一種太陽(yáng)能汽車(chē)換氣裝置的設(shè)計(jì)研究

曾清德 覃日錦 陳偉宗

摘 要：炎熱的夏天里汽車(chē)在停放時(shí)在太陽(yáng)下，在陽(yáng)光的照射下，汽車(chē)車(chē)廂內(nèi)因無(wú)空調(diào)在運(yùn)行，又無(wú)通風(fēng)的條件下，會(huì)使汽車(chē)不斷吸收太陽(yáng)光的熱量，從而車(chē)內(nèi)的溫度很高。該裝置是在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)在熄火空調(diào)停止工作時(shí)仍可繼續(xù)實(shí)現(xiàn)換氣功能，使車(chē)廂內(nèi)外的一個(gè)氣體更換溫度平衡；即鑰匙處于ON檔、車(chē)廂內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)置溫度值、有充足的陽(yáng)光供太陽(yáng)能電池板生電（或蓄電池有充足的電）。設(shè)計(jì)研究主要是通過(guò)對(duì)鼓風(fēng)機(jī)的選購(gòu)，蓄電池類(lèi)型選擇，針對(duì)蓄電池的容量、鼓風(fēng)機(jī)功率，選擇必要的太陽(yáng)能電池板發(fā)電功率，及單片機(jī)對(duì)整個(gè)換熱系統(tǒng)進(jìn)行控制。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能換氣裝置；鼓風(fēng)機(jī)；太陽(yáng)能電池板；單片機(jī)控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.004

在炎熱的夏天里，很多的汽車(chē)在停放時(shí)難免會(huì)被太陽(yáng)照射到，在陽(yáng)光的照射下過(guò)程中，汽車(chē)車(chē)廂內(nèi)因無(wú)空調(diào)在運(yùn)行，又無(wú)通風(fēng)的條件下，會(huì)使汽車(chē)不斷吸收太陽(yáng)光的能量，從而提升了汽車(chē)車(chē)內(nèi)的溫度，相對(duì)于車(chē)外部的溫度來(lái)講，車(chē)內(nèi)的溫度會(huì)比車(chē)外的溫度要高出很多。這時(shí)直接進(jìn)入未啟動(dòng)空調(diào)的車(chē)廂內(nèi)，會(huì)因?yàn)檐?chē)內(nèi)外的一個(gè)溫度差，而悶熱感在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法適應(yīng)下來(lái)，甚至中暑。同時(shí)，汽車(chē)在太陽(yáng)的猛烈照射下時(shí)，車(chē)廂內(nèi)會(huì)也產(chǎn)生一些材料的有害物，如甲醛、苯、甲苯、二甲苯等，這些化學(xué)物質(zhì)都是可以對(duì)人體產(chǎn)生一定危害的?；诖朔N情況，在此研究設(shè)計(jì)了一款利用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)換氣裝置。

該換氣裝置的主要組成部分有：汽車(chē)鼓風(fēng)機(jī)、免維護(hù)啟動(dòng)蓄電池、太陽(yáng)能發(fā)電電池板、太陽(yáng)能控制器、信號(hào)處理器單片機(jī)、小電機(jī)馬達(dá)、繼電器、保護(hù)電阻等。以鼓風(fēng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)空氣濾清器，將清潔的空氣送進(jìn)車(chē)廂內(nèi)，同時(shí)在后尾箱處設(shè)一電動(dòng)通氣孔，鼓風(fēng)機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)熄火時(shí)啟動(dòng)，電動(dòng)通氣孔也同時(shí)開(kāi)啟，從而做到車(chē)廂內(nèi)空氣不斷與外界作循環(huán)換氣，盡可能的做到車(chē)廂內(nèi)外的一個(gè)溫度平衡，也做到了消除一定異味的功效。該裝置主要利用電能來(lái)源于太陽(yáng)能和蓄電池在汽車(chē)行駛過(guò)程中充電存儲(chǔ)留下來(lái)的電。太陽(yáng)能電池板與蓄電池相互為主輔，在陽(yáng)光充足的情況下，太陽(yáng)能有足夠的電能提供時(shí)，會(huì)給蓄電池和鼓風(fēng)機(jī)供電，太陽(yáng)能產(chǎn)生的電能不夠充足時(shí)，以蓄電池輔助供電；當(dāng)蓄電池電能消耗到預(yù)留汽車(chē)啟動(dòng)電壓時(shí)，停止一切換氣工作，太陽(yáng)能電池板僅供蓄電池充電。

1 鼓風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)

