清潔能源在汽車智能通風裝置中的應用設計與研究

李千千，倪小堅，韋世東

（梧州職業學院，廣西 梧州 543000）

0 引言

近年來，我國連續推出《中國制造2025》《綠色地球》《能源發展“十三五”規劃》《國家環境保護標準“十三五”規劃》《新能源汽車產業發展規劃》《太陽能發展“十三五”規劃》等一系列能源與制造裝置發展政策，這些宏觀調控政策奠定了太陽能在汽車發展方面的戰略地位，為傳統汽車轉型指明了方向。

汽車給我們帶來便利的同時也會給我們帶來一定的問題。有數據表明汽車在夏季陽光暴曬時，熄火離開后車內溫度每隔15min大約上升10℃，持續暴曬2h后基本達到峰值60～80℃，人員重新進入駕駛室時感到不適[1]。同時因為暴曬駕駛室內的塑料及皮革等會散發異味，極大可能產生各種對人體有害的氣體，面對這種情況多數的司機都是采用打開門或開窗以及打開空調驅散，短時間難以將氣味驅散，基于此，保持室內通風勢在必行。目前正在面臨汽車安全、環保和節能這三大問題，利用太陽能等清潔能源在汽車通風系統中的應用顯得十分的重要。

1 汽車上清潔能源的應用

時代不斷的進步，世界各行各業正在快速的發展，隨著國家提出碳中和、節能環保等一系列發展政策，清潔能源在各個領域都得到有效的利用。全球清潔能源已經進入一個快速轉型的時期，能源新技術正在影響著全球的能源格局，清潔能源作為綠色能源，目前清潔能源在工業上的利用主要有太陽能、風能、生物能、水能、氫能等。其中太陽能和氫能在汽車上應用越來越廣泛。

1.1 氫能

首先是氫能，氫能的導熱性屬于在所有氣體中最好，在能源工業中也應用廣泛，作為良好的熱傳導載體，同時燃燒性能極好，可以快速點燃，并且燃燒生成氣體無害，因此各個國家都在利用氫作為燃料。在2019年歐盟燃料電池和氫能聯合會聯合發布相關政策，到2030年歐盟將擁有370萬輛燃料電池乘用車和50萬輛燃料電池輕型商用車[2]。在我國已有多個省及轄市出臺氫能源建設行動計劃，預示著氫能源的快速發展，可見氫能在汽車應用上占有的比例越來越重。

1.2 太陽能

太陽能同樣是具有取之不盡用之不竭的清潔能源美譽，太陽能在汽車上的應用研究一直以來都是最為受到關注的一種清潔能源，而太陽能汽車的應用一直以來被大多數國家作為汽車發展的大方向，但目前太陽能汽車大多數汽車制造商幾乎停留在概念車上，主要的一個問題是在于太陽能轉化時間較長，應用時間消耗能源過快。

截止目前，太陽能在汽車上面的應用主要以作為動力驅動和作為輔助設備的能源供應。作為能源驅動主要是利用太陽能作為驅動力，代替傳統燃油車的車用燃料，此時傳統汽車動力輸出本有的發動機等將由電機代替，太陽能只需要將能量轉換成電能提供能力輸出，車輛的快慢由控制器調節電流的大小控制快慢，目前直接作為動力驅動的太陽能汽車局限性很多，因此應用較少。而另外一種作為輔助設備的能源供應的太陽能應用較為廣泛，也是接下來發展迅猛，作為輔助應用主要是應用在一些汽車各系統部件當中作為能源供應。解決完全依靠太陽能作為驅動汽車的使用性的限制，目前比較多的是車頂上外掛電池板，用于給蓄電池作為輔助能源供應，蓄電池給電動機供電驅動后輪。利用太陽能的清潔能源作為動力既不會污染環境，也能做到零排放。

2 汽車車內部環境研究與智能化發展

2.1 汽車車內部環境研究

隨著國家對節能減排與安全要求不斷提高，清潔能源的興起是未來發展的趨勢。清潔能源在汽車動力電池上也迅猛發展，越來越多的研究者就汽車內部環境改善正在持續深入的研究，分別從氣體流動、汽車車內外環境的仿真模擬以及車內人體舒適度影響等方面進行了綜合研究。有些外國研究者利用脈沖激光質子的追蹤技術，對車內的空氣流速、熱量分布等情況，設計汽車內部三維模型去做有限元數值分析，以太陽輻射需要時間過長短為變量，檢測車內溫度變化。有些前沿的國外學者針對風能、太陽能等清潔能源的特性展開了研究，更是對太陽輻射相關的汽車乘客客艙熱環境及駕乘人員舒適度深入研究。

國內的研究者在車內部環境的研究也取得一定的成效。主要的研究有車內部件吸收率、日曬時間與太陽輻射強度、車輛有無縫隙等因素對車內環境進行研究，目前國內針對車內環境監測的研究主要側重車內污染物的監測，卻忽視了在監測車內環境的同時，綜合考慮車外環境的監測與比對[3]。國內外眾多學者研究表明，太陽輻射是車內室內溫度場的最主要因素，為了保證車內駕乘人員的舒適度，需要改善車內外內部環境，采用合適的汽車空調進行強制對流換熱等方式進行下一步研究。

2.2 智能化發展

隨著電子計算技術以及信息通訊的飛速發展，汽車日益增多以及伴隨道路環境復雜，汽車出行擁堵和安全所帶來的問題就顯得尤為突出，因此汽車智能網聯的發展是汽車工業發展的必然趨勢。

