(huán)境變化的“眼睛”，它的精準(zhǔn)度直接影響到空調(diào)控制單元決策的有效性。最后，用戶界面為駕駛員提供了一個直觀的操作平臺，通過這個平臺，用戶可以查看系統(tǒng)狀態(tài)，手動調(diào)整空調(diào)設(shè)置，或查看太陽能收集情況。

這個設(shè)計框架整體上實現(xiàn)了太陽能與汽車空調(diào)系統(tǒng)的高效結(jié)合，不僅優(yōu)化了能源使用，還提升了用戶體驗，體現(xiàn)了智能化和環(huán)保的設(shè)計理念[1]。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

太陽能輔助的新能源汽車空調(diào)自動控制系統(tǒng)控制模塊如圖1所示。

3.1 電源管理控制器

電源控制器硬件選擇STM-EMC1000，這款電源管理控制器專為與STM32微控制器配合而設(shè)計，其特殊之處在于與STM32兼容的通信接口和驅(qū)動程序，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸和控制。此外，該控制器還采用了高效的能量管理算法，實現(xiàn)了太陽能和電池能量的智能分配，最大程度地提升了系統(tǒng)的能效。同時，電源管理控制器與STM32的兼容性保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，其智能能量管理系統(tǒng)能夠根據(jù)實時數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整能量分配，確?？照{(diào)系統(tǒng)在各種工作環(huán)境下的持續(xù)供電，可有效提高系統(tǒng)性能，而且也會延長電池的使用壽命，為汽車空調(diào)系統(tǒng)的可持續(xù)運行提供保障[2]。

3.2 微機控制器

微機控制器選擇 STM32F4，該微控制器是系統(tǒng)的核心控制單元，具有高性能的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的外設(shè)接口，擁有強大的處理器性能和靈活的外設(shè)支持，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制算法和多種傳感器數(shù)據(jù)的實時處理，并且STM32F4還支持多種通信協(xié)議，能夠與其他硬件模塊無縫連接，實現(xiàn)系統(tǒng)的整合與優(yōu)化。同時，STM32F4微控制器的高性能和靈活性使得系統(tǒng)具備強大的控制能力和響應(yīng)速度，豐富的外設(shè)接口和通信功能為系統(tǒng)的擴展和升級提供了可能，使得系統(tǒng)能夠適應(yīng)不斷變化的環(huán)境和需求。

3.3 電壓信號采集模塊

系統(tǒng)的電壓信號采集模塊選擇STM-VSM200，這款電壓信號采集模塊同樣是專為與STM32微控制器配合而設(shè)計的，其特殊之處在于采用STM32的通信接口和驅(qū)動程序，能夠?qū)崿F(xiàn)與STM32之間穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸和控制。同時，該模塊具有高精度的信號采集和傳輸技術(shù)，能夠準(zhǔn)確地反映太陽能板和汽車電池的電壓情況。除此之外，該硬件還具有高精度的信號采集技術(shù)，可為系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的實時數(shù)據(jù)反饋，使得系統(tǒng)能夠及時調(diào)整能量分配策略[3]。

3.4 蜂鳴器報警

蜂鳴器報警模塊型號BZ-STM32，這款蜂鳴器報警模塊專為與STM32微控制器相配合而設(shè)計，其特殊之處在于具有高音質(zhì)和可調(diào)節(jié)音量的特點，能夠發(fā)出清晰、響亮的報警聲音。此外，該模塊還集成了多種報警模式和靈活的觸發(fā)機制，能夠?qū)崿F(xiàn)多種報警場景的應(yīng)對。蜂鳴器報警模塊的高音質(zhì)和可調(diào)節(jié)音量確保了報警信息的清晰傳達，提高駕駛者對系統(tǒng)狀態(tài)的感知能力，其靈活的報警模式和觸發(fā)機制使得系統(tǒng)能夠及時響應(yīng)各種異常情況，提高了駕駛安全性和系統(tǒng)穩(wěn)定性[4]。

