車載智能通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫源遠(yuǎn)

摘 要：汽車在夏天露天放置時，太陽暴曬，會造成密閉車輛內(nèi)部溫度不斷升高，車內(nèi)揮發(fā)有害氣體積累濃度逐漸增加，對駕駛者健康造成危害。同時，使車內(nèi)高溫環(huán)境降低到環(huán)境溫度，也浪費(fèi)很多能源。本設(shè)計(jì)是針對該種情況，利用車輛自身的通風(fēng)系統(tǒng)，由薄膜太陽能電池和儲電部分提供能量，由溫控系統(tǒng)控制風(fēng)扇開啟，打破車輛的密閉環(huán)境，車輛內(nèi)部和大氣進(jìn)行氣體交換，達(dá)到降低溫度和有害氣體濃度的目的。

關(guān)鍵詞：車輛通風(fēng)；智能；降溫；柔性光伏電池

轎車進(jìn)入千家萬戶，但是由于城市設(shè)施建設(shè)不配套，大部分車輛沒有車庫，只能露天停放。在炎熱的夏天，太陽底下曬上一段時間，因?yàn)槭且粋€密閉的環(huán)境，車內(nèi)溫度可高達(dá)70攝氏度，會釋放有害氣體，威脅人的健康。每次開車是都要先通風(fēng)，再開空調(diào)，很久才能降到適宜的溫度，不僅浪費(fèi)能源，還對健康有害。

其實(shí)只要打破車空間的密閉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)空氣對流，就能解決這個問題。可利用車載智能通風(fēng)系統(tǒng)，在汽車停放于露天環(huán)境時，太陽暴曬車內(nèi)溫度升高時，通過這套系統(tǒng)使車內(nèi)空氣與大氣交換，達(dá)到降低車內(nèi)溫度、有害氣體和細(xì)菌的數(shù)量，改善駕駛環(huán)境的目的。該系統(tǒng)的能量可利用太陽能電池，加儲能和控制電路提供。

一、設(shè)計(jì)方案

整個系統(tǒng)由溫度監(jiān)測系統(tǒng)和供電系統(tǒng)兩部分組成。

智能通風(fēng)系統(tǒng)可實(shí)時對車內(nèi)溫度進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)溫度高于溫度閾值時，系統(tǒng)開始工作排出有害氣體。系統(tǒng)采用光伏電池為主，超級電容為輔的聯(lián)合供電系統(tǒng)，在陽光充足的情況下直接由光伏電池供電，多余電量儲存在超級電容中。當(dāng)陽光不足的情況下，系統(tǒng)可以切換成光伏電池和超級電容聯(lián)合為系統(tǒng)供電，續(xù)航能力強(qiáng)且可以適應(yīng)各種外界環(huán)境。

（一）溫度監(jiān)測系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用熱敏電阻作為溫度探測器。利用熱敏電阻隨著溫度上升，電阻值下降的特性，把普通電阻和熱敏電阻串聯(lián)接在電路中。隨著溫度升高，熱敏電阻下降，熱敏電阻兩端壓降也下降。把該電壓導(dǎo)入用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)的比較器中，并與我們設(shè)定的閾值電壓作比較。當(dāng)熱敏電阻兩端電壓低于設(shè)定的閾值電壓時，比較器輸出信號控制即電器開關(guān)打開，從而讓風(fēng)扇轉(zhuǎn)動。

（二）供電系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)的供電系統(tǒng)采用光伏電池為主，超級電容為輔的聯(lián)合供電系統(tǒng)。選擇柔性光伏電池是因?yàn)楣夥姵貙儆谇鍧嵞茉?，在供能的時候不會對環(huán)境造成污染。同時，柔性光伏電池可以貼在車頂、車前后蓋等位置，方便且不需對車的外殼設(shè)計(jì)進(jìn)行改造。選擇超級電容做儲能器件是因?yàn)槌夒娙莸膲勖L，充放電可以大于50萬次，是鋰電池的500倍。同時，它的工作溫度范圍是-40～+70℃，比常用的鋰電和鎳氫電池溫度范圍廣，可以在各種環(huán)境下使用和保存。

（三）系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

當(dāng)車處于熄火狀態(tài)，倘若陽光充足，光伏電池輸出的電能高，則光伏電池和超級電容并聯(lián)，系統(tǒng)直接由光伏電池供電。多余的電量儲存在超級電容中。倘若陽光不足，光伏電池輸出電能不夠，則光伏電池和超級電容串聯(lián)，聯(lián)合給系統(tǒng)供電。

光伏電池和超級電容的串并聯(lián)由兩個繼電器實(shí)現(xiàn)。監(jiān)測光伏電池的電壓信號與設(shè)定的閾值電壓對比值。當(dāng)光伏電池輸出電壓高或者低于設(shè)定閾值電壓，比較器就會輸出相應(yīng)的信號用以控制繼電器切換串并聯(lián)。

由于超級電容有嚴(yán)格的電壓限制，超過了容易擊穿，損壞電容，所以在光伏電池的輸出加一個直流轉(zhuǎn)直流降壓式變換電路（DC-DC buck電路）模塊。這種電路模塊可以把輸入的直流高電壓轉(zhuǎn)化成設(shè)定的恒定的直流電壓輸出，功率轉(zhuǎn)化率達(dá)95%以上；如果輸入電壓低于恒定電壓，則輸出電壓等效于輸入電壓。用這種電路模塊，可以在陽光較為充足、光伏電池輸出電壓較高的時候，輸出穩(wěn)定在一個不大于超級電容允許的最大電壓的輸出，并且功率損耗還小。同時，在光伏電池的輸出端加一個二極管，防止超級電容電壓倒灌損傷光伏電池。

