車載新能源智能空氣循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

長春理工大學(xué) 陳慕奇 朱 賀 李 野

車載新能源智能空氣循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

長春理工大學(xué) 陳慕奇 朱 賀 李 野

本文針對汽車停放在室外時(shí),因陽光暴曬引起的溫度升高,進(jìn)而車內(nèi)有害氣體增多的現(xiàn)象,設(shè)計(jì)一套基于光伏電池和超級(jí)電容為供電系統(tǒng)的智能空氣循環(huán)系統(tǒng)。這是一套獨(dú)立系統(tǒng),可以適用于各類汽車且不用對車進(jìn)行改動(dòng)。同時(shí),供電系統(tǒng)的串并聯(lián)切換設(shè)計(jì)可以讓系統(tǒng)適用性強(qiáng)。系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測車內(nèi)溫度,當(dāng)車內(nèi)溫度過高,則啟動(dòng)安裝在汽車外循環(huán)通風(fēng)口的風(fēng)扇,從而對車內(nèi)空氣進(jìn)行循環(huán),改善車內(nèi)空氣質(zhì)量。

光伏;超級(jí)電容;空氣循環(huán)系統(tǒng)

0.引言

隨著社會(huì)發(fā)展,汽車逐步普及到各個(gè)家庭。它在為人類生活提供舒適和便捷的同時(shí),也給人們的健康帶來一些負(fù)面危害,如車內(nèi)揮發(fā)的有害氣體、滋生的細(xì)菌等對人的影響。汽車在啟動(dòng)狀態(tài)下,由于人為干預(yù),汽車內(nèi)部空氣可以根據(jù)需要不斷調(diào)節(jié),這種負(fù)面影響并不明顯;在熄火無人狀態(tài)下,密閉駕駛室內(nèi)的空氣質(zhì)量會(huì)隨車內(nèi)溫度升高而急劇惡化,從而嚴(yán)重影響駕駛者和乘客健康?；谏鲜隼碛?設(shè)計(jì)智能車內(nèi)空氣循環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)安裝在汽車外循環(huán)通風(fēng)口。在汽車停放于露天環(huán)境時(shí),當(dāng)車內(nèi)溫度升高,能夠通過該系統(tǒng)對車內(nèi)空氣進(jìn)行循環(huán),從而降低車內(nèi)有害氣體和細(xì)菌的數(shù)量,達(dá)到改善駕駛環(huán)境的目的。

1.方案設(shè)計(jì)

整體系統(tǒng)由溫度監(jiān)測系統(tǒng)和供電系統(tǒng)兩部分組成。溫度監(jiān)控系統(tǒng)主要是對車內(nèi)環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。如果環(huán)境溫度高于閾值溫度,則啟動(dòng)風(fēng)扇。供電系統(tǒng)是采用光伏電池為主,超級(jí)電容為輔的聯(lián)合供電系統(tǒng),確保了系統(tǒng)的續(xù)航能力和安全性。

1.1 溫度監(jiān)控系統(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(shí),比較器輸出信號(hào)控制繼電器開關(guān)打開,從而讓風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.2 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(jí)電容為輔的聯(lián)合供電系統(tǒng)。光伏電池屬于清潔能源,在供能的時(shí)候不會(huì)對環(huán)境造成污染。同時(shí),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。

平時(shí)汽車啟動(dòng)時(shí),由于人工干預(yù),車內(nèi)有害氣體含量較低,系統(tǒng)無須工作,此時(shí),光伏電池和超級(jí)電容并聯(lián),光伏電池產(chǎn)生的能量通過超級(jí)電容儲(chǔ)存起來。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(jí)電容并聯(lián),系統(tǒng)直接由光伏電池供電。多余的電量儲(chǔ)存在超級(jí)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(jí)電容串聯(lián),聯(lián)合給系統(tǒng)供電。