3.5 液晶顯示模塊

液晶顯示模塊型號LCD-STM32，這款液晶顯示模塊是專為與STM32微控制器配合而設(shè)計的高清晰度顯示器，其特殊之處在于具有大屏幕和高分辨率的特點，能夠清晰顯示各種系統(tǒng)參數(shù)和操作界面。此外，該模塊還支持觸摸屏功能和多種顯示模式，提供了用戶友好的操作體驗，液晶顯示模塊的大屏幕和高分辨率確保了信息顯示的清晰度和可讀性，提高駕駛者對系統(tǒng)狀態(tài)的了解。

3.6 傳感器監(jiān)測模塊

傳感器監(jiān)測模塊型號 SM-STM32，這款傳感器監(jiān)測模塊是專為與STM32微控制器配合而設(shè)計的多功能監(jiān)測設(shè)備。該模塊集成多種傳感器接口和高精度的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，能夠?qū)崟r監(jiān)測車內(nèi)外環(huán)境的溫度、濕度、光照等參數(shù)，并且該模塊還具備智能控制算法和自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對空調(diào)系統(tǒng)的精確控制。另外，傳感器監(jiān)測模塊的多功能性和高精度性能為系統(tǒng)提供了豐富的實時數(shù)據(jù)反饋，有利于系統(tǒng)對環(huán)境變化的快速響應(yīng)，其智能控制算法和自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能能夠?qū)崿F(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的智能化控制，有效提高系統(tǒng)的能效和舒適性[5]。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件方面基于STC12C5A60S2微處理器使用嵌入式C語言設(shè)計開發(fā)環(huán)境，構(gòu)建出一系列控制程序，并將控制代碼轉(zhuǎn)換成Hex文檔形式。設(shè)計系統(tǒng)的工作模式簡圖如圖2所示。

在開發(fā)過程中，通過使用STC12C5A60S2微處理器與嵌入式C語言，精心設(shè)計了一套控制算法。隨后，這套算法被編譯成Hex機器碼文件，確保它能夠在搭載MCS-51內(nèi)核的STC12C5A60S2微控制器上順暢運行。系統(tǒng)一經(jīng)啟動，便自動對所有硬件進行全面檢查。電源管理控制器此時承擔(dān)起監(jiān)測電池與太陽能發(fā)電系統(tǒng)電壓及駕駛室內(nèi)溫度的任務(wù)，并將收集到的數(shù)據(jù)展示在顯示屏上。電源管理控制器不僅實時監(jiān)控電池電壓，還依據(jù)當(dāng)前狀況調(diào)整太陽能發(fā)電系統(tǒng)的充電狀態(tài)，一旦檢測到異常，即刻通過蜂鳴器發(fā)出警報。同時，汽車空調(diào)智能調(diào)節(jié)控制器通過CAN總線與空調(diào)系統(tǒng)的控制模塊建立通信，從而控制電池為制冷系統(tǒng)的電動壓縮機供電[6]。

空調(diào)系統(tǒng)的控制模塊根據(jù)接收到的執(zhí)行指令信號，指揮制冷和通風(fēng)系統(tǒng)工作，調(diào)整座艙內(nèi)溫度。此外，溫度傳感器持續(xù)將座艙溫度信息反饋給控制器。依據(jù)這些反饋，控制器向空調(diào)系統(tǒng)發(fā)出精確的調(diào)節(jié)指令，以確保乘客能享受到一個舒適的環(huán)境溫度。這一系列的精確控制和智能調(diào)節(jié)，展現(xiàn)了高度集成化系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的強大能力。

5 仿真應(yīng)用

5.1 環(huán)境搭建

本仿真應(yīng)用旨在模擬基于太陽能輔助的新能源汽車空調(diào)自動控制系統(tǒng)。仿真環(huán)境采用MATLAB/Simulink平臺，結(jié)合STC12C5A60S2微處理器和嵌入式C語言控制算法進行代碼開發(fā)，硬件模擬采用Simulink中的模塊來模擬微控制器的運行，并利用實時仿真功能模擬其與其他硬件組件的交互，如電源管理控制器、溫度傳感器等?？刂扑惴▽崿F(xiàn)則利用Simulink中的嵌入式C語言代碼塊，確保代碼的高效性和準(zhǔn)確性。調(diào)試參數(shù)通過Simulink參數(shù)設(shè)置功能調(diào)整，包括電池電壓、太陽能發(fā)電電壓、駕駛室內(nèi)溫度等，以模擬不同工況下系統(tǒng)的運行情況。仿真數(shù)據(jù)監(jiān)測利用Simulink的數(shù)據(jù)監(jiān)測功能，實時監(jiān)測關(guān)鍵參數(shù)的變化，以便后續(xù)數(shù)據(jù)分析[7]。

