基于模糊控制技术的汽车空调半导体制冷片送风控制系统研究

Posted 2022-04-27 studyer_domi

摘要：针对现有汽车空调的一些不足之处，利用半导体制冷片工作原理，在原有汽车空调制冷系统的基础上，对汽车空调送风系统进行了改进，旨在解决夏天刚启动空调不能快速制冷和制冷量供应不及时，且空调制冷必须启动汽车发动机才能制冷的缺点。汽车空调半导体制冷片送风控制系统采用模糊控制策略，经过系统设计，并使用matlab/simulink软件模拟不同季节环境且进行仿真，实测试结果表明，基于半导体制冷片技术的汽车空调制冷鼓风机总成及送风系统工作可靠，控制方便，汽车负荷量未增加，制冷效果优于原车。

普通汽车空调系统由以制冷剂为介质的制冷系统、发动机冷却液温度为供暖源的供暖系统、送风系统和空气净化装置及控制系统等组成。主要工作过程为，驾驶员启动后，压缩机工作，使制冷剂在的中循环，由压缩机将制冷剂压缩成高温高压的制冷剂气体后经管路流，在冷凝器内完成散热、降温，经节流，变成低温低压的液态制冷剂进入蒸发器。在蒸发器处，将车内鼓风机吹来的车内空气内温度降低，吹出冷风，产生制冷效果，制冷剂本身因吸收了热量而蒸发成低温低压的气态制冷剂经管路被压缩机吸入，进行压缩，进入下一个循环。只要压缩机连续工作，制冷剂就在空调系统中连续循环，产生制冷效果；压缩机不工作，空调系统内不产生制冷效果。 因此，夏天刚启动空调时，由于制冷剂循环和车内热量过大，汽车空调不能快速制冷。汽车必须启动发动机才能制冷。

    汽车空调送风系统结构如图1所示。新鲜空气+车内空气通过风机、蒸发器，一部分空气从蒸发器出来后再经加热器加热，然后与从蒸发器直接过来的冷气混合，达到车内设定的温度，最后从各出风口送出，以满足车内乘客的舒适性要求。

1-内循环/外循环风门；2-温度风门；3-加热器；4除霜风门；5-脚/面部风门；6-蒸发器；7-鼓风机；A--新鲜空气入口；B-车内空气入口；C-除霜出口；D-侧风出口；E-面部出风口；F-脚部出风口

图1汽车空调原送风系统结构示意图

2 半导体制冷片制冷效率计算［1］

    半导体致冷应用1834年发现的尔帖效应的原理，半导体内部有上百对对N型和P型的半导体材料（碲化铋）粒子，这个半导体元件在电路上是用串联形式连接组成.当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成电偶对，在这个电路中接通一个直流电源后，就能发生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸引热量，成为冷端；这就是冰包内部的制冷铝，电流由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端。所以半导体就会有一面冷一面热，半导体制冷片它要制冷，就必须要将热排走，否则就会低消制冷的效果。所以热端就要加散热铝和风扇来帮助散热[2]。

此时半导体制冷片的产冷量为:

                                      (1)

式中:为半导体制冷片产冷量，KW；为温差电动势率，V/K；I为工作电流,A；G为热电偶热导，W/K；传递温差；I为半导体制冷片的电流；R为热电偶电阻。

    单片制冷片TEC-12706在实际工作状态下制冷堆的输入功率比最大功率(36 W)小,为56%～ 60%,而实际产冷量只有最大产冷量(72W)的32%。单片制冷片TEC-12706在实际工作状态下制冷堆为54W，最大制冷温度为60度[3]。

    一个 P 型和 N 型半导体制冷元件与连接片串联起来，组成的制冷单元称为单级热电堆。但是由于单个制冷电偶的制冷效率比较低，如果把电偶进行串联或并联起来组成多级热电堆，这样就会增大制冷温差，所以制冷效率将会大大提高。可以采用多级半导体制冷，提高制冷效果。

3 送风系统改进及试验情况

3.1送风系统改进

在图1中面部出风口处内E加设一套半导体制冷片装置，经过蒸发器后的车内空气，经由半导体制冷片后，吹往车内，通过对送风口的制冷元件电源的控制，实现车内温度正常后，调节汽车空调制冷效果。 如图2年示，将4个制冷片环形安装鼓风机送风口处的通风管道上，每个制冷片单独设计一个电源控制电路，根据驾驶需要控制鼓风机旁的制冷片通电，从而实现鼓风机所吹出的风为自然风和冷风。

 

1-出风口；2-螺栓；3-复合制冷片；4-硬质隔热板；5-散热风扇；6-散热器

图2改进后的出风口结构示意图

4. 出风口系统热力学模型的建立

    原车空调的工作情况与车外温度、换气温度、太阳辐射、车身导热、人体散热和车内电器元件散热，主要是车内空气与蒸发器和加热器、制冷片之间的热交换。同时,还应该考虑车内不同区域之间的热量传递。其它方面传入的热量,如发动机室内传入的热量和其它仪器、设备的发热量相对而言对车内的温度影响较小,基本可以忽略。

