基于帕尔贴元件的货车驾驶室杯座系统设计

王亚娟 谭永奖 伍活旺 韦逸帆

阳江职业技术学院 广东省阳江市 529500

1 引言

随着经济发展的不断加快和产业结构的不断升级，高速公路事业和物联网技术得到了迅速发展，使得高附加值的物流运输行业飞速增长。货车作为物流运输行业发展的重要载体，目前其驾驶舱内未设有饮用水加热及制冷系统，另外由于服务区的距离通常在100KM左右，不能有效满足驾驶员对饮用水的需求。在秋冬两季长途行驶，现有货车驾驶室未设有饮用水加热功能，无法对饮用水进行及时加热，造成货车司机不能及时补充热开水引起身体不适，继而影响驾驶技术状态；在炎热的夏季，尤其是在拥堵路况时，现有货车驾驶室未设有饮用水制冷功能，无法提供冰凉刺激的冷饮，为司机醒脑提神，提高驾驶注意力。

2 结构设计与工作原理

2.1 杯座结构设计

本货车驾驶室杯座加热及制冷系统的设计基于使用方便性理念，进行了结构设计和主要技术指标的制定[1]。该系统由半导体制冷片（帕尔帖元件）、绝缘陶瓷、铝板、杯座、散热系统等构成（如图1所示）。它直接利用帕尔帖元件的制冷技术实现饮用水加热、制冷及恒温三种功能，不同于一般的制冷技术，既无污染，又无噪音，并且支持连续工作；杯座外观尺寸直径为12cm、高为10cm；基本上可以满足货车司机日常对饮用水的个性化需求[2]。

2.2 帕尔贴元件制冷原理

帕尔贴元件由两片陶瓷片和夹于其间的N型和P型半导体材料组成，通上12V的直流电后，N型和P型半导体之间产生“帕尔贴效应”实现对饮用水进行制冷；改变其电流方向，就可以实现对饮用水进行加热；通过工作电流大小的改变，实现不同速率的加热与制冷[3]。

当帕尔贴元件上方开启制冷模式时，下方就会产生热量。在驾驶室杯座上应用时，为了提高加热或制冷片的工作效率，需要在帕尔贴元件正下方增加散热装置，比如散热风扇；另外需要在中控台两侧开辟出相应的通风孔，对帕尔贴元件进行强制性散热，从而提高加热或制冷效果。

图1 货车驾驶室杯座结构图

2.3 控制系统设计

ECU(单片机)作为主控制器，可以为帕尔贴元件提供12V直流电，通过电流方向的改变，实现饮用水的加热或制冷；接受温度传感器采集的饮用水温度信号，进行分析判断；为执行器尤其是散热装置提供信号，对帕尔贴元件进行散热。

通过按键可设置饮用水目标温度，设定后进入相应的控制模式，LED温度显示屏可实时显示目标温度数值、实际温度数值及达到目标温度所需要的时长。ECU根据温度传感器采集的饮用水温度信号，对比测量水温与目标水温，做出判断分析，从而控制帕尔贴元件进行水温调节。当饮用水的温度低于目标温度，启动加热控制模式；当饮用水的温度达到目标温度后，启动恒温控制模式；当饮用水的温度高于目标温度后，启动制冷控制模式[3]。具体控制系统设计如图2所示。

图2 货车驾驶室杯座控制系统设计

3 软件系统设计

通过按键设定目标温度，启动系统调温模式，杯座对饮用水的温度调节到目标温度后，进入恒温控制，并在LED显示出饮用水实际温度。软件总体设计流程如图3所示。

图3 软件系统设计流程图

4 结论

本货车驾驶室杯座设计采用ECU作为主控制器，使用帕尔贴作为加热或制冷核心元件，在其外添加装强制散热装置，有效减小其冷热端温差。ECU通过温度传感器采集的饮用水温度信号，对帕尔贴元件进行控制，实现加热、制冷或者恒温三种控制模式。该系统操作简单方便，在一定程度上有效提高货车驾驶员的舒适性。