10.16638/jki.1671-7988.2019.11.042
丁同辉，刘超*，崔雪山，程豹
（青岛黄海学院，山东青岛266427）
摘要：利用太阳能电池板进行发电，把天窗设计为太阳能电池板天窗，所发的电给汽车蓄电池进行充电，在车顶还有设计备用紧急电源，打开此应用开关该系统会自动检测温度，并会传给自动控制系统，然后由自动控制系统发送信号来自动调节车内的温度。
关键词：太阳能电池板天窗；紧急电源；自动控制
中图分类号：U463.9 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2019)11-130-04
Automotive solar sunroof automatic air conditioning technology design*
Ding Tonghui, Liu Chao*, Cui Xueshan, Cheng Bao
（Qingdao Huanghai University, Shandong Qingdao 266427 )
Absrtact: Solar panels are used to generate electricity, and the skylight is designed as a solar panels skylight. The electricity generated is charged to the car battery, and a standby emergency power supply is designed on the roof of the car. Opening this application switch system will automatically detect the temperature and transmit it to the automatic control system. Then the automatic control system sends a signal to automatically adjust the temperature in the car.
Keywords: solar panel skylight; emergency power supply; automatic control
CLC NO.: U463.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2019)11-130-04
前言
在时代进步经济快速发展的时代，能源短缺给我们的经济发展带来了巨大的困境，人们不断开发新能源来解决世界能源短缺的尴尬局面，太阳能成为当前新能源方向的追求，并逐渐在汽车领域得到广泛应用。之前人们注重汽车的性能、外观，现在内部的舒适性也成为人们重视关注的一个对象，无论是夏天还是冬天或冷或热时人们都会打开空调，但是当人不在车内时车内的温度就无法自动调节，尤其是夏天车内温度一般达到40多度，汽车内的温度及其炎热，使人无法忍受，因此，汽车太阳能天窗自动空调技术成为当前研究的方向。
1 汽车太阳能天窗自动空调系统概述
该系统与以往的汽车空调系统相比，该系统设计有着很大的优势，是一个节能环保项目，完全由太阳能发电来供用车内空调的运转，做到了零污染。在夏天、冬天为刚进入汽车的乘客营造一个舒适的环境，解决了夏天以及冬天车内环境的闷热和寒冷问题，展现了较好的实用价值。太阳能天窗自动空调系统的设计，主要针对汽车在夏天或冬天时，实现对停放汽车内部温度环境的自动调节，使乘客在刚进入汽车中可以有一个舒适的环境。主要的优点有：
（1）该设计是与汽车自带蓄电池相连，还有紧急备用电源，当汽车蓄电池没电时，可以启用紧急电源，从而避免因电量不足而无法启动，还可以将多余的电量为蓄电池充电存储。
作者简介：丁同辉（1997-），就读于青岛黄海学院，研究方向：汽车的设计与改造。*通讯作者：刘超（1986.09-），就职于青岛黄海学院，研究方向：汽车发动机振动和设计。*项目来源：大学生创新训练项目－汽车太阳能天窗自动空调技术。
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丁同辉 等：汽车太阳能天窗自动空调技术设计
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（2）能够准确的控制车内温度，并且可以保持一个舒适的温度。
（3）合理的利用太阳能实现环保无污染的系统设计。 该系统的整体示意图如图1所示。
图1 系统整体示意图
