原创 新能源汽车半导体空调辅助系统设计

引言

从绿色低碳到可持续发展目前，低碳生活已成为各地的共同追求，新能源汽车成为我国发展的重点方向。

新能源汽车空调系统的工作原理也成为研究者关注的热点之一。

新能源汽车空调系统的工作由动力电池替代发动机，在新能源汽车使用空调时影响其动力性与续航里程，为提高整车续航及动力性，专家设计并搭建光伏发电供半导体制冷系统与压缩机空调联合使用，并通过仿真模拟与实验验证了这一设计方案的可行性，为为电动车空调方案提供参考。

此外，国内外学者在光伏半导体制冷方面都做了不少研究与实验，半导体空调辅助制冷联合压缩机工作，克服了制冷片易受环境因素变化的困难，提高制冷效果的稳定性，也提高了汽车的续航和动力性，同时又减少了环境污染，实现节能环保。

总之，半导体片的制冷的原理与性能提升是一个多层面、多方面的研究领域。

本文从半导体片制冷的效果与制冷特点，与新能源汽车原有空调系统联合使用，设计搭建光伏发电供半导体车用空调，并提高新能源汽车在使用空调时的续航里程与动力性。

做到合理利用资源的同时又做好环境保护。

光伏发电及空调制冷原理的研究

首先，我们来谈谈光伏发电板的发电原理。太阳能电池的发电原理是利用光入射于半导体时引起的光电效应，光伏电池的基本特性和二极管相似，利用太阳能转化为电能的一种技术。

其次，我们来谈谈半导体的制冷原理。主要利用的是帕耳帖效应，所谓的帕耳帖效应是指当有电流通过不同的导体组成的回路时，除产生不可逆的焦耳热外，在不同导体的接头处随着电流方向的不同会分别出现吸热、放热现象。

最后我们来谈谈新能源汽车空调的制冷原理。其原理是压缩机将从蒸发器出来的低温低压制冷剂压缩成高温高压的过热蒸气，过热蒸气从压缩机出来后进入冷凝器。

本质上是通过多个阀的组合控制，切换冷媒的流动方向，使冷凝器和蒸发器的角色不断的互换，同时配合电动压缩机从而达到制冷制热的效果。

例如，把制冷剂压缩成液体，同时通过外机散热。然后到房间挂机，管路突然变大，液体制冷剂汽化，同时吸热，吹出来冷风。

光伏半导体空调实验平台组成与设备选型

新能源汽车空调辅助系统实验平台主要由光伏电池板、太阳能控制器、蓄电池、半导体制冷片、温度测量仪和汽车空间模型组成。

日照时，太阳能控制器可以把它上面的太阳光能转化为电能，为空调系统提供必要的能量来源。

实验平台设备选型根据制冷控件冷负荷的计算评估，制冷空间从30C降到20C的冷负荷为102W，根据预估冷负荷与当地的光照强度情况以及实验用电量需求得到的制冷元件的选型如下：

半导体制冷片的参数为最大温差电流选8A,最大温差电压选15.4V，最大制冷功率为74W，结构尺寸长宽高都为4mm。

光伏半导体空调系统与压缩机空调结合设计

现有的汽车空调制冷主要是通过压缩机来实现的，空调压缩机中采用的冷媒多为R12、R22等氟利昂类制冷剂，这些冷媒对臭氧层具有严重的破坏性，不利于环境的保护。

汽车发动机熄火时，车内空调压缩机同时停止工作。在夏季或者天气炎热的季节，汽车停放在路边时由于空气不流通，导致汽车内部的温度急剧上升。

如果此时保持汽车空调运作，需要保持发动机运转，带动车内空调压缩机继续工作，则增加油耗，不利于节能减排。

为了减缓新能源汽车使用电动压缩机空调对续航里程的消耗, 以及电动压缩机空调制冷剂的对环境的危害，专家将半导体制冷装置引入新能源汽车车内。

半导体制冷制热装置通常由多块热电堆或制冷单元组成,其中冷端装有散热装置。需要制冷时，冷端置于室内吸热，以达到降低温度制冷的目的，可通过改变电源的正、负极来改变通过热电堆的电流方向。

