一種車載太陽能通風(fēng)散熱系統(tǒng)控制方案的探討

李廣華 陳永敏 陳孝昀

（常熟理工學(xué)院，常熟 215500）

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車走進(jìn)千家萬戶，給人們帶來便利的同時(shí)也帶來了一些問題，其中之一就是關(guān)于汽車的通風(fēng)散熱。有數(shù)據(jù)表明汽車在夏季陽光暴曬時(shí)，熄火離開后車內(nèi)溫度每隔15min大約上升10℃，持續(xù)暴曬2h后基本達(dá)到峰值60～80℃，人員重新進(jìn)入駕駛室時(shí)感到不適[1]。目前人們通常采用噴降溫劑，開關(guān)車門等方法來降溫，但不能有效地降溫，即便打開空調(diào)也不能及時(shí)將溫度降下來。另外，汽車內(nèi)飾有很多塑料制品，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間暴曬會(huì)發(fā)出異味，甚至產(chǎn)生甲醛、苯等污染物，不僅會(huì)加速元件老化，而且會(huì)對(duì)人體健康造成不良影響。為解決上述問題，本文基于太陽能產(chǎn)業(yè)和網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的快速發(fā)展，期望利用太陽能及無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)夏季車內(nèi)溫度進(jìn)行自動(dòng)控制，快速通風(fēng)散熱，保持車內(nèi)舒適溫度。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及工作原理

本文提出的散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于在車內(nèi)安裝和布置，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由充電裝置、供能裝置、單片機(jī)控制裝置和通風(fēng)裝置組成[2]。其中繼電器1、繼電器2、繼電器3、繼電器4均為常開繼電器。充電裝置利用太陽能電池板為車輛蓄電池充電。系統(tǒng)中設(shè)有過載保護(hù)裝置，同時(shí)該裝置中設(shè)有對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制保護(hù)的繼電器1和電壓控制器1，防止車輛蓄電池對(duì)太陽能電池板放電。供能裝置通過電壓控制器2、繼電器2、繼電器3選擇太陽能電池板或車輛蓄電池作為鼓風(fēng)機(jī)工作的能量來源。單片機(jī)控制裝置對(duì)采集的溫度信號(hào)和無線信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，向繼電器4輸出高低電平，同時(shí)向驅(qū)動(dòng)H橋輸出占空比從而控制鼓風(fēng)機(jī)的啟停、轉(zhuǎn)速。通風(fēng)裝置通過合理布置的鼓風(fēng)機(jī)及通風(fēng)管路實(shí)現(xiàn)車輛內(nèi)外空氣流通，使車內(nèi)溫度降低[3]。

2 控制策略

2.1 充電裝置中的控制策略

蓄電池兩端設(shè)有電壓控制器1，當(dāng)電壓控制器1檢測(cè)到蓄電池電壓值大于15V時(shí)，電壓控制器1斷開繼電器1，太陽能電池板停止對(duì)蓄電池的充電；當(dāng)電壓控制器1檢測(cè)到蓄電池電壓值未超過15V時(shí)，電壓控制器1閉合繼電器1，太陽能電池板開始對(duì)蓄電池充電。該控制策略通過判斷蓄電池電壓值，控制太陽能電池對(duì)蓄電池的充電，既能防止蓄電池對(duì)太陽能電池板放電，又充分利用了太陽能。

圖1 散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 供能裝置中的控制策略

為了充分利用太陽能，同時(shí)避免當(dāng)太陽能電池板輸出電壓不足時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)無法正常工作，本系統(tǒng)采用的供電控制策略如下所述。

太陽能電池板通過自帶的穩(wěn)壓電路輸出電壓，當(dāng)電壓控制器2檢測(cè)到太陽能電池板輸出電壓值大于10V時(shí)，電壓控制器2閉合繼電器3、斷開繼電器2，太陽能電池板作為鼓風(fēng)機(jī)工作的能量來源；當(dāng)電壓控制器2檢測(cè)到太陽能電池板輸出電壓值未超過10V時(shí)，電壓控制器2斷開繼電器3、閉合繼電器2，車輛蓄電池作為鼓風(fēng)機(jī)工作的能量來源。該控制策略通過判斷太陽能電池板輸出電壓值，從太陽能電池和蓄電池中選取鼓風(fēng)機(jī)工作的能量來源，確保鼓風(fēng)機(jī)的正常工作，同時(shí)防止電路串接。

