曾清德 覃日錦 陳偉宗

摘 要：炎熱的夏天里汽車在停放時在太陽下，在陽光的照射下，汽車車廂內(nèi)因無空調(diào)在運(yùn)行，又無通風(fēng)的條件下，會使汽車不斷吸收太陽光的熱量，從而車內(nèi)的溫度很高。該裝置是在汽車發(fā)動機(jī)在熄火空調(diào)停止工作時仍可繼續(xù)實(shí)現(xiàn)換氣功能，使車廂內(nèi)外的一個氣體更換溫度平衡；即鑰匙處于ON檔、車廂內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)置溫度值、有充足的陽光供太陽能電池板生電（或蓄電池有充足的電）。設(shè)計(jì)研究主要是通過對鼓風(fēng)機(jī)的選購，蓄電池類型選擇，針對蓄電池的容量、鼓風(fēng)機(jī)功率，選擇必要的太陽能電池板發(fā)電功率，及單片機(jī)對整個換熱系統(tǒng)進(jìn)行控制。

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

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

在炎熱的夏天里，很多的汽車在停放時難免會被太陽照射到，在陽光的照射下過程中，汽車車廂內(nèi)因無空調(diào)在運(yùn)行，又無通風(fēng)的條件下，會使汽車不斷吸收太陽光的能量，從而提升了汽車車內(nèi)的溫度，相對于車外部的溫度來講，車內(nèi)的溫度會比車外的溫度要高出很多。這時直接進(jìn)入未啟動空調(diào)的車廂內(nèi)，會因?yàn)檐噧?nèi)外的一個溫度差，而悶熱感在短時間內(nèi)無法適應(yīng)下來，甚至中暑。同時，汽車在太陽的猛烈照射下時，車廂內(nèi)會也產(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)都是可以對人體產(chǎn)生一定危害的。基于此種情況，在此研究設(shè)計(jì)了一款利用太陽能驅(qū)動汽車發(fā)動機(jī)停機(jī)時換氣裝置。

該換氣裝置的主要組成部分有：汽車鼓風(fēng)機(jī)、免維護(hù)啟動蓄電池、太陽能發(fā)電電池板、太陽能控制器、信號處理器單片機(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)動力，通過空氣濾清器，將清潔的空氣送進(jìn)車廂內(nèi)，同時在后尾箱處設(shè)一電動通氣孔，鼓風(fēng)機(jī)在發(fā)動機(jī)熄火時啟動，電動通氣孔也同時開啟，從而做到車廂內(nèi)空氣不斷與外界作循環(huán)換氣，盡可能的做到車廂內(nèi)外的一個溫度平衡，也做到了消除一定異味的功效。該裝置主要利用電能來源于太陽能和蓄電池在汽車行駛過程中充電存儲留下來的電。太陽能電池板與蓄電池相互為主輔，在陽光充足的情況下，太陽能有足夠的電能提供時，會給蓄電池和鼓風(fēng)機(jī)供電，太陽能產(chǎn)生的電能不夠充足時，以蓄電池輔助供電；當(dāng)蓄電池電能消耗到預(yù)留汽車啟動電壓時，停止一切換氣工作，太陽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)是整個系統(tǒng)的中，最為直接工作的一個部件，它的工作極為重要，可以直接的影響整個系統(tǒng)的參數(shù)選定。根據(jù)鼓風(fēng)機(jī)的一種類型選購，需求功率的大小，決定蓄電池的容量大小和太陽能電池板的電量供給進(jìn)行選擇，以確保在工作過程中對電能的需求量，以避免超負(fù)荷的出現(xiàn)，縮短整個系統(tǒng)使用壽命。

1.1 鼓風(fēng)機(jī)的選購

1.1.1 選購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)的控制過程

太陽能電池板產(chǎn)生的電，先進(jìn)入太陽能控制器，再由太陽能控制器對蓄電池充電；在太陽能能產(chǎn)的電不夠時，控制器與蓄電池相連的兩個充電端子就會變成供電端子，將電流入控制器中，再由控制器的另兩個電流輸出端子對各個用電器進(jìn)行供電，單片機(jī)接到啟動信號時便接通鼓風(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

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，蓄電池的選購盡可能的選購高容量的免維護(hù)蓄電池，選擇其他類型的蓄電池也是可以的，只要它滿足汽車的啟動性能和高容量即可。

3 太陽能電池板

3.1 太陽能電池板規(guī)格參數(shù)選擇

因汽車的空間有限，先采取品牌為高翔的太陽能電池板規(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，開路電壓21.42V，短路電流3.14A。

3.2 太陽能能源在換氣裝置中的作用

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

4 太陽能控制器系統(tǒng)

4.1 控制器的工作原理

太陽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能控制器，采用一系列專用芯片電路對其進(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

