李千千，倪小堅(jiān)，韋世東

（梧州職業(yè)學(xué)院，廣西 梧州 543000）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)連續(xù)推出《中國(guó)制造2025》《綠色地球》《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》《國(guó)家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)“十三五”規(guī)劃》《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》《太陽(yáng)能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》等一系列能源與制造裝置發(fā)展政策，這些宏觀調(diào)控政策奠定了太陽(yáng)能在汽車發(fā)展方面的戰(zhàn)略地位，為傳統(tǒng)汽車轉(zhuǎn)型指明了方向。

汽車給我們帶來(lái)便利的同時(shí)也會(huì)給我們帶來(lái)一定的問題。有數(shù)據(jù)表明汽車在夏季陽(yáng)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]。同時(shí)因?yàn)楸耨{駛室內(nèi)的塑料及皮革等會(huì)散發(fā)異味，極大可能產(chǎn)生各種對(duì)人體有害的氣體，面對(duì)這種情況多數(shù)的司機(jī)都是采用打開門或開窗以及打開空調(diào)驅(qū)散，短時(shí)間難以將氣味驅(qū)散，基于此，保持室內(nèi)通風(fēng)勢(shì)在必行。目前正在面臨汽車安全、環(huán)保和節(jié)能這三大問題，利用太陽(yáng)能等清潔能源在汽車通風(fēng)系統(tǒng)中的應(yīng)用顯得十分的重要。

1 汽車上清潔能源的應(yīng)用

時(shí)代不斷的進(jìn)步，世界各行各業(yè)正在快速的發(fā)展，隨著國(guó)家提出碳中和、節(jié)能環(huán)保等一系列發(fā)展政策，清潔能源在各個(gè)領(lǐng)域都得到有效的利用。全球清潔能源已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)快速轉(zhuǎn)型的時(shí)期，能源新技術(shù)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(yè)上的利用主要有太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物能、水能、氫能等。其中太陽(yáng)能和氫能在汽車上應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

1.1 氫能

首先是氫能，氫能的導(dǎo)熱性屬于在所有氣體中最好，在能源工業(yè)中也應(yīng)用廣泛，作為良好的熱傳導(dǎo)載體，同時(shí)燃燒性能極好，可以快速點(diǎn)燃，并且燃燒生成氣體無(wú)害，因此各個(gè)國(guó)家都在利用氫作為燃料。在2019年歐盟燃料電池和氫能聯(lián)合會(huì)聯(lián)合發(fā)布相關(guān)政策，到2030年歐盟將擁有370萬(wàn)輛燃料電池乘用車和50萬(wàn)輛燃料電池輕型商用車[2]。在我國(guó)已有多個(gè)省及轄市出臺(tái)氫能源建設(shè)行動(dòng)計(jì)劃，預(yù)示著氫能源的快速發(fā)展，可見氫能在汽車應(yīng)用上占有的比例越來(lái)越重。

1.2 太陽(yáng)能

太陽(yáng)能同樣是具有取之不盡用之不竭的清潔能源美譽(yù)，太陽(yáng)能在汽車上的應(yīng)用研究一直以來(lái)都是最為受到關(guān)注的一種清潔能源，而太陽(yáng)能汽車的應(yīng)用一直以來(lái)被大多數(shù)國(guó)家作為汽車發(fā)展的大方向，但目前太陽(yáng)能汽車大多數(shù)汽車制造商幾乎停留在概念車上，主要的一個(gè)問題是在于太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化時(shí)間較長(zhǎng)，應(yīng)用時(shí)間消耗能源過快。

截止目前，太陽(yáng)能在汽車上面的應(yīng)用主要以作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)和作為輔助設(shè)備的能源供應(yīng)。作為能源驅(qū)動(dòng)主要是利用太陽(yáng)能作為驅(qū)動(dòng)力，代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃油車的車用燃料，此時(shí)傳統(tǒng)汽車動(dòng)力輸出本有的發(fā)動(dòng)機(jī)等將由電機(jī)代替，太陽(yáng)能只需要將能量轉(zhuǎn)換成電能提供能力輸出，車輛的快慢由控制器調(diào)節(jié)電流的大小控制快慢，目前直接作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的太陽(yáng)能汽車局限性很多，因此應(yīng)用較少。而另外一種作為輔助設(shè)備的能源供應(yīng)的太陽(yáng)能應(yīng)用較為廣泛，也是接下來(lái)發(fā)展迅猛，作為輔助應(yīng)用主要是應(yīng)用在一些汽車各系統(tǒng)部件當(dāng)中作為能源供應(yīng)。解決完全依靠太陽(yáng)能作為驅(qū)動(dòng)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(yīng)，蓄電池給電動(dòng)機(jī)供電驅(qū)動(dòng)后輪。利用太陽(yáng)能的清潔能源作為動(dòng)力既不會(huì)污染環(huán)境，也能做到零排放。