1.3 供電系統(tǒng)串并聯(lián)切換設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)串并聯(lián)切換,設(shè)計(jì)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的輸出相連。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,并且光伏電池電壓低于閾值電壓,門電路輸出信號(hào)控制繼電器讓光伏電池和超級(jí)電容呈串聯(lián)狀態(tài)。其他情況下,門電路輸出信號(hào)控制繼電器讓光伏電池和超級(jí)電容呈并聯(lián)狀態(tài)。

2.硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主要參數(shù)設(shè)計(jì)

試驗(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。本試驗(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。未來實(shí)際中,可以根據(jù)需要增加或者減少風(fēng)扇的個(gè)數(shù)和功率。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。

2.2 整體電路設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)方案和參數(shù),本設(shè)計(jì)的原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)

原理圖采用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。由熱敏電阻的上的電壓和可調(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(hào)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)在原理圖右邊。由于超級(jí)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(gè)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;如果輸入電壓低于恒定電壓,則輸出電壓等效于輸入電壓。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)算放大器做比較后,由運(yùn)算放大器輸出串并聯(lián)切換信號(hào),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。

同理,風(fēng)扇、運(yùn)放的供電和基準(zhǔn)的參考電壓也需要穩(wěn)定的供電電壓。所以在供電系統(tǒng)的輸出端,也接一個(gè)直流轉(zhuǎn)直流降壓式變換電路(DC-DC buck電路)模塊,讓整體系統(tǒng)的供電電壓穩(wěn)定,從而使系統(tǒng)能穩(wěn)定正常地工作。

3.模擬實(shí)驗(yàn)

模擬試驗(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。圖2中兩個(gè)電路是溫度監(jiān)控和供電系統(tǒng)。按照原理圖連完電路后,用手捏住熱敏電阻加溫到閾值溫度,風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)。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),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。

圖2 供電系統(tǒng)串聯(lián)的時(shí)候的系統(tǒng)工作狀態(tài)

圖3 是升高直流穩(wěn)壓源(模擬光伏電池),使其輸出電壓超過閾值電壓。此時(shí)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(dòng)的同時(shí),還給法拉電容充電,所以輸出電流達(dá)到0.82A。

圖3 供電系統(tǒng)并聯(lián)的時(shí)候的系統(tǒng)工作狀態(tài)

其他模擬試驗(yàn)結(jié)果如下,當(dāng)風(fēng)扇不轉(zhuǎn)的時(shí)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(shí),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(jí)電容供電,系統(tǒng)仍然可以正常運(yùn)行。

實(shí)際實(shí)驗(yàn)如圖4所示,效果和模擬試驗(yàn)中的試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

圖4 實(shí)際系統(tǒng)測試

4.結(jié)論

本車載新能源智能空氣循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了溫度超過設(shè)定閾值溫度的時(shí),利用光伏電池和超級(jí)電容的供電系統(tǒng),讓連接在汽車外循環(huán)的風(fēng)扇自動(dòng)運(yùn)行的預(yù)期目標(biāo),從而可以排出車內(nèi)環(huán)境中有毒氣體。同時(shí),該系統(tǒng)采用的聯(lián)合供電系統(tǒng),不與車內(nèi)任何系統(tǒng)有關(guān)聯(lián),安全性強(qiáng)且可以適用各種汽車。

[1]蔣瑋,胡仁杰,張金龍。光伏直流系統(tǒng)中超級(jí)電容充電電路設(shè)計(jì)與分析[J]。電源技術(shù),2011(7):847-849.

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[3]薛金會(huì)。基于超級(jí)電容儲(chǔ)能的光伏發(fā)電系統(tǒng)研究[C]。華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文。北京:華北電力大學(xué),2008:21-30.

陳慕奇(1991-),廣東汕頭人,理學(xué)碩士,現(xiàn)就讀于長春理工大學(xué)。

朱賀(1993-),吉林舒蘭人,理學(xué)碩士,現(xiàn)就讀于長春理工大學(xué)。

李野(1969-),吉林白城人,博士,研究員,主要從事光電子成像器件和微電子技術(shù)等方面的研究和教學(xué)工作。