鼓風(fēng)機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的中，最為直接工作的一個(gè)部件，它的工作極為重要，可以直接的影響整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)選定。根據(jù)鼓風(fēng)機(jī)的一種類(lèi)型選購(gòu)，需求功率的大小，決定蓄電池的容量大小和太陽(yáng)能電池板的電量供給進(jìn)行選擇，以確保在工作過(guò)程中對(duì)電能的需求量，以避免超負(fù)荷的出現(xiàn)，縮短整個(gè)系統(tǒng)使用壽命。

1.1 鼓風(fēng)機(jī)的選購(gòu)

1.1.1 選購(gòu)雪佛蘭新賽奧離心式鼓風(fēng)機(jī)PP-T20，做試驗(yàn)樣機(jī)

1.1.2 鼓風(fēng)機(jī)的額定參數(shù)

為了讓試驗(yàn)順利進(jìn)行，選購(gòu)的鼓風(fēng)機(jī)額定功率為90W，額定電流7.5A，內(nèi)阻1.6Ω，額定電壓12V，控制器控制鼓風(fēng)機(jī)。

1.2 鼓風(fēng)機(jī)的控制過(guò)程

太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的電，先進(jìn)入太陽(yáng)能控制器，再由太陽(yáng)能控制器對(duì)蓄電池充電；在太陽(yáng)能能產(chǎn)的電不夠時(shí)，控制器與蓄電池相連的兩個(gè)充電端子就會(huì)變成供電端子，將電流入控制器中，再由控制器的另兩個(gè)電流輸出端子對(duì)各個(gè)用電器進(jìn)行供電，單片機(jī)接到啟動(dòng)信號(hào)時(shí)便接通鼓風(fēng)機(jī)繼電器，通電鼓風(fēng)機(jī)工作，如下圖所示：

2 免維護(hù)蓄電池的選購(gòu)

根據(jù)鼓風(fēng)機(jī)的額定參數(shù)計(jì)算，選擇了浙江巨江電源制造有限公司的鴻雁免維護(hù)蓄電池6-QW-72（650），額定電壓12V，電池容量72A.H，蓄電池的選購(gòu)盡可能的選購(gòu)高容量的免維護(hù)蓄電池，選擇其他類(lèi)型的蓄電池也是可以的，只要它滿足汽車(chē)的啟動(dòng)性能和高容量即可。

3 太陽(yáng)能電池板

3.1 太陽(yáng)能電池板規(guī)格參數(shù)選擇

因汽車(chē)的空間有限，先采取品牌為高翔的太陽(yáng)能電池板規(guī)格規(guī)格50w/12V 尺寸：670*540*25MM；參數(shù)要求，功率50W， 功率偏差3%， 峰值電壓17.64v，峰值電流2.8A，開(kāi)路電壓21.42V，短路電流3.14A。

3.2 太陽(yáng)能能源在換氣裝置中的作用

太陽(yáng)能電池板在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，其主要的作用是發(fā)電，汽車(chē)在行駛時(shí)，太陽(yáng)能電池板會(huì)和發(fā)電機(jī)同時(shí)發(fā)電，同時(shí)給用電設(shè)備供電和蓄電池充電；在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作時(shí)，太陽(yáng)能電池板，仍繼續(xù)給蓄電池充電，太陽(yáng)能電池板在該裝置中起主要作用，在太陽(yáng)充足時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)開(kāi)最低檔時(shí)，可單獨(dú)給鼓風(fēng)機(jī)供電和蓄電池充電；在鼓風(fēng)機(jī)開(kāi)中速檔和高速當(dāng)時(shí)，和蓄電池同時(shí)供電。若沒(méi)有太陽(yáng)能電池板的參與，鼓風(fēng)機(jī)在使用蓄電池的電能時(shí)，就沒(méi)有后備電源的支持，從而導(dǎo)致，蓄電池耗能過(guò)多，影響汽車(chē)的啟動(dòng)。

4 太陽(yáng)能控制器系統(tǒng)

4.1 控制器的工作原理

太陽(yáng)能電池板屬于光伏設(shè)備（主要部分為半導(dǎo)體材料），它經(jīng)過(guò)光線照射后發(fā)生光電效應(yīng)產(chǎn)生電流。由于材料和光線所具有的屬性和局限性，其生成的電流也是具有波動(dòng)性的曲線，如果將所生成的電流直接充入蓄電池內(nèi)或直接給負(fù)載供電，則容易造成蓄電池和負(fù)載的損壞，嚴(yán)重減小了他們的壽命。因此必須把電流先送入太陽(yáng)能控制器，采用一系列專用芯片電路對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化調(diào)節(jié)。