2 汽車車內(nèi)部環(huán)境研究與智能化發(fā)展

2.1 汽車車內(nèi)部環(huán)境研究

隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能減排與安全要求不斷提高，清潔能源的興起是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。清潔能源在汽車動(dòng)力電池上也迅猛發(fā)展，越來(lái)越多的研究者就汽車內(nèi)部環(huán)境改善正在持續(xù)深入的研究，分別從氣體流動(dòng)、汽車車內(nèi)外環(huán)境的仿真模擬以及車內(nèi)人體舒適度影響等方面進(jìn)行了綜合研究。有些外國(guó)研究者利用脈沖激光質(zhì)子的追蹤技術(shù)，對(duì)車內(nèi)的空氣流速、熱量分布等情況，設(shè)計(jì)汽車內(nèi)部三維模型去做有限元數(shù)值分析，以太陽(yáng)輻射需要時(shí)間過長(zhǎng)短為變量，檢測(cè)車內(nèi)溫度變化。有些前沿的國(guó)外學(xué)者針對(duì)風(fēng)能、太陽(yáng)能等清潔能源的特性展開了研究，更是對(duì)太陽(yáng)輻射相關(guān)的汽車乘客客艙熱環(huán)境及駕乘人員舒適度深入研究。

國(guó)內(nèi)的研究者在車內(nèi)部環(huán)境的研究也取得一定的成效。主要的研究有車內(nèi)部件吸收率、日曬時(shí)間與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、車輛有無(wú)縫隙等因素對(duì)車內(nèi)環(huán)境進(jìn)行研究，目前國(guó)內(nèi)針對(duì)車內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)的研究主要側(cè)重車內(nèi)污染物的監(jiān)測(cè)，卻忽視了在監(jiān)測(cè)車內(nèi)環(huán)境的同時(shí)，綜合考慮車外環(huán)境的監(jiān)測(cè)與比對(duì)[3]。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者研究表明，太陽(yáng)輻射是車內(nèi)室內(nèi)溫度場(chǎng)的最主要因素，為了保證車內(nèi)駕乘人員的舒適度，需要改善車內(nèi)外內(nèi)部環(huán)境，采用合適的汽車空調(diào)進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流換熱等方式進(jìn)行下一步研究。

2.2 智能化發(fā)展

隨著電子計(jì)算技術(shù)以及信息通訊的飛速發(fā)展，汽車日益增多以及伴隨道路環(huán)境復(fù)雜，汽車出行擁堵和安全所帶來(lái)的問題就顯得尤為突出，因此汽車智能網(wǎng)聯(lián)的發(fā)展是汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

汽車通風(fēng)系統(tǒng)在智能化應(yīng)用上較為多，自動(dòng)空調(diào)以及智能控制系統(tǒng)幾乎普遍目前所有的車型。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[4]，在原有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)智能化。

3 汽車智能型通風(fēng)裝置的設(shè)計(jì)方案

3.1 總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)目前汽車通風(fēng)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和現(xiàn)實(shí)狀況反饋，本文提出一套基于清潔能源為能量供應(yīng)，通過智能化的控制方式，在汽車通風(fēng)裝置中應(yīng)用設(shè)置的方案，解決發(fā)動(dòng)機(jī)熄火后通風(fēng)裝置無(wú)法持續(xù)工作，以及如何有效實(shí)現(xiàn)利用太陽(yáng)能完成通風(fēng)裝置智能化的控制等方面的問題，如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的總體執(zhí)行方案分為兩個(gè)部分，一是能量供應(yīng)部分，通過太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換得到的電能，通過充電控制裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)原車蓄電池和通風(fēng)裝置專用電池的狀態(tài)，當(dāng)兩者處于虧點(diǎn)狀態(tài)下優(yōu)先給予通風(fēng)裝置專用電池充電。二是執(zhí)行部分，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作后，分別由兩個(gè)蓄電池給通風(fēng)裝置提供能量，優(yōu)先由通風(fēng)裝置專用電池供電，執(zhí)行控制機(jī)構(gòu)通過感應(yīng)環(huán)境給車內(nèi)通風(fēng)換氣，保證車內(nèi)空氣恒溫、流通及安全性。該方案需要解決兩大關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)：一是清潔能源充電控制切換，二是感應(yīng)環(huán)境自動(dòng)變換的通風(fēng)模式。

3.2 清潔能源充電控制切換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

清潔能源充電控制切換系統(tǒng)屬于本文重要技術(shù)點(diǎn)，該切換系統(tǒng)主要由切換裝置控制模塊、控制單元、電流檢測(cè)模塊、電壓檢測(cè)模塊、數(shù)據(jù)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(cè)專用蓄電池和原車蓄電池充電情況，當(dāng)汽車行駛，通風(fēng)系統(tǒng)用原車蓄電池供電工作，指示燈1亮起，如果駐車狀態(tài)，通風(fēng)系統(tǒng)由專用蓄電池供電，指示燈2亮起，指示燈1和2之間只會(huì)亮一個(gè)，如果專用蓄電池屬于充電狀態(tài)，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(gè)模式下，顯示屏都會(huì)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前模式數(shù)據(jù)。

