一种太阳能汽车换气装置的设计研究

曾清德 覃日锦 陈伟宗

摘 要：炎热的夏天里汽车在停放时在太阳下，在阳光的照射下，汽车车厢内因无空调在运行，又无通风的条件下，会使汽车不断吸收太阳光的热量，从而车内的温度很高。该装置是在汽车发动机在熄火空调停止工作时仍可继续实现换气功能，使车厢内外的一个气体更换温度平衡；即钥匙处于ON档、车厢内温度达到设置温度值、有充足的阳光供太阳能电池板生电（或蓄电池有充足的电）。设计研究主要是通过对鼓风机的选购，蓄电池类型选择，针对蓄电池的容量、鼓风机功率，选择必要的太阳能电池板发电功率，及单片机对整个换热系统进行控制。

关键词：太阳能换气装置；鼓风机；太阳能电池板；单片机控制

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

在炎热的夏天里，很多的汽车在停放时难免会被太阳照射到，在阳光的照射下过程中，汽车车厢内因无空调在运行，又无通风的条件下，会使汽车不断吸收太阳光的能量，从而提升了汽车车内的温度，相对于车外部的温度来讲，车内的温度会比车外的温度要高出很多。这时直接进入未启动空调的车厢内，会因为车内外的一个温度差，而闷热感在短时间内无法适应下来，甚至中暑。同时，汽车在太阳的猛烈照射下时，车厢内会也产生一些材料的有害物，如甲醛、苯、甲苯、二甲苯等，这些化学物质都是可以对人体产生一定危害的。基于此种情况，在此研究设计了一款利用太阳能驱动汽车发动机停机时换气装置。

该换气装置的主要组成部分有：汽车鼓风机、免维护启动蓄电池、太阳能发电电池板、太阳能控制器、信号处理器单片机、小电机马达、继电器、保护电阻等。以鼓风机为驱动力，通过空气滤清器，将清洁的空气送进车厢内，同时在后尾箱处设一电动通气孔，鼓风机在发动机熄火时启动，电动通气孔也同时开启，从而做到车厢内空气不断与外界作循环换气，尽可能的做到车厢内外的一个温度平衡，也做到了消除一定异味的功效。该装置主要利用电能来源于太阳能和蓄电池在汽车行驶过程中充电存储留下来的电。太阳能电池板与蓄电池相互为主輔，在阳光充足的情况下，太阳能有足够的电能提供时，会给蓄电池和鼓风机供电，太阳能产生的电能不够充足时，以蓄电池辅助供电；当蓄电池电能消耗到预留汽车启动电压时，停止一切换气工作，太阳能电池板仅供蓄电池充电。

1 鼓风机设计

鼓风机是整个系统的中，最为直接工作的一个部件，它的工作极为重要，可以直接的影响整个系统的参数选定。根据鼓风机的一种类型选购，需求功率的大小，决定蓄电池的容量大小和太阳能电池板的电量供给进行选择，以确保在工作过程中对电能的需求量，以避免超负荷的出现，缩短整个系统使用寿命。

1.1 鼓风机的选购

1.1.1 选购雪佛兰新赛奥离心式鼓风机PP-T20，做试验样机

1.1.2 鼓风机的额定参数

为了让试验顺利进行，选购的鼓风机额定功率为90W，额定电流7.5A，内阻1.6Ω，额定电压12V，控制器控制鼓风机。

1.2 鼓风机的控制过程

太阳能电池板产生的电，先进入太阳能控制器，再由太阳能控制器对蓄电池充电；在太阳能能产的电不够时，控制器与蓄电池相连的两个充电端子就会变成供电端子，将电流入控制器中，再由控制器的另两个电流输出端子对各个用电器进行供电，单片机接到启动信号时便接通鼓风机继电器，通电鼓风机工作，如下图所示：