由图可以看出，汽车太阳能自动天窗空调技术主要分为温度检测系统、自动控制系统、空调执行系统和天窗太阳能板四大部分组成。该技术路线大体工作路线是由温度检测系统检测车内温度的高低，然后根据检测到温度的高低通过温度传感器传入自动控制系统，温度的调节由自动控制系统发号施令给空调，可以通过LED 显示器显示空调温度来调节车内温度。而空调需要的电源是根据太阳能电池板吸收的电量，储存到蓄电池内，再由蓄电池带动空调。
2 系统主要结构组成
2.1 温度检测模块
温度检测系统就是能检测车内的温度的舒适性，能否达到人们所感觉到的舒适温度，根据检测出来的温度高低信号改变成电信号，并传入控制系统根据汽车内温度的高低来进行调节来达到车内舒适的温度。
该系统采用的是DS18B20温度传感器来进行检测系统，然后利用数码管把检测到的电信号通过信号转换，转换为数字来供驾驶员观看，DS18B20温度传感器主要特点：
（1）电压运用的范围变大，如果电压变大时，需要靠蓄电池进行供电；
（2）有独特的链接方式，与连接器连接时只需要一条线； （3）DS18B20支持多点组网功能，可以多个DS18B20连接到一条线上，实现多个点测温；
（4）所适用的温度较大在－50℃～+130℃，在-15～+85℃时精度为±0.5℃。
其工作原理如图2所示。
图中的低温系数晶振所震动的快慢与温度的高低没有很大的关系。当产生震动时，把震动所产生的振动信号传给计数器A 。高温度系数晶振是根据温度的高低所随着改变的，其中振动的快慢也随之发生变化，所产生的振动信号传给计数器B ，把计数器A 和温度储存器分别调到一个数值。当系统工作时，低温度系数晶振产生的振动信号减去计数器A 的震动信号，当低温系数晶振减计数器A 数值为0时，温度储
存器数字加一，计数器A 的温度数字重新回到原来设定的数值，计数器A 根据低温系数晶振所产生的震动信号重新进行计算。当计数器B 的数值减到0时，温度储存器数值停止变化，此时温度储存器显示
的温度就是检测后得到的结果。
图2 温度传感器运行示意图
2.2 空调执行模块
目前太阳能空调一共分为两种形式：一种是用太阳能的光能，把光能转换为电能；另一种是把太阳能的热能转换为电能。但这两种的制冷方式都有体积大、运行方式复杂、安装不便、易结晶等缺点。所以我们现在很多汽车制冷的方式改为了半导体制冷的方式，它还有热电制冷，温差制冷称呼。这些半导体采用的是由硅原子组成的，正电荷为硅原子，在硅原子的旁边有四个负电荷，因为负电荷的性能不易稳定，所以容易与正电荷综合，综合后的半导体为P 型半导体。给半导体掺入磷原子后，因为磷原子比硅原子多一个电子所以磷原子比较活跃，所以就构成了N 型半导体。半导体用到的原件称为热电偶，也就是把P 型半导体和N 型半导体相连成为一个热偶，当接通电源时N 型半导体内的电流流向P 型半导体内的这个过程，称为降温过程，当P 型半导体内的电流流向N 型半导体内，这个过程称为放热过程。当把若干个热电偶连接到一起时，构成一个大面积制冷放热的功能，还可以保持一个恒定的温度。
当半导体制冷时会产生大量的热量，这些热量若不及时散开就会对半导体有损害，减少半导体的使用寿命，所以需要一个散热装置给半导体进行散热。把风扇至于半导体下方，当半导体过热时风扇将开
启风扇，风扇所需要的电由蓄电池供给。
2.3 太阳能储能设模块
太阳能电池组大致分为三种：单晶硅专率高，转化率可达到17%~24%，寿命较长但造价比较昂贵；多硅晶片转化率在15%左右本钱较低，但寿命不长；非晶硅转换率只能达到10%转化率较，制作简单造价低但不稳定，所以从性价比上看还是应该选用单晶硅。所以选用120w 半柔性太阳能组件，因采用美国sunpower 的太阳能电池片转化率可达到22.5%，并培养稳压器和二极管，防止产生蓄电池内的电流流向太阳能
汽车实用技术
132 电池板内，该电池板具有板片薄、质量轻、易安装等特点，工作温度范围广在-40℃~+85℃ ，在我国北方部分寒冷地区也可以正常工作。
汽车的车顶是利用120w 半柔性太阳能电池组，所以设计需要用支架来支撑太阳能板，充分利用车顶的空间，使电池组尽可能增大电池组的面积来获得更多的电能。该设计分为三层，上层的设计是由六个支架把太阳能电池板支撑起来，支架用螺栓与下层底板连接，因电池组非常脆弱四周需要加保护装置。在下层主要是底板用来与上层和中层连接，中层用来放置太阳能板，利用现代控制的技术，可以使天窗可以自行开启和关闭，这时需要考虑天窗开启关闭时与车顶的距离，因为太阳能板与普通天窗不一样，需要有安全的一个空间。
太阳能发电系统发电时所用到储存电量的电池储存量都很大，通过小电流进行放电和用小电流进行充电这样可以使蓄电池的寿命延长，以便于在蓄电池损坏时对蓄电池维修拆装带来不便。所以与蓄电池相比之下还是选择胶体铅酸电池。