2.3 溫度、無線控制策略

圖2 溫度、無線控制策略流程圖

溫度控制模塊可實(shí)現(xiàn)駐車后對(duì)車內(nèi)溫度的自動(dòng)控制[4]。無線控制模塊可根據(jù)實(shí)際情況以及考慮經(jīng)濟(jì)成本等因素來“無線遙控”鼓風(fēng)機(jī)的啟停，例如人員長(zhǎng)期不使用汽車就不必開啟鼓風(fēng)機(jī)等。溫度、無線控制策略流程圖如圖2所示，繼電器4控制風(fēng)機(jī)的啟停，H橋控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速大小，溫度傳感器向單片機(jī)發(fā)送溫度信號(hào)T，無線信號(hào)接收器向單片機(jī)發(fā)送無線控制信號(hào)F。T與F經(jīng)過單片機(jī)邏輯運(yùn)算，輸出相應(yīng)的指令，從而控制繼電器開斷和H橋PWM占空比。占空比越大，驅(qū)動(dòng)H橋輸出功率越大，鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速越大，反之越小。“F=1”表示無線信號(hào)接收器接收到人員向其發(fā)送的“允許開啟”的無線控制信號(hào)，若“F=0”，則接收到“不允許開啟”的無線控制信號(hào)。F具有控制優(yōu)先級(jí)，F(xiàn)=0時(shí)，無論T值大小，單片機(jī)向繼電器4輸出低電平，向驅(qū)動(dòng)H橋輸出0占空比，即無法啟動(dòng)風(fēng)機(jī)。當(dāng)F=1時(shí)，隨著溫度的升高，繼電器4與占空比也相應(yīng)改變。如果T≥30℃，單片機(jī)向繼電器4輸出低電平，向驅(qū)動(dòng)H橋輸出0占空比，否則繼續(xù)判斷T；如果30℃≤T≤35℃，單片機(jī)向繼電器4輸出高電平，向驅(qū)動(dòng)H橋輸出30%占空比，否則繼續(xù)判斷T；如果35℃≤T≤40℃，單片機(jī)向繼電器4輸出高電平，向驅(qū)動(dòng)H橋輸出80%占空比，否則繼續(xù)判斷T；如果T≥40℃，單片機(jī)向繼電器4輸出高電平，向驅(qū)動(dòng)H橋輸出100%占空比。

2.4 驅(qū)動(dòng)H橋工作原理

方案驅(qū)動(dòng)H橋電路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，該電路無法改變電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向，通過2個(gè)功率開關(guān)（M1，M2）的導(dǎo)通（ON）和關(guān)斷（OFF）來控制電機(jī)的速度，功率開關(guān)（M3，M4）為常開開關(guān)。H橋功率驅(qū)動(dòng)器通常采PWM信號(hào)來對(duì)電機(jī)控制。將方波信號(hào)加在電機(jī)電樞的兩端，通過調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比來改變電機(jī)電樞上的平均電壓，以此來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)單片機(jī)向H橋輸出不同PWM信號(hào)的占空比時(shí)，M1和M4的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間隨之改變，即鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也相應(yīng)變化。

圖3 驅(qū)動(dòng)H橋原理圖

3 結(jié)語

本文提出了一種車載太陽能通風(fēng)散熱系統(tǒng)的方案，利用節(jié)能環(huán)保的太陽能，結(jié)合單片機(jī)自動(dòng)控制原理和傳感器等，在一定程度上解決了夏季駐車后車內(nèi)通風(fēng)散熱的問題，目前該散熱方案還未在車輛上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。該系統(tǒng)體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，效果顯著，所以不僅可以在高級(jí)豪華轎車上使用，還可以配備于低端汽車。方案所述的控制能夠根據(jù)不同的工況調(diào)節(jié)，具有一定的適應(yīng)性，在汽車行業(yè)中具有積極意義。