李千千，倪小堅，韋世東

（梧州職業(yè)學(xué)院，廣西 梧州 543000）

0 引言

近年來，我國連續(xù)推出《中國制造2025》《綠色地球》《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》《國家環(huán)境保護標準“十三五”規(guī)劃》《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》《太陽能發(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。

汽車給我們帶來便利的同時也會給我們帶來一定的問題。有數(shù)據(jù)表明汽車在夏季陽光暴曬時，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(nèi)的塑料及皮革等會散發(fā)異味，極大可能產(chǎn)生各種對人體有害的氣體，面對這種情況多數(shù)的司機都是采用打開門或開窗以及打開空調(diào)驅(qū)散，短時間難以將氣味驅(qū)散，基于此，保持室內(nèi)通風(fēng)勢在必行。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

時代不斷的進步，世界各行各業(yè)正在快速的發(fā)展，隨著國家提出碳中和、節(jié)能環(huán)保等一系列發(fā)展政策，清潔能源在各個領(lǐng)域都得到有效的利用。全球清潔能源已經(jīng)進入一個快速轉(zhuǎn)型的時期，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能、風(fēng)能、生物能、水能、氫能等。其中太陽能和氫能在汽車上應(yīng)用越來越廣泛。

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(lián)合會聯(lián)合發(fā)布相關(guān)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(shè)行動計劃，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(yīng)用研究一直以來都是最為受到關(guān)注的一種清潔能源，而太陽能汽車的應(yīng)用一直以來被大多數(shù)國家作為汽車發(fā)展的大方向，但目前太陽能汽車大多數(shù)汽車制造商幾乎停留在概念車上，主要的一個問題是在于太陽能轉(zhuǎn)化時間較長，應(yīng)用時間消耗能源過快。

截止目前，太陽能在汽車上面的應(yīng)用主要以作為動力驅(qū)動和作為輔助設(shè)備的能源供應(yīng)。作為能源驅(qū)動主要是利用太陽能作為驅(qū)動力，代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃油車的車用燃料，此時傳統(tǒng)汽車動力輸出本有的發(fā)動機等將由電機代替，太陽能只需要將能量轉(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，目前直接作為動力驅(qū)動的太陽能汽車局限性很多，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)的太陽能應(yīng)用較為廣泛，也是接下來發(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)。解決完全依靠太陽能作為驅(qū)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(yīng)，蓄電池給電動機供電驅(qū)動后輪。利用太陽能的清潔能源作為動力既不會污染環(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

隨著國家對節(jié)能減排與安全要求不斷提高，清潔能源的興起是未來發(fā)展的趨勢。清潔能源在汽車動力電池上也迅猛發(fā)展，越來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、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行了綜合研究。有些外國研究者利用脈沖激光質(zhì)子的追蹤技術(shù)，對車內(nèi)的空氣流速、熱量分布等情況，設(shè)計汽車內(nèi)部三維模型去做有限元數(shù)值分析，以太陽輻射需要時間過長短為變量，檢測車內(nèi)溫度變化。有些前沿的國外學(xué)者針對風(fēng)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(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、日曬時間與太陽輻射強度、車輛有無縫隙等因素對車內(nèi)環(huán)境進行研究，目前國內(nèi)針對車內(nèi)環(huán)境監(jiān)測的研究主要側(cè)重車內(nèi)污染物的監(jiān)測，卻忽視了在監(jiān)測車內(nèi)環(huán)境的同時，綜合考慮車外環(huán)境的監(jiān)測與比對[3]。國內(nèi)外眾多學(xué)者研究表明，太陽輻射是車內(nèi)室內(nèi)溫度場的最主要因素，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)進行強制對流換熱等方式進行下一步研究。

2.2 智能化發(fā)展

隨著電子計算技術(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。

汽車通風(fēng)系統(tǒng)在智能化應(yīng)用上較為多，自動空調(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)機及通風(fēng)管路實現(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，實現(xiàn)智能化。

3 汽車智能型通風(fēng)裝置的設(shè)計方案

3.1 總體設(shè)計方案

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)動機熄火后通風(fēng)裝置無法持續(xù)工作，以及如何有效實現(xiàn)利用太陽能完成通風(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)計方案

本文設(shè)計的總體執(zhí)行方案分為兩個部分，一是能量供應(yīng)部分，通過太陽能轉(zhuǎn)換得到的電能，通過充電控制裝置實時監(jiān)測原車蓄電池和通風(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)動機停止工作后，分別由兩個蓄電池給通風(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：一是清潔能源充電控制切換，二是感應(yīng)環(huán)境自動變換的通風(fēng)模式。

3.2 清潔能源充電控制切換系統(tǒng)的設(shè)計

清潔能源充電控制切換系統(tǒng)屬于本文重要技術(shù)點，該切換系統(tǒng)主要由切換裝置控制模塊、控制單元、電流檢測模塊、電壓檢測模塊、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之間只會亮一個，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。不管是在哪一個模式下，顯示屏都會實時顯示當(dāng)前模式數(shù)據(jù)。

切換系統(tǒng)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(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兩個電池充電進行切換。同時還設(shè)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(tǒng)同時設(shè)計有各項數(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)境自動變換通風(fēng)模式的裝置設(shè)計

汽車各系統(tǒng)從原來手動控制轉(zhuǎn)變?yōu)槿绾巫龅街悄芨袘?yīng)控制的智能化是未來發(fā)展的趨勢。汽車駐車時一年四季歷經(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)歷夏天陽關(guān)暴曬還會產(chǎn)生甲醛、苯等對人體有害的氣體。面對汽車室內(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)行機構(gòu)中設(shè)計感應(yīng)環(huán)境自動變換通風(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，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)機控制5、鼓風(fēng)機支架4、鼓風(fēng)機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攝氏度時候鼓風(fēng)機進行全速運轉(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)出全速啟動鼓風(fēng)機的指令使鼓風(fēng)機全速運轉(zhuǎn)，當(dāng)室內(nèi)外溫度趨近于3攝氏度以及室內(nèi)傳感器檢測有害氣體驅(qū)散趨于0時，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攝氏度時候根據(jù)溫差大小調(diào)整鼓風(fēng)機運轉(zhuǎn)速度。該模式主要是通過車內(nèi)溫度傳感器檢測車內(nèi)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(fēng)控制模塊3將執(zhí)行控制傳遞給鼓風(fēng)機啟動運轉(zhuǎn)，溫差越大，鼓風(fēng)機的運轉(zhuǎn)速度越大，直至車內(nèi)外溫度相對守恒。

4 結(jié)語

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)動機熄火后通風(fēng)裝置無法持續(xù)工作的問題，以及如何有效實現(xiàn)利用太陽能完成通風(fēng)裝置智能化的控制等方面的問題。太陽能在汽車室內(nèi)的研究越來越受到關(guān)注。通過兩個關(guān)鍵技術(shù)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(xiàn)驅(qū)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(fēng)系統(tǒng)裝置的設(shè)計，積極響應(yīng)國家對汽車安全設(shè)計、環(huán)保節(jié)能的政策要求，將太陽能在汽車中的利用最大化，響應(yīng)節(jié)能減排號召，提高汽車的安全性。