5.2 數(shù)據(jù)分析

a.日期/時間戳：記錄數(shù)據(jù)采集的日期和時間。

b.太陽能電池板輸出功率：太陽能電池板所產(chǎn)生的電能功率。參照值：模擬太陽輻射強度下的理論最大功率。

c.電池儲能系統(tǒng)充電狀態(tài)：電池儲能系統(tǒng)當(dāng)前的充電狀態(tài)，以便評估太陽能的收集與利用情況。參照值為電池儲能系統(tǒng)的最大充電容量。

d.車內(nèi)溫度：空調(diào)系統(tǒng)所控制的車內(nèi)溫度。參照值為車內(nèi)設(shè)定溫度。

e.能源利用率：對太陽能輔助系統(tǒng)的能源利用效率進行評估。參照值為理論上太陽能到空調(diào)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率。

f.空調(diào)系統(tǒng)能耗：空調(diào)系統(tǒng)在不同情況下的能耗情況。參照值為實際空調(diào)系統(tǒng)在不同工況下的能耗。

g.環(huán)境溫度：周圍環(huán)境的溫度，影響空調(diào)系統(tǒng)的工作效果。參照值為實際環(huán)境溫度。

系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。由表1中數(shù)據(jù)可知：

a.太陽能電池板輸出功率隨著時間的變化而變化，這反映了系統(tǒng)在不同光照條件下的性能，需要確保實際輸出接近理論最大功率，以驗證太陽能的有效利用程度。

b.電池儲能系統(tǒng)充電狀態(tài)的高低反映了系統(tǒng)中電池的充電情況。高充電狀態(tài)表明太陽能的收集效果良好，而低充電狀態(tài)可能暗示著系統(tǒng)設(shè)計或能量管理方面的問題。需要對比參照值，確保系統(tǒng)在最大充電容量范圍內(nèi)運行。

c.車內(nèi)溫度是空調(diào)系統(tǒng)的核心指標(biāo)。觀察車內(nèi)溫度數(shù)據(jù)，需要確保系統(tǒng)在不同外部溫度和太陽能供能情況下能夠維持穩(wěn)定的車內(nèi)溫度。對比設(shè)定溫度，確保誤差不超過1 ℃，以驗證空調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)度。

d.能源利用率反映了太陽能輔助系統(tǒng)的效率。通過對能源利用率的數(shù)據(jù)進行分析，可以評估系統(tǒng)的整體性能。需要確保能源利用率接近理論最優(yōu)值，以驗證系統(tǒng)設(shè)計的有效性和節(jié)能性。

e.觀察空調(diào)系統(tǒng)在不同情況下的能耗情況可以確定系統(tǒng)的節(jié)能性能。需要對比實際能耗和預(yù)期能耗，確保系統(tǒng)在提供舒適溫度的同時能夠高效利用太陽能，從而減少對傳統(tǒng)能源的依賴[8]。

f.考慮外部環(huán)境對空調(diào)系統(tǒng)的影響也是十分重要的。分析環(huán)境溫度與空調(diào)系統(tǒng)性能的關(guān)系，可以幫助了解系統(tǒng)在不同環(huán)境條件下的工作情況，并可能為系統(tǒng)的優(yōu)化提供一些啟示。

6 結(jié)語

基于太陽能輔助的新能源汽車空調(diào)自動控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用是對可再生能源與汽車技術(shù)融合的重要探索。通過對實驗數(shù)據(jù)的分析與評估，驗證了該系統(tǒng)在節(jié)能減排、穩(wěn)定性和舒適性方面的優(yōu)勢。未來，隨著技術(shù)的不斷進步和應(yīng)用的推廣，這一系統(tǒng)有望在汽車工業(yè)中發(fā)揮更加重要的作用，為構(gòu)建清潔、低碳的移動出行環(huán)境做出更大的貢獻。

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作者簡介：

奚洋，男，1982年生，講師，研究方向為電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、汽車電子技術(shù)。