2 免维护蓄电池的选购

根据鼓风机的额定参数计算，选择了浙江巨江电源制造有限公司的鸿雁免维护蓄电池6-QW-72（650），额定电压12V，电池容量72A.H，蓄电池的选购尽可能的选购高容量的免维护蓄电池，选择其他类型的蓄电池也是可以的，只要它满足汽车的启动性能和高容量即可。

3 太阳能电池板

3.1 太阳能电池板规格参数选择

因汽车的空间有限，先采取品牌为高翔的太阳能电池板规格规格50w/12V 尺寸：670*540*25MM；参数要求，功率50W， 功率偏差3%， 峰值电压17.64v，峰值电流2.8A，开路电压21.42V，短路电流3.14A。

3.2 太阳能能源在换气装置中的作用

太阳能电池板在整个系统设计中，其主要的作用是发电，汽车在行驶时，太阳能电池板会和发电机同时发电，同时给用电设备供电和蓄电池充电；在汽车发动机停止工作时，太阳能电池板，仍继续给蓄电池充电，太阳能电池板在该装置中起主要作用，在太阳充足时，鼓风机开最低档时，可单独给鼓风机供电和蓄电池充电；在鼓风机开中速档和高速当时，和蓄电池同时供电。若没有太阳能电池板的参与，鼓风机在使用蓄电池的电能时，就没有后备电源的支持，从而导致，蓄电池耗能过多，影响汽车的启动。

4 太阳能控制器系统

4.1 控制器的工作原理

太阳能电池板属于光伏设备（主要部分为半导体材料），它经过光线照射后发生光电效应产生电流。由于材料和光线所具有的属性和局限性，其生成的电流也是具有波动性的曲线，如果将所生成的电流直接充入蓄电池内或直接给负载供电，则容易造成蓄电池和负载的损坏，严重减小了他们的寿命。因此必须把电流先送入太阳能控制器，采用一系列专用芯片电路对其进行数字化调节。

4.2 设计装置中控制器的系统控制

太阳能产生的电流后，通过控制器，再由控制器给蓄电池充电或供用给鼓风机；同理，鼓风机欲使用蓄电池电能时，蓄电池电流也是先经过控制器的调控后，再供给鼓风机，这样做的目的：一是为了稳定放电电流；二是为了保证蓄电池不被过放电；三是可对负载和蓄电池进行一系列的监测保护，从而起到一个保护的作用。

采用的控制器规格148.57mm*77.99mm，外接端子有六个，两端子接太阳能电池板的正负极端子，为输入端子；另两端子接蓄电池正负极，为输出端子；最后两端子接用电器的正负极端子，为输出端子；两对输出端，一对输入端。显示器显示控制器的控制工作状态，有数字显示区，充电标识，电池电量标识，负载标识等，在系统工作时，可以通过观察控制器开判断，控制器控制的范围内工作的情况。

5 单片机

本设计主要是以STC12C5A60S2为主控、DS18B20数字温度传感器为温度测量传感器、DS1302为实时时钟模块、AT24C02为系统参数存储模块、LM2596-5.0为5伏电源供给模块、小型继电器做输出开关、采用8550三级管对继电器进驱动、采用光耦器件对输出与单片机之间进行光电隔离，输入与输出接口采用晚插拨的KF2EDGK型接插座，便于接线并能使整个控制板能整体拆下或更换。

