車載智能通風系統設計

孫源遠

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

關鍵詞：車輛通風；智能；降溫；柔性光伏電池

轎車進入千家萬戶，但是由于城市設施建設不配套，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，因為是一個密閉的環境，車內溫度可高達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，再開空調，很久才能降到適宜的溫度，不僅浪費能源，還對健康有害。

其實只要打破車空間的密閉系統，實現空氣對流，就能解決這個問題。可利用車載智能通風系統，在汽車停放于露天環境時，太陽暴曬車內溫度升高時，通過這套系統使車內空氣與大氣交換，達到降低車內溫度、有害氣體和細菌的數量，改善駕駛環境的目的。該系統的能量可利用太陽能電池，加儲能和控制電路提供。

一、設計方案

整個系統由溫度監測系統和供電系統兩部分組成。

智能通風系統可實時對車內溫度進行監測，當溫度高于溫度閾值時，系統開始工作排出有害氣體。系統采用光伏電池為主，超級電容為輔的聯合供電系統，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。當陽光不足的情況下，系統可以切換成光伏電池和超級電容聯合為系統供電，續航能力強且可以適應各種外界環境。

（一）溫度監測系統

該系統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。把該電壓導入用運算放大器設計的比較器中，并與我們設定的閾值電壓作比較。當熱敏電阻兩端電壓低于設定的閾值電壓時，比較器輸出信號控制即電器開關打開，從而讓風扇轉動。

（二）供電系統

本設計的供電系統采用光伏電池為主，超級電容為輔的聯合供電系統。選擇柔性光伏電池是因為光伏電池屬于清潔能源，在供能的時候不會對環境造成污染。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計進行改造。選擇超級電容做儲能器件是因為超級電容的壽命長，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，可以在各種環境下使用和保存。

（三）系統控制設計

當車處于熄火狀態，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，系統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，聯合給系統供電。

光伏電池和超級電容的串并聯由兩個繼電器實現。監測光伏電池的電壓信號與設定的閾值電壓對比值。當光伏電池輸出電壓高或者低于設定閾值電壓，比較器就會輸出相應的信號用以控制繼電器切換串并聯。

由于超級電容有嚴格的電壓限制，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化成設定的恒定的直流電壓輸出，功率轉化率達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。

風扇，運放的供電和基準的參考電壓需要穩定的供電電壓。在供電系統的輸出端，接一個直流轉直流降壓式變換電路（DC-DC buck電路）模塊，使整體系統的供電電壓穩定，系統能穩定地工作。

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，用兩個二極管設計一個與門電路，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的繼電器。如果溫度達到閾值溫度，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狀態。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狀態。

系統思維框圖如下圖所示。

（四）主要參數設計

本實驗中，法拉電容選用了3000F，2.7V的5節法拉電容串聯，變成600F，13.5V。柔性光伏電池選用功率為0.5W，輸出電壓2V的。本實驗設計柔性光伏電池8串4并，最大可以輸出16V1A的電能。風扇選用的是12V，0.1A的。為了系統的工作穩定性，光伏電池的Buck電路模塊輸出12.5V，而供電系統的Buck電路模塊輸出9V。

根據設計方案和參數，本設計的原理圖如下所示：

原理圖中，采用lm358運算放大器作為比較器。溫度控制系統如原理圖左邊部分所示。由熱敏電阻上的電壓和可調電阻R2上的電壓（溫度調節閾值電壓）進入運算放大器做比較，輸出的信號控制NPN三極管導通狀態進而控制繼電器開關，從而控制風扇運作。

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

二、 模擬實驗

模擬實驗中，由于天氣變量不好控制，所以用直流穩壓源代替光伏電池的輸出。下圖兩個電路就是溫度監控和供電系統。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，風扇轉動。由于直流穩壓源（模擬光伏電池）輸出電壓達不到閾值電壓，所以供電系統串聯（下圖就是供電系統串聯的時候的系統工作狀態），直流穩壓源輸出0.1A電流。圖中萬用表用于檢測法拉電容的電壓。

當升高直流穩壓源（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狀態。供電電源在供電給風扇在轉動的同時，還給法拉電容充電，所以輸出電流達到0.82A。下圖就是供電系統并聯的時候的系統工作狀態。

其他模擬實驗結果如下，當風扇不轉的時候，直流穩壓源（模擬光伏電池）只給法拉電容充電。當法拉電容的電壓高于供電電源電壓時，停止充電。

假設光伏電池出了開路問題，供電系統則一直處于并聯狀態，測溫系統和風扇可以直接由超級電容供電，系統仍然可以正常運行。

下圖是實際測試場景。實際效果和理論與模擬實驗中的實驗結果基本一致。

三、結論

本車載智能通風系統實現了利用柔性太陽能電池、超級電容提供汽車換氣風扇的能量供給，通過控制系統設計，實現不同工作情況下，風扇供電的模式，使該系統始終在高效模式下運行。在高溫超過閾值溫度時，系統自動啟動汽車外循環風扇，排出車內的有毒氣體，降低車內溫度。

致謝

本研究是在長春理工大學李野教授的悉心指導下完成的，李教授對實驗實施和論文撰寫提出了指導性意見并給予了極大的鼓勵，在此表達深深的謝意！

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