清洁能源在汽车智能通风装置中的应用设计与研究

李千千，倪小坚，韦世东

（梧州职业学院，广西 梧州 543000）

0 引言

近年来，我国连续推出《中国制造2025》《绿色地球》《能源发展“十三五”规划》《国家环境保护标准“十三五”规划》《新能源汽车产业发展规划》《太阳能发展“十三五”规划》等一系列能源与制造装置发展政策，这些宏观调控政策奠定了太阳能在汽车发展方面的战略地位，为传统汽车转型指明了方向。

汽车给我们带来便利的同时也会给我们带来一定的问题。有数据表明汽车在夏季阳光暴晒时，熄火离开后车内温度每隔15min大约上升10℃，持续暴晒2h后基本达到峰值60～80℃，人员重新进入驾驶室时感到不适[1]。同时因为暴晒驾驶室内的塑料及皮革等会散发异味，极大可能产生各种对人体有害的气体，面对这种情况多数的司机都是采用打开门或开窗以及打开空调驱散，短