太阳能电池板相连接的蓄电池，一部分是太阳能电池板与汽车本身自带的蓄电池相连接；另一部分把胶体蓄电池放置于车顶的后方，与太阳能电池板相连，当汽车发生故障时集体蓄电池做紧急备用电源。
3 系统自动控制原理及过程
控制系统就是把所有的系统合为一个整体由自动控制系统进行控制各系统的运行，空调自动控制系统能随时检测车内的温度，并对检测到的温度信号自动传输到空调自动控制系统，然后对温度传感器检测到的温度信号进行数据的处理和转化，以LED 的形式显示到显示器上，根据设置的温度进行处理是否达到了设定的温度。自动控制系统主要是对太阳能充电控制和空调运行控制。 3.1 温度检测系统原理及过程
汽车太阳能天窗自动空调的温度检测原理如图3所示。 温度自动调节系统主要包括车内温度和湿度的一个调节，还有汽车内的空气循环，可以使汽车内部空气尽量保持新鲜，通过空气的进出，来调节车内的温度和湿度。驾驶员可以通过观看汽车上显示器，来判断温度的高低，通过温度调节装置来进行对车内温度控制的一个设定，使空调可以自动启动，并按照DS18B20温度传感器检测的温度信号，进行对车内的温度调节，使汽车内达到一个舒适的温度。
该系统的基本工作原理就是：当司机打开开关时，由DS18B20温度传感器检测到的温度信号，然后把检测的数据进行处理转化，由LED 显示器显示出来，当检测出来的温度超过所设定的温度，再由温度调节系统在进行调节再由DS18B20温度传感器检测，直到调制到预想的温度为止。
图3 温度检测流程图
3.2 充电系统原理及控制过程
充电控制器主要是对铅酸蓄电池充电时开关的控制，而空调系统的自行启动是由空调控制系统完成的。自动控制器选用STC12C5A60S2单片机进行编程，脚图如图4所示。
图4 STC12C5A60S2单片机
充电控制器是根据STC12C5A60S2单片机设计的编程来对蓄电池的充电放电进行控制，当太阳能板利用光伏发电通过线路给蓄电池进行充电，蓄电池充电充满时与蓄电池相连的线路断开，太阳能电池组给应急胶体电池进行充电，当应急电池也充满时线路自动关闭太阳能板停止工作。充电保护是防止电流反向充电，当光线变弱时或到夜晚时，电池组的电压可能会小于蓄电池电压，所以利用二极管单项导电性，把正向接在太阳能电池板上的正极的接口处，就可以避免蓄电池反向充电。
3.3 空调自动调节系统原理及过程
空调运行控制器就是对温度传感器检测到的温度进行分析，是否达到了驾驶，根据调查人体舒适的温度大概在25℃左右，当下车时所设定的温度，空调开启时温差控制在设定温度与实际温度相差1℃—3℃，当温度与相设定的温度相差小于3℃时，控制系统运行程序自动结束空调不会运行，当温度与相设定的温度相差大于3℃时，制动控制将自行启动，先是由温度检测系统检测到的 （下转第141页）
王宜时：基于热管改良的汽车电机散热效果研究
141
2）改善电机端部绕组的散热状况，降低电机的最高温度，本文所设计的改良电机，在电机额定工况下，当电机各部分温度达到平衡时，电机的最高温度可以降低11.71℃。
3）减缓电机的温升速率，提高电机抗温度扰动的能力。 4）降低对冷却液流量的需求。传统水冷电机和利用热管改良后的电机，在相同工况下，具有相同的平衡温度时，利用热管改良的电机对冷却液流量的需求更小，同时抗温度扰动的能力更强。
综上所述，利用热管对传统水冷电机的散热系统进行改良，可以提升电机的散热效果。本研究可为汽车电机散热系统提供新的设计思路。
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（上接第132页）
温度信号进行转换，转换为数据传递到控制系统，由TC12C5A 60S2单片机进行处理，自动控制系统发送电信号传递到空调的执行系统中来控制空调的开启，实现驾驶员不在车内时空调系统也能自行运转，流程如图5所示。
图5 自动空调工作流程图
4 结论
汽车太阳能天窗自动空调技术无论从环保还是对新能源应用都是具有创新性的，该设计具有创新性，符合了汽车行业的发展，具有很大的潜在价值。主要结论如下：
（1）该设计采用半导体来进行对车内温度的制冷和采暖，还具有安装方便、对汽车不需要大面积改装、无污染环保等，汽车内部可以实现快速降温的功能。
（2）太阳能板的设计为三层伸缩式设计，合理的利用了汽车顶部的空间，增加了储存电池，增加了散热风扇来给空调散热，减小了空调的热负荷。
汽车天窗（3）由STC12C5A60S2单片机为控制系统，实现无人也能自动开关的模式和蓄电池充电安全性能提高。
（4）采用了120w 半柔性太阳能组件转换率在22.5%左右，较好的提成了新能源的利用率。
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