風(fēng)扇，運(yùn)放的供電和基準(zhǔn)的參考電壓需要穩(wěn)定的供電電壓。在供電系統(tǒng)的輸出端，接一個直流轉(zhuǎn)直流降壓式變換電路（DC-DC buck電路）模塊，使整體系統(tǒng)的供電電壓穩(wěn)定，系統(tǒng)能穩(wěn)定地工作。

在溫度不到閾值溫度的情況下，為了讓光伏電池只工作在給超級電容充電狀態(tài)，用兩個二極管設(shè)計(jì)一個與門電路，一路和測溫的比較器的輸出相連，一路和測量光伏電池輸出的比較器輸出相連。與門電路的輸出連著控制串并聯(lián)的繼電器。如果溫度達(dá)到閾值溫度，且光伏電池電壓低于閾值電壓，門電路輸出信號控制繼電器讓光伏電池和超級電容呈串聯(lián)狀態(tài)。其他情況下，門電路輸出信號控制繼電器讓光伏電池和超級電容呈并聯(lián)狀態(tài)。

系統(tǒng)思維框圖如下圖所示。

（四）主要參數(shù)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)中，法拉電容選用了3000F，2.7V的5節(jié)法拉電容串聯(lián)，變成600F，13.5V。柔性光伏電池選用功率為0.5W，輸出電壓2V的。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)柔性光伏電池8串4并，最大可以輸出16V1A的電能。風(fēng)扇選用的是12V，0.1A的。為了系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，光伏電池的Buck電路模塊輸出12.5V，而供電系統(tǒng)的Buck電路模塊輸出9V。

根據(jù)設(shè)計(jì)方案和參數(shù)，本設(shè)計(jì)的原理圖如下所示：

原理圖中，采用lm358運(yùn)算放大器作為比較器。溫度控制系統(tǒng)如原理圖左邊部分所示。由熱敏電阻上的電壓和可調(diào)電阻R2上的電壓（溫度調(diào)節(jié)閾值電壓）進(jìn)入運(yùn)算放大器做比較，輸出的信號控制NPN三極管導(dǎo)通狀態(tài)進(jìn)而控制繼電器開關(guān)，從而控制風(fēng)扇運(yùn)作。

供電系統(tǒng)在原理圖的右側(cè)。光伏電池的Buck電路模塊的輸出在電阻R12的分壓和可調(diào)電阻R10上的分壓（串并聯(lián)切換閾值電壓）進(jìn)入運(yùn)算放大器做比較，輸出串并聯(lián)切換信號，和溫控運(yùn)放輸出一起作用于D1和D2組成的與門電路，控制NPN三極管Q2進(jìn)而控制繼電器K2和K3改變串并聯(lián)方式。

二、 模擬實(shí)驗(yàn)

模擬實(shí)驗(yàn)中，由于天氣變量不好控制，所以用直流穩(wěn)壓源代替光伏電池的輸出。下圖兩個電路就是溫度監(jiān)控和供電系統(tǒng)。按照上述原理圖連完電路后，用手捏住熱敏電阻加溫到閾值溫度，風(fēng)扇轉(zhuǎn)動。由于直流穩(wěn)壓源（模擬光伏電池）輸出電壓達(dá)不到閾值電壓，所以供電系統(tǒng)串聯(lián)（下圖就是供電系統(tǒng)串聯(lián)的時候的系統(tǒng)工作狀態(tài)），直流穩(wěn)壓源輸出0.1A電流。圖中萬用表用于檢測法拉電容的電壓。

當(dāng)升高直流穩(wěn)壓源（模擬光伏電池），使其輸出電壓超過閾值電壓。此時供電電路處于并聯(lián)狀態(tài)。供電電源在供電給風(fēng)扇在轉(zhuǎn)動的同時，還給法拉電容充電，所以輸出電流達(dá)到0.82A。下圖就是供電系統(tǒng)并聯(lián)的時候的系統(tǒng)工作狀態(tài)。

其他模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下，當(dāng)風(fēng)扇不轉(zhuǎn)的時候，直流穩(wěn)壓源（模擬光伏電池）只給法拉電容充電。當(dāng)法拉電容的電壓高于供電電源電壓時，停止充電。

假設(shè)光伏電池出了開路問題，供電系統(tǒng)則一直處于并聯(lián)狀態(tài)，測溫系統(tǒng)和風(fēng)扇可以直接由超級電容供電，系統(tǒng)仍然可以正常運(yùn)行。

下圖是實(shí)際測試場景。實(shí)際效果和理論與模擬實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。

三、結(jié)論

本車載智能通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了利用柔性太陽能電池、超級電容提供汽車換氣風(fēng)扇的能量供給，通過控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)不同工作情況下，風(fēng)扇供電的模式，使該系統(tǒng)始終在高效模式下運(yùn)行。在高溫超過閾值溫度時，系統(tǒng)自動啟動汽車外循環(huán)風(fēng)扇，排出車內(nèi)的有毒氣體，降低車內(nèi)溫度。

致謝

本研究是在長春理工大學(xué)李野教授的悉心指導(dǎo)下完成的，李教授對實(shí)驗(yàn)實(shí)施和論文撰寫提出了指導(dǎo)性意見并給予了極大的鼓勵，在此表達(dá)深深的謝意！

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