根据热力学第一定律可以得到车内左温区单位时间内其热力学公式为：

∆Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6 + Qs                                                        （2）

式中：∆Q单位时间内车内左温区热量的变化，单位KW；Q1单位时间内制冷系统与加热系统给车内左温区带入的热量，单位KW；Q2单位时间内太阳辐射传给车内左温区的热量，单位KW；Q3单位时间内车内左温区换气新风带入的热量，单位KW；Q4单位时间内车身壁面传给汽车左温区的热量，单位KW；Q5单位时间内车内左温区人体散出的热量，单位KW；Q6 单位时间内车内右温区传入的热量，单位KW；

           ∆T=a1v(Tf-TC)+a2I+a3n(To-Tc)+a4+a5n+a6(TCC-TC)+Qs                      (3)

    式中：∆T车内温度变化率,单位 °Ｃ；v风机风速，约为0-3.6m/s；Tf左温区出风口空气温度,单位°Ｃ；I太阳辐射强度,约为0-1KW/m2；nL车内左温区的乘客数,TO车外温度,单位°Ｃ；TCC为乘客侧实际温度,单位°Ｃ。

式中，a1=1.56×10-2M-1,a2=6.47×102m2·℃/kJ,a3=2.66×s-1,a4=2.42×10-3S-1,a5=6.5×10-3s-1。

5出风口半导体制冷器模糊控制器设计及仿真研究

  5.1出风口半导体制冷器模糊控制器设计及仿真研究[5][6][7]

    半导体制冷器的电流的大小关系到车内制冷的快慢，电流越大，制冷效果就越好，车内温度就越容易达到设定值。因此选择出风口设定温度与实际温度的偏差e以及偏差变化率ec为模糊控制器的输入,输出为半导体制冷器的电流Current。电流的范围为                    设计为0-5档。设模糊语言变量E，EC的论域-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4，CURRENT的论域为0,1,2,3,4,5，选取E，EC的模糊子集为NB,NS,ZE,PS,PB,CURRENT的模糊子集为ZE,PZ,PS,PM,PB。电流CURRENT的各模糊子集ZE,PZ,PS,PM,PB的含义为无电流,电流极小,电流小,电流中和电流大。隶属度函数仍采用三角形函数,如图和所示。

表1   半导体制冷片的电流模糊控制规则表

 CURRENT                          E

                      NB      NS      ZE    PS      PB

              NB      PB      PM     PS     PZ      ZE

              NS      PB      PM     PS     PZ      ZE

   EC         ZE      PM     PM     PS     PZ      ZE

              PS      PM      PS     PS     PZ      ZE

              PB      PM      PS     PS     PZ      ZE

 6结论

    因受到制冷片工作效率、可靠性、耐久性和制冷效果、汽车空调风道安装位置的限制、安装成本、控制电路 等复杂原因，需对本系统进一步的研究。

clc
close all
clear

ext_tem = 35;%外界温度
want_tep = 20;%期望达到的温度
n = 1000;%发动机转速
speed = 60;%车速60km/h
%数据来自半导体制冷箱实验研究与性能分析_赵福云
alpha = 0.053;%温差电动势率
R = 2.48;%热电偶电阻
G = 0.53;%热电偶热导

sim('Automobile_Environment_simulation.mdl')
temperature = yout(:,6);%车内温度变化情况
figure(1)
plot(tout,temperature)
xlabel 时间/s
ylabel 温度
t_end = tout(end);
disp('没有二极管的时候达到设定温度的时间')
disp(t_end)

sim('Automobile_Environment_simulation_semicondu.mdl')
temperature = yout(:,6);%车内温度变化情况
figure(2)
plot(tout,temperature)
xlabel 时间/s
ylabel 温度
t_end = tout(end);
disp('有二极管的时候达到设定温度的时间')
disp(t_end)

sim('Automobile_Environment_simulation_fuzzy.mdl')
temperature = yout(:,6);%车内温度变化情况
figure(3)
plot(tout,temperature)
xlabel 时间/s
ylabel 温度
t_end = tout(end);
disp('Fuzzy控制有二极管的时候达到设定温度的时间')
disp(t_end)

 

 

 

 参考文献：

MATLAB_SIMULINK在空调系统中的应用_闵剑青.caj
半导体制冷技术以及发展前景_范玉斐.caj
半导体制冷效率及空间冷量传递特性试验研究_简弃非.caj
半导体制冷空调器设计的关键技术分析_唐亚林.caj
半导体制冷箱实验研究与性能分析_赵福云.caj
太阳能半导体制冷器在卡车驾驶室内的应用研究_华舟萍.caj
汽车多温区建模和控制方法的研究_李卓.caj
汽车电动空调系统的研究与仿真_刘建飞.caj
汽车电动空调系统的研究与仿真_赵丹平.caj
电动观光汽车太阳能发电空调座椅系统研究_王伟.caj