半导体制冷片的制冷控制方式是电流控制，可以实现高精度的温度控制。只要加个适当的温度测量单元和控制芯片，便可以很容易实现高精度温度测量和自动或手动控制系统。

新能源汽车传统空调半导体制冷辅助系统包括控制器、温度传感器、半导体制冷装置、汽车蓄电池、太阳能蓄电池、光伏板、电动压缩机、蒸发器、冷凝器、变频器出风口。

车厢内设置的温度传感器由PLC控制，其作用是判断在电动压缩机工作时车内温度是否为人体舒适温度。

通常半导体制冷器的尺寸较小，制冷的响应速度非常快，在通常情况下，通过几十秒，制冷段可以及时体现温度测量和自动或手动控制系统的反应动作效率。

如果车内温度下降为人体舒适温度，则电动压缩机停止工作，半导体制冷辅助系统开始工作，实时控制，保持温度恒定。若高于人体舒适温度，则半导体制冷辅助系统停止工作，电动压缩机空调开始工作。

半导体制冷辅助系统打开后除了通过PLC判断温度是否为人体舒适温度外，同时判断光伏板上的光照强度，来决定是否需要给汽车蓄电池充电，当电流不足时则启动汽车蓄电池进行供电。

在组合框体的外周、半导体制冷片的制冷端和导热端上分别开设有风口，用于冷风和热风的循环进入组合框体内，也可以将组合框体的两端设置成镂空，实现风循环。

太阳能半导体空调辅助系统性能测试

新能源汽车用电动空压机组作为新能源汽车以气制动、气囊升降、气压开关车门的气源，是电动汽车的核心部件之一。

目前大多数的新能源汽车，如电动重卡、电动客车、电动物流车、电动洗扫车等新能源汽车车以气制动的车，都没有发动机，采用气压制动系统及气动门控系统，都需要空气压缩机提供气源。

首先，我们来看看新能源汽车压缩机空调耗能测试过程与结果。实验通过测试开启新能源汽车压缩机空调实际的消耗里程数与仪表盘所示中得到续航里程等数据。

测试过程中，环境温度测得 28C，开启汽车电源，汽车 档位至P档，车速为 0km/h，将空调 A/C 打开，空调温度调至最低，测试三种不同风速档位下，空调使用的消耗续航里程数。

测试一共花了4个小时，得出了以下结论。在不同档位出风速度、相同出风温度下消耗的里程数，开空调后每小时平均消耗续航数为6- 8km。

其次，我们来看看半导体空调辅助系统测试的过程与结果。测试过程中首先将光伏发电半导体空调辅助系统组装连接，设备都连接好后，测试环境温度为 28C，测试环境温度相对稳定，保证整个系统置于室内。

接着在模拟车内空间里放置半导体空调辅助系统，在半导体空调出风口与车内空间分别放置温度测量仪器。接入半导体空调辅助系统工作，为了保证出风温度的稳定性，经过10分钟的时间出风温度稳定后，测试能维持车内温度的时间。

测试结果表明，在辅助系统 运行 20min 后温度开始升高，若对驾驶人员局部降温，半导体空调辅助系统可一直代替新能源汽车压缩机空调使用，若对车内温度整体降温，在空调辅助系统工作 20min 后，压缩机空调需要开启。

总之，通过测试得出：在 1h 内，开启压缩机空调消耗里程数在 6- 8km，若考虑车内整体温度舒适性，在 20min 中后，开启压缩机空调，在 1h 时间内，节省续航 2- 3km，节约的续航里程占比为 33%- 37.5%。

结语

半导体制冷技术自出现以来在高精度电子加工、医疗器械、精密样品箱等高技术领域得到了广泛应用。太阳能半导体空调具有节能、无噪音等优点，可以满足人类的共同需要。

此前,由于光电效率、制冷性能等方面的制约,其在汽车空调领域的应用相对较少,但随着半导体技术的不断发展,半导体制冷技术在汽车空调领域的应用成为一种新的发展趋势。

事实上,此控制系统不仅可以应用在空调上，也可以应用在温室大棚、粮食储藏以及其他温度控制方面，所以具有一定的推广价值。

综上所述，新能源汽车半导体空调辅助系统具有重要的理论和应用价值，是当前研究热点之一。

未来将会有更多的研究工作在这个领域展开，为新能源汽车与绿色节能等领域的发展做出更大的贡献。

参考文献

基于 TEC 的太阳能汽车空调辅助系统研究 作者:王晓斐.

微型电动汽车半导体空调的设计及性能研究 作者:甘荟华.

太阳能半导体制冷系统实验平台的设计与研究 作者:李国超.