汽車通風系統在智能化應用上較為多，自動空調以及智能控制系統幾乎普遍目前所有的車型。通風裝置通過合理布置的鼓風機及通風管路實現車輛內外空氣流通，使車內溫度降低[4]，在原有穩定的結構基礎上，實現智能化。

3 汽車智能型通風裝置的設計方案

3.1 總體設計方案

根據目前汽車通風系統的研究現狀和現實狀況反饋，本文提出一套基于清潔能源為能量供應，通過智能化的控制方式，在汽車通風裝置中應用設置的方案，解決發動機熄火后通風裝置無法持續工作，以及如何有效實現利用太陽能完成通風裝置智能化的控制等方面的問題，如圖1所示。

圖1 總體設計方案

本文設計的總體執行方案分為兩個部分，一是能量供應部分，通過太陽能轉換得到的電能，通過充電控制裝置實時監測原車蓄電池和通風裝置專用電池的狀態，當兩者處于虧點狀態下優先給予通風裝置專用電池充電。二是執行部分，當發動機停止工作后，分別由兩個蓄電池給通風裝置提供能量，優先由通風裝置專用電池供電，執行控制機構通過感應環境給車內通風換氣，保證車內空氣恒溫、流通及安全性。該方案需要解決兩大關鍵技術點：一是清潔能源充電控制切換，二是感應環境自動變換的通風模式。

3.2 清潔能源充電控制切換系統的設計

清潔能源充電控制切換系統屬于本文重要技術點，該切換系統主要由切換裝置控制模塊、控制單元、電流檢測模塊、電壓檢測模塊、數據采集模塊等組成。

該控制主要是通過電流以及電壓模塊檢測專用蓄電池和原車蓄電池充電情況，當汽車行駛，通風系統用原車蓄電池供電工作，指示燈1亮起，如果駐車狀態，通風系統由專用蓄電池供電，指示燈2亮起，指示燈1和2之間只會亮一個，如果專用蓄電池屬于充電狀態，指示燈3亮起，如果專用蓄電池已充滿，正在給原車蓄電池充電，指示燈4亮起，3熄滅。不管是在哪一個模式下，顯示屏都會實時顯示當前模式數據。

切換系統同時還具有雙檢測模塊，通過實時檢測兩蓄電池的電流電壓情況，能夠準確判斷電池的當前狀態，將數據回傳控制單元通過切換裝置控制模塊對兩個電池充電進行切換。同時還設置手動強制切換旋鈕，可以強制性給某一蓄電池充電。該切換系統同時設計有各項數據采集以及數據接口，可以根據充電切換控制的數據，分析優化裝置的控制時間以及控制形式，不斷優化切換系統[5-6]。

圖2 充電控制切換系統

3.3 感應環境自動變換通風模式的裝置設計

汽車各系統從原來手動控制轉變為如何做到智能感應控制的智能化是未來發展的趨勢。汽車駐車時一年四季歷經悶熱潮濕、高溫炎熱、干燥、寒冷結冰，汽車室內環境溫度不平衡，所面臨的工作環境是復雜多變的，室內經歷夏天陽關暴曬還會產生甲醛、苯等對人體有害的氣體。面對汽車室內外溫度不平衡以及有害氣體產生，因此需要在通風系統執行機構中設計感應環境自動變換通風模式的裝置。在總體方案中，通風執行裝置的供電系統由專用蓄電池供電和原車蓄電池供電，在駐車時，優先使用專用蓄電池，再用原車蓄電池。其中能量切換控制模塊和通風模式控制模塊設計為同一控制模塊的感知控制裝置。

該裝置主要由能量供應切換模塊2、通風控制模塊3、裝置外殼體1、外置鼓風機控制5、鼓風機支架4、鼓風機15、濾網6以及各車內外傳感器等組成。

圖3 感知控制裝置

能量切換控制模塊主要是切換能量供應源，優先與專用蓄電池供電。通風模式主要是分為驅散模式和常規模式。首先是驅散模式，驅散模式主要是針對室內產生有害氣體以及室內外溫差大于10攝氏度時候鼓風機進行全速運轉快速驅散。該模式主要是由室內傳感器和室外傳感器將檢測數據傳遞至通風控制模塊3，由模塊三發出全速啟動鼓風機的指令使鼓風機全速運轉，當室內外溫度趨近于3攝氏度以及室內傳感器檢測有害氣體驅散趨于0時，通風模式切換至常規模式。常規驅散模式主要是保持室內溫差平衡，車內外溫差小于10攝氏度時候根據溫差大小調整鼓風機運轉速度。該模式主要是通過車內溫度傳感器檢測車內溫度與車外傳感器檢測車外溫度的差值，如果溫度較小，通風控制模塊3將執行控制傳遞給鼓風機啟動運轉，溫差越大，鼓風機的運轉速度越大，直至車內外溫度相對守恒。

4 結語

通過以上的研究不難發現，清潔能源在汽車智能通風系統中的應用可以解決發動機熄火后通風裝置無法持續工作的問題，以及如何有效實現利用太陽能完成通風裝置智能化的控制等方面的問題。太陽能在汽車室內的研究越來越受到關注。通過兩個關鍵技術的把控，針對太陽能輻射對溫度場和氣體場的影響進行更為深入的研究，具有較高的理論高度，徹底突破能量過小無法實現驅動等眾多因素而停止的概念研究，通過本論文對清潔能源在汽車通風系統裝置的設計，積極響應國家對汽車安全設計、環保節能的政策要求，將太陽能在汽車中的利用最大化，響應節能減排號召，提高汽車的安全性。