基于PID的车用小型制冷制热装置设计

欧艳华

（柳州职业技术学院，广西 柳州 545006）

1 前言

车载制冷和制热装置已经有成熟的应用产品。从实现技术上来分析，车用制冷和制热装置在实现原理上主要分为：基于传统压缩机的车载冰箱、基于半导体制冷和制热原理的车载冰箱以及利用保温材料实现的车载保温箱。其中基于传统压缩机原理的制冷冰箱体积相对较大，其工作原理是利用压缩机实现制冷目的的，这种制冷方式不适合用于小型车辆上的车载冰箱。基于半导体制冷和制热原理实现的冰箱是目前小型车辆上的制冷冰箱的主要方式，而采用保温材料实现的车载保温箱不具备主动制冷和制热的能力，仅仅是依靠保温材料来降低热量传导的能力，使得保温箱内的热量与外界环境尽可能少的进行交换。

虽然目前采用半导体制冷技术是实现车载小型制冷装置的主流方式。但是，随着能源越来越紧张，对于车用小型制冷装置的工作效率成为人们越来越关注的问题。本文设计的小型车载制冷制热装置要解决的问题是将充分利用车上现有的能源，尽可能提高能源的利用率，以达到在满足用户制冷制热的需求下以达到节能的目的。

2 装置设计

目前车用小型制冷制热装置一般是采用基于半导体热电制冷制热的原理实现制冷和制热的目的。然而目前传统的车

用小型制冷制热装置中利用热电原理实现制热，虽然能够实现对制热箱内温度的提高，但是汽车在行驶过程中，发动机本身会产生大量的热量，这些热量绝大多数被当作废热给释放掉了。当汽车在行驶过程中，启动车用制热装置则无形当中增加了汽车能源的负荷，而且没有充分将汽车自身所具有的热能利用起来。另一方面，但从传统的半导体制冷装置中，一旦启动半导体制冷，则系统一直处于工作状态，并不会根据制冷箱当前的温度自动的调节制冷的输出功率，从而导致制冷过程中能源的浪费比较明显。

图1 车用小型制冷制热装置结构图

本文设计的车用小型制冷制热装置（如图1所示），车用小型制冷制热装置由制热箱、制冷箱两部分所组成，制热箱依靠汽车行驶过程中发动机的热量来实现制热的目的；制冷箱通过半导体制冷芯片实现制冷的目的，制冷过程利用微处理器以及 PID控制原理提高制冷过程的效率。制冷箱采用发动机产生的热量作为热源，其特征是由发动机水暖系统和热交换器组成对发动机热源的采集循环系统，将制冷箱中的空气循环流经热交换器，实现对制热箱中空气温度的改变，将发动机产生的废热传递至制热箱中。制冷箱采用半导体制冷芯片实现制冷的目的，所选用的半导体制冷芯片的型号为TEC1-12710，半导体制冷芯片的热端和冷端分别安装风扇，将热端和冷端的能源以空气对流的形式快速地向制热箱或制冷箱中传递。半导体制冷循环系统采用微控制器实现精确控制，其特征是由温度传感器对制冷箱中的温度实施测量，并将测量的结果送至微控制器，由微控制器执行PID控制算法，实现对半导体制冷芯片输入电流的调节。对制冷箱中温度测量的传感器使用四个温度传感器分别对制冷箱内部的温度进行测量，温度传感器的型号为DS18B20。微控制器采用型号为AtXmega128A1，微控制器连接着四个温度传感器以及制冷工作模式控制开关，同时微控制器的输出连接电源调节模块。微控制器内部设计PID控制模块，通过PID控制算法，实现由制冷箱内部当前采集的温度作为输入量，实现对电源调节模块的输出电流的自动调节过程。在对制冷箱半导体制冷芯片输入电源进行调节时，其电源调节模块的输入端为车载12V标准电源，并使用车用标准插头连接至车内 12V电源的输出端。导体制冷箱为制冷箱和制热箱分别由两层材料组成，内层为真空隔热层，外层为聚氨酯保温层，最外层是加固层，使用金属材料。