5.1 单片机控制板功能说明

本控制板输入电源为直流12伏，控制板主要有五个接口插座，包括电源输入接口（con1插座）、LCD显示屏接口（XH3插座）、输出接口（con2插座）、数字温度传感器接口（XH1插座）与程序下载端口（H1插座）。12伏电源从电源输出接口输入，通过电源模块进行降压、隐压后提供整块板的5伏电源，数字温度传感器连接于温度传感器接口（XH1座子），单片机对数字温度传感器进行初始化后，每个扫描周期内都进行一次温度读取，并将所读到的当前环境温度进行存储，用当前温度与系统内存储的设计温度进行对比，根据程序预先设置好的条件控制输出继电器进行风机挡位输出。并把从温度传感读到的当前环境温度显示在128*64的LCD显示器上，控制板上有一双色的工作指示灯，程序正常运行时指示灯会交替显示红绿色，当远程开关信号输入为12伏时程序停机显示红色灯常高。输出接口总共有start、Q1、Q2、GND、S1、S2、S3七个接线柱，start为系统的远程开关信号输入，当此端口有12伏输入时程序停止运行状态，工作指示灯状态为红灯常高，当此端口输入信号为0伏时为系统运行状态，工作指示灯状态为红、绿交替闪烁；Q1端口为行程开关信号，当系统从停机状态时Q1端口輸出高电平2秒种后恢复0伏输出；Q2端口与Q1相反，当系统准备同运行状态转为停机状态前Q2输出高电平2秒后才进行停机；GND端口为外接引风机（或鼓风机）的电源负线，S1为外接引风机（或鼓风机）的三挡接口，当系统检测到当前环境温度高于32度时S1有输出；S2为外接引风机（或鼓风机）的二挡接口，当系统检测到当前环境温度为28至32度之间时S2有输出；S3为外接引风机（或鼓风机）的一挡接口，当系统检测到当前环境温度为24至28度之间时S3有输出；当系统检测到当前填平温度低于24度时S1、S2、S3都无输出。每个风机挡位对应该的环境温度范围是由芯片内存储的参数确定的，要修改参数必须对程序进行修改，把修改好的程序重新下载到控制板内方或实现。

5.2 温度传感器

本设计采用的温度传器为不锈钢封装的防水型数字温度传感器。传感器的核心即为达拉斯出品的DS18B20数字温度传感器，本传感器对温度比较灵敏，反应速度快，三线接口，采用I?C总线通讯方案，只需要一根线与主控制芯片进行连接便可进行准确的温度测量。

6 总结

（1）太阳能电池板功率最低要求可提供鼓风机最低档工作，且体积形状尽可能得紧凑，同时还要有足够的电量为蓄电池充电。当阳光充足时，支持鼓风机工作，为蓄电池充电；当阳光较弱时，且还能产生一定的电量，此时就辅佐蓄电池为鼓风机供电；

（2）控制器主要控制太阳能电池板电压，且可以自动调节电压的稳定，以防过多的电压对蓄电池等造成损坏，或给鼓风机供电不足，不会受阳光的强弱而影响，起到保护和分配电压的作用；控制器还可调节在蓄电池电压低于40%时，自动切断为鼓风机供电，接通为蓄电池充电；当阳光很弱时，仅为蓄电池充电；

（3）单片机实行控制方式。整体系统有一个温度传感器，主要检测车内温度情况，在适应温度时刻，中央处理器控制鼓风机工作；控制器处于蓄电池与太阳能电池板之间，当太阳能产生的电压够充足时，会对蓄电池进行充电和对鼓风机供电，供应与切断由太阳能电池板控制器控制。鼓风机工作要满足三个条件，一是蓄电池电压不低于40%；二是太阳能电池板有足够的电压；三是室内的温度高于24度时；当满足了这三个条件，ECU就会控制鼓风机旋转排气；

（4）蓄电池用于辅助供电，尽可能选择大容量蓄电池，以免储电不足，对汽车造成影响，一是长期电量不足容易加速电池的老化，二是汽车启动困难；拥有较大的容量不但可以更长久的辅助太阳能蓄电供电，还不会影响汽车的启动；

（5）继电器在线路中主要起切断与闭合鼓风机的线路的作用，磁线圈受ECU控制，闭合与切断受个传感器传给ECU的信号决定；

（6）车内温度传感器主要用于检测车内温度，用于判断鼓风机的电路通断。

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作者简介：曾清德（1966-），男，研究生，副教授，研究方向：车辆工程。