切換系統(tǒng)同時(shí)還具有雙檢測(cè)模塊，通過實(shí)時(shí)檢測(cè)兩蓄電池的電流電壓情況，能夠準(zhǔn)確判斷電池的當(dāng)前狀態(tài)，將數(shù)據(jù)回傳控制單元通過切換裝置控制模塊對(duì)兩個(gè)電池充電進(jìn)行切換。同時(shí)還設(shè)置手動(dòng)強(qiáng)制切換旋鈕，可以強(qiáng)制性給某一蓄電池充電。該切換系統(tǒng)同時(shí)設(shè)計(jì)有各項(xiàng)數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)接口，可以根據(jù)充電切換控制的數(shù)據(jù)，分析優(yōu)化裝置的控制時(shí)間以及控制形式，不斷優(yōu)化切換系統(tǒng)[5-6]。

圖2 充電控制切換系統(tǒng)

3.3 感應(yīng)環(huán)境自動(dòng)變換通風(fēng)模式的裝置設(shè)計(jì)

汽車各系統(tǒng)從原來(lái)手動(dòng)控制轉(zhuǎn)變?yōu)槿绾巫龅街悄芨袘?yīng)控制的智能化是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。汽車駐車時(shí)一年四季歷經(jīng)悶熱潮濕、高溫炎熱、干燥、寒冷結(jié)冰，汽車室內(nèi)環(huán)境溫度不平衡，所面臨的工作環(huán)境是復(fù)雜多變的，室內(nèi)經(jīng)歷夏天陽(yáng)關(guān)暴曬還會(huì)產(chǎn)生甲醛、苯等對(duì)人體有害的氣體。面對(duì)汽車室內(nèi)外溫度不平衡以及有害氣體產(chǎn)生，因此需要在通風(fēng)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中設(shè)計(jì)感應(yīng)環(huán)境自動(dòng)變換通風(fēng)模式的裝置。在總體方案中，通風(fēng)執(zhí)行裝置的供電系統(tǒng)由專用蓄電池供電和原車蓄電池供電，在駐車時(shí)，優(yōu)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(fēng)模式控制模塊設(shè)計(jì)為同一控制模塊的感知控制裝置。

該裝置主要由能量供應(yīng)切換模塊2、通風(fēng)控制模塊3、裝置外殼體1、外置鼓風(fēng)機(jī)控制5、鼓風(fēng)機(jī)支架4、鼓風(fēng)機(jī)15、濾網(wǎng)6以及各車內(nèi)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(yīng)源，優(yōu)先與專用蓄電池供電。通風(fēng)模式主要是分為驅(qū)散模式和常規(guī)模式。首先是驅(qū)散模式，驅(qū)散模式主要是針對(duì)室內(nèi)產(chǎn)生有害氣體以及室內(nèi)外溫差大于10攝氏度時(shí)候鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行全速運(yùn)轉(zhuǎn)快速驅(qū)散。該模式主要是由室內(nèi)傳感器和室外傳感器將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳遞至通風(fēng)控制模塊3，由模塊三發(fā)出全速啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)的指令使鼓風(fēng)機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)室內(nèi)外溫度趨近于3攝氏度以及室內(nèi)傳感器檢測(cè)有害氣體驅(qū)散趨于0時(shí)，通風(fēng)模式切換至常規(guī)模式。常規(guī)驅(qū)散模式主要是保持室內(nèi)溫差平衡，車內(nèi)外溫差小于10攝氏度時(shí)候根據(jù)溫差大小調(diào)整鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度。該模式主要是通過車內(nèi)溫度傳感器檢測(cè)車內(nèi)溫度與車外傳感器檢測(cè)車外溫度的差值，如果溫度較小，通風(fēng)控制模塊3將執(zhí)行控制傳遞給鼓風(fēng)機(jī)啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，溫差越大，鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度越大，直至車內(nèi)外溫度相對(duì)守恒。

4 結(jié)語(yǔ)

通過以上的研究不難發(fā)現(xiàn)，清潔能源在汽車智能通風(fēng)系統(tǒng)中的應(yīng)用可以解決發(fā)動(dòng)機(jī)熄火后通風(fēng)裝置無(wú)法持續(xù)工作的問題，以及如何有效實(shí)現(xiàn)利用太陽(yáng)能完成通風(fēng)裝置智能化的控制等方面的問題。太陽(yáng)能在汽車室內(nèi)的研究越來(lái)越受到關(guān)注。通過兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的把控，針對(duì)太陽(yáng)能輻射對(duì)溫度場(chǎng)和氣體場(chǎng)的影響進(jìn)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(wú)法實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)等眾多因素而停止的概念研究，通過本論文對(duì)清潔能源在汽車通風(fēng)系統(tǒng)裝置的設(shè)計(jì)，積極響應(yīng)國(guó)家對(duì)汽車安全設(shè)計(jì)、環(huán)保節(jié)能的政策要求，將太陽(yáng)能在汽車中的利用最大化，響應(yīng)節(jié)能減排號(hào)召，提高汽車的安全性。