3 工作原理

PID（比例（proportion）、积分（integral）、微分（derivative））控制器作为最早实用化的控制器，诞生于已有70多年历史，发展速度迅速，目前仍然还广泛应用于工业控制器。它控制器简单易懂，不需精确的系统模型作为先决条件，是目前最为广泛应用的控制器。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的 PID控制器产品，各大公司均开发了具有 PID参数自整定功能的智能调节器 (intelligent regulator），其中 PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用 PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现 PID控制功能的可编程控制器(PLC），还有可实现PID控制的PC系统等等。本文基于PID控制器的制冷制热装置的的工作原理如图2所示。

图2 PID控制器设计结构

车用小型制冷制热装置在制热过程中将发动机产生的热量通过水暖系统以及热交换器将热量传递至制热箱中。当发动机产生的热量不能够满足制热箱要求的制热需求时，再启动半导体制热系统对制热箱中的温度进行升温。当用户需要使用制冷箱是，在半导体制冷循环系统中增加基于微控制器和 PID控制原理的制冷量调节系统，根据制冷箱内部当前的温度自动调节半导体制冷芯片的输出电流，使得制冷箱的能源消耗尽可能处于最科学的状态，以提高能源的利用率。图1中将车用小型制冷制热装置分为两部分：上半部分为制热箱，下半部分是制冷箱。其中制热箱和制冷箱之间放置了半导体制冷芯片，在半导体制冷芯片两端分别安装了散热和散冷风扇，使得半导体制冷芯片在工作过程中产生的热量以及能量能够通过风扇及时地传递至制热箱或制冷箱内部。在制热箱里面安装了两个循环风口，分别连接至热交换器。热交换器通过水冷系统与发电机形成一个循环系统，能够将发动机运行过程中产生的热量传递至制热箱中。制冷箱内部安装了四个温度测量探头监测制冷箱内部当前的温度。通过采集到的温度送入微控制器中，由微控制器根据制冷箱中当前的实际温度以及制冷的目的对制冷箱的输入电源进行动态调节，实现对半导体制芯片制冷量的调节，使得制冷箱在工作过程中尽量减少多余能量的消耗，其中可调电源的输入端采用车载标准的12V电源。

4 车用制冷制热装置的工作过程

下面结合小型车用制冷制热装置的工作方式进一步阐述本文设计的制冷制热装置结构特征与其工作过程步骤如下。

（1）车用小型制冷制热装置启动后，当用户需要进行制热的需求时，制热箱的热交换输入输出风口分别打开，而通过从发动机工作过程中产生的热量经过水暖系统热交换器将热量以热风的形式输入至制热箱中，并在制热箱内部形成循环，提高制热箱内部的温度。如果用户对当前制热箱中的温度不够满意，此时可以启动半导体制热系统，通过对半导体制冷芯片施加特定方向的电流使得半导体制冷芯片往制热箱内输出热能，提高制热箱的温度。当用户需要使用制冷功能时，由用户设定制冷箱的制冷强度，制冷强度可分为高中低三个档，对应不同温度的设定。

（2）制冷箱温度调节范围为5℃～65℃，其中制冷模式设为高表示制冷的目标温度为5℃，制冷模式设为中，表示制冷的目标温度为15℃，制冷模式设为低，表示此时制冷目标温度为25℃。制冷箱通过温度传感器对制冷箱内部的温度进行采样，获取的温度信息送至微处理器中，由微处理器根据当前采样得到的温度值以及制冷模式设定的目标温度。

（3）通过PID软件模块对可调电源进行控制，调节可调电源的输出电流值，使得半导体制冷芯片以不同的功率工作，实现制冷箱内部温度的动态调节。在制冷箱整个工作过程当中，温度传感器将定期地对制冷箱内部温度进行测量，并启动微处理器中的 PID功能模块定期地调整半导体制冷芯片的工作电流，确保制冷箱内部的制冷量与实际要求尽可能地一致，提高制冷循环系统的能源利用效率。

5 总结

本文所设计的车用小型制冷制热装置由制冷子箱和制热箱两个箱体共同组成，其中制热箱采用汽车发动机行驶过程中产生的热量作为热源，当汽车发动机产生的热源不够时，再以半导体制冷芯片作为热源，而制冷箱则完全通过半导体制冷芯片实现制冷的目的。车用小型制冷制热装置制热部分主要采用发动机产生的热量来实现制热的目的，不消耗额外的能量，降低了制冷制热装置的能源消耗。采用基于微处理器及 PID控制原理来提高制冷箱的制冷效率，提高了能源的利用率。

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