4.2 設(shè)計(jì)裝置中控制器的系統(tǒng)控制

太陽(yáng)能產(chǎn)生的電流后，通過(guò)控制器，再由控制器給蓄電池充電或供用給鼓風(fēng)機(jī)；同理，鼓風(fēng)機(jī)欲使用蓄電池電能時(shí)，蓄電池電流也是先經(jīng)過(guò)控制器的調(diào)控后，再供給鼓風(fēng)機(jī)，這樣做的目的：一是為了穩(wěn)定放電電流；二是為了保證蓄電池不被過(guò)放電；三是可對(duì)負(fù)載和蓄電池進(jìn)行一系列的監(jiān)測(cè)保護(hù)，從而起到一個(gè)保護(hù)的作用。

采用的控制器規(guī)格148.57mm*77.99mm，外接端子有六個(gè)，兩端子接太陽(yáng)能電池板的正負(fù)極端子，為輸入端子；另兩端子接蓄電池正負(fù)極，為輸出端子；最后兩端子接用電器的正負(fù)極端子，為輸出端子；兩對(duì)輸出端，一對(duì)輸入端。顯示器顯示控制器的控制工作狀態(tài)，有數(shù)字顯示區(qū)，充電標(biāo)識(shí)，電池電量標(biāo)識(shí)，負(fù)載標(biāo)識(shí)等，在系統(tǒng)工作時(shí)，可以通過(guò)觀察控制器開(kāi)判斷，控制器控制的范圍內(nèi)工作的情況。

5 單片機(jī)

本設(shè)計(jì)主要是以STC12C5A60S2為主控、DS18B20數(shù)字溫度傳感器為溫度測(cè)量傳感器、DS1302為實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、AT24C02為系統(tǒng)參數(shù)存儲(chǔ)模塊、LM2596-5.0為5伏電源供給模塊、小型繼電器做輸出開(kāi)關(guān)、采用8550三級(jí)管對(duì)繼電器進(jìn)驅(qū)動(dòng)、采用光耦器件對(duì)輸出與單片機(jī)之間進(jìn)行光電隔離，輸入與輸出接口采用晚插撥的KF2EDGK型接插座，便于接線并能使整個(gè)控制板能整體拆下或更換。

5.1 單片機(jī)控制板功能說(shuō)明

本控制板輸入電源為直流12伏，控制板主要有五個(gè)接口插座，包括電源輸入接口（con1插座）、LCD顯示屏接口（XH3插座）、輸出接口（con2插座）、數(shù)字溫度傳感器接口（XH1插座）與程序下載端口（H1插座）。12伏電源從電源輸出接口輸入，通過(guò)電源模塊進(jìn)行降壓、隱壓后提供整塊板的5伏電源，數(shù)字溫度傳感器連接于溫度傳感器接口（XH1座子），單片機(jī)對(duì)數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行初始化后，每個(gè)掃描周期內(nèi)都進(jìn)行一次溫度讀取，并將所讀到的當(dāng)前環(huán)境溫度進(jìn)行存儲(chǔ)，用當(dāng)前溫度與系統(tǒng)內(nèi)存儲(chǔ)的設(shè)計(jì)溫度進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)程序預(yù)先設(shè)置好的條件控制輸出繼電器進(jìn)行風(fēng)機(jī)擋位輸出。并把從溫度傳感讀到的當(dāng)前環(huán)境溫度顯示在128*64的LCD顯示器上，控制板上有一雙色的工作指示燈，程序正常運(yùn)行時(shí)指示燈會(huì)交替顯示紅綠色，當(dāng)遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入為12伏時(shí)程序停機(jī)顯示紅色燈常高。輸出接口總共有start、Q1、Q2、GND、S1、S2、S3七個(gè)接線柱，start為系統(tǒng)的遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入，當(dāng)此端口有12伏輸入時(shí)程序停止運(yùn)行狀態(tài)，工作指示燈狀態(tài)為紅燈常高，當(dāng)此端口輸入信號(hào)為0伏時(shí)為系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，工作指示燈狀態(tài)為紅、綠交替閃爍；Q1端口為行程開(kāi)關(guān)信號(hào)，當(dāng)系統(tǒng)從停機(jī)狀態(tài)時(shí)Q1端口輸出高電平2秒種后恢復(fù)0伏輸出；Q2端口與Q1相反，當(dāng)系統(tǒng)準(zhǔn)備同運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)為停機(jī)狀態(tài)前Q2輸出高電平2秒后才進(jìn)行停機(jī)；GND端口為外接引風(fēng)機(jī)（或鼓風(fēng)機(jī)）的電源負(fù)線，S1為外接引風(fēng)機(jī)（或鼓風(fēng)機(jī)）的三擋接口，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到當(dāng)前環(huán)境溫度高于32度時(shí)S1有輸出；S2為外接引風(fēng)機(jī)（或鼓風(fēng)機(jī)）的二擋接口，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到當(dāng)前環(huán)境溫度為28至32度之間時(shí)S2有輸出；S3為外接引風(fēng)機(jī)（或鼓風(fēng)機(jī)）的一擋接口，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到當(dāng)前環(huán)境溫度為24至28度之間時(shí)S3有輸出；當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到當(dāng)前填平溫度低于24度時(shí)S1、S2、S3都無(wú)輸出。每個(gè)風(fēng)機(jī)擋位對(duì)應(yīng)該的環(huán)境溫度范圍是由芯片內(nèi)存儲(chǔ)的參數(shù)確定的，要修改參數(shù)必須對(duì)程序進(jìn)行修改，把修改好的程序重新下載到控制板內(nèi)方或?qū)崿F(xiàn)。