太陽能產(chǎn)生的電流后，通過控制器，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，蓄電池電流也是先經(jīng)過控制器的調(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放電；三是可對負(fù)載和蓄電池進(jìn)行一系列的監(jiān)測保護(hù)，從而起到一個保護(hù)的作用。

采用的控制器規(guī)格148.57mm*77.99mm，外接端子有六個，兩端子接太陽能電池板的正負(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；兩對輸出端，一對輸入端。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，電池電量標(biāo)識，負(fù)載標(biāo)識等，在系統(tǒng)工作時，可以通過觀察控制器開判斷，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量傳感器、DS1302為實(shí)時時鐘模塊、AT24C02為系統(tǒng)參數(shù)存儲模塊、LM2596-5.0為5伏電源供給模塊、小型繼電器做輸出開關(guān)、采用8550三級管對繼電器進(jìn)驅(qū)動、采用光耦器件對輸出與單片機(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控制板能整體拆下或更換。

5.1 單片機(jī)控制板功能說明

本控制板輸入電源為直流12伏，控制板主要有五個接口插座，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)對數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行初始化后，每個掃描周期內(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，用當(dāng)前溫度與系統(tǒng)內(nèi)存儲的設(shè)計(jì)溫度進(jìn)行對比，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)行時指示燈會交替顯示紅綠色，當(dāng)遠(yuǎn)程開關(guān)信號輸入為12伏時程序停機(jī)顯示紅色燈常高。輸出接口總共有start、Q1、Q2、GND、S1、S2、S3七個接線柱，start為系統(tǒng)的遠(yuǎn)程開關(guān)信號輸入，當(dāng)此端口有12伏輸入時程序停止運(yùn)行狀態(tài)，工作指示燈狀態(tài)為紅燈常高，當(dāng)此端口輸入信號為0伏時為系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，工作指示燈狀態(tài)為紅、綠交替閃爍；Q1端口為行程開關(guān)信號，當(dāng)系統(tǒng)從停機(jī)狀態(tài)時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)檢測到當(dāng)前環(huán)境溫度高于32度時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)檢測到當(dāng)前環(huán)境溫度為28至32度之間時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)檢測到當(dāng)前環(huán)境溫度為24至28度之間時S3有輸出；當(dāng)系統(tǒng)檢測到當(dāng)前填平溫度低于24度時S1、S2、S3都無輸出。每個風(fēng)機(jī)擋位對應(yīng)該的環(huán)境溫度范圍是由芯片內(nèi)存儲的參數(shù)確定的，要修改參數(shù)必須對程序進(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)確的溫度測量。

6 總結(jié)

（1）太陽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，同時還要有足夠的電量為蓄電池充電。當(dāng)陽光充足時，支持鼓風(fēng)機(jī)工作，為蓄電池充電；當(dāng)陽光較弱時，且還能產(chǎn)生一定的電量，此時就輔佐蓄電池為鼓風(fēng)機(jī)供電；

（2）控制器主要控制太陽能電池板電壓，且可以自動調(diào)節(jié)電壓的穩(wěn)定，以防過多的電壓對蓄電池等造成損壞，或給鼓風(fēng)機(jī)供電不足，不會受陽光的強(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，自動切斷為鼓風(fēng)機(jī)供電，接通為蓄電池充電；當(dāng)陽光很弱時，僅為蓄電池充電；

（3）單片機(jī)實(shí)行控制方式。整體系統(tǒng)有一個溫度傳感器，主要檢測車內(nèi)溫度情況，在適應(yīng)溫度時刻，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能電池板之間，當(dāng)太陽能產(chǎn)生的電壓夠充足時，會對蓄電池進(jìn)行充電和對鼓風(fēng)機(jī)供電，供應(yīng)與切斷由太陽能電池板控制器控制。鼓風(fēng)機(jī)工作要滿足三個條件，一是蓄電池電壓不低于40%；二是太陽能電池板有足夠的電壓；三是室內(nèi)的溫度高于24度時；當(dāng)滿足了這三個條件，ECU就會控制鼓風(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，以免儲電不足，對汽車造成影響，一是長期電量不足容易加速電池的老化，二是汽車啟動困難；擁有較大的容量不但可以更長久的輔助太陽能蓄電供電，還不會影響汽車的啟動；

（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，閉合與切斷受個傳感器傳給ECU的信號決定；

（6）車內(nèi)溫度傳感器主要用于檢測車內(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.汽車傳感器的檢測[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[2]尹力.汽車電子控制技術(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.太陽能光伏陣列模擬器綜述[J].電源技術(shù)，2012（02）.

[5]周德佳.太陽能光伏發(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.汽車新技術(shù)[M].上海.上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2016（03）.

作者簡介：曾清德（1966-），男，研究生，副教授，研究方向：車輛工程。