5.2 溫度傳感器

本設(shè)計(jì)采用的溫度傳器為不銹鋼封裝的防水型數(shù)字溫度傳感器。傳感器的核心即為達(dá)拉斯出品的DS18B20數(shù)字溫度傳感器，本傳感器對(duì)溫度比較靈敏，反應(yīng)速度快，三線接口，采用I?C總線通訊方案，只需要一根線與主控制芯片進(jìn)行連接便可進(jìn)行準(zhǔn)確的溫度測(cè)量。

6 總結(jié)

（1）太陽(yáng)能電池板功率最低要求可提供鼓風(fēng)機(jī)最低檔工作，且體積形狀盡可能得緊湊，同時(shí)還要有足夠的電量為蓄電池充電。當(dāng)陽(yáng)光充足時(shí)，支持鼓風(fēng)機(jī)工作，為蓄電池充電；當(dāng)陽(yáng)光較弱時(shí)，且還能產(chǎn)生一定的電量，此時(shí)就輔佐蓄電池為鼓風(fēng)機(jī)供電；

（2）控制器主要控制太陽(yáng)能電池板電壓，且可以自動(dòng)調(diào)節(jié)電壓的穩(wěn)定，以防過(guò)多的電壓對(duì)蓄電池等造成損壞，或給鼓風(fēng)機(jī)供電不足，不會(huì)受陽(yáng)光的強(qiáng)弱而影響，起到保護(hù)和分配電壓的作用；控制器還可調(diào)節(jié)在蓄電池電壓低于40%時(shí)，自動(dòng)切斷為鼓風(fēng)機(jī)供電，接通為蓄電池充電；當(dāng)陽(yáng)光很弱時(shí)，僅為蓄電池充電；

（3）單片機(jī)實(shí)行控制方式。整體系統(tǒng)有一個(gè)溫度傳感器，主要檢測(cè)車(chē)內(nèi)溫度情況，在適應(yīng)溫度時(shí)刻，中央處理器控制鼓風(fēng)機(jī)工作；控制器處于蓄電池與太陽(yáng)能電池板之間，當(dāng)太陽(yáng)能產(chǎn)生的電壓夠充足時(shí)，會(huì)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電和對(duì)鼓風(fēng)機(jī)供電，供應(yīng)與切斷由太陽(yáng)能電池板控制器控制。鼓風(fēng)機(jī)工作要滿足三個(gè)條件，一是蓄電池電壓不低于40%；二是太陽(yáng)能電池板有足夠的電壓；三是室內(nèi)的溫度高于24度時(shí)；當(dāng)滿足了這三個(gè)條件，ECU就會(huì)控制鼓風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)排氣；

（4）蓄電池用于輔助供電，盡可能選擇大容量蓄電池，以免儲(chǔ)電不足，對(duì)汽車(chē)造成影響，一是長(zhǎng)期電量不足容易加速電池的老化，二是汽車(chē)啟動(dòng)困難；擁有較大的容量不但可以更長(zhǎng)久的輔助太陽(yáng)能蓄電供電，還不會(huì)影響汽車(chē)的啟動(dòng)；

（5）繼電器在線路中主要起切斷與閉合鼓風(fēng)機(jī)的線路的作用，磁線圈受ECU控制，閉合與切斷受個(gè)傳感器傳給ECU的信號(hào)決定；

（6）車(chē)內(nèi)溫度傳感器主要用于檢測(cè)車(chē)內(nèi)溫度，用于判斷鼓風(fēng)機(jī)的電路通斷。

參考文獻(xiàn)：

[1]賀建潑，賀展開(kāi).汽車(chē)傳感器的檢測(cè)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008.

[2]尹力.汽車(chē)電子控制技術(shù)[M].天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，2010（01）.

[3]許泳龍等.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2005（01）.

[4]師宇騰.太陽(yáng)能光伏陣列模擬器綜述[J].電源技術(shù)，2012（02）.

[5]周德佳.太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展[J].電氣應(yīng)用，2007.

[6]吳光強(qiáng)，河?xùn)|偉.汽車(chē)新技術(shù)[M].上海.上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2016（03）.

作者簡(jiǎn)介：曾清德（1966-），男，研究生，副教授，研究方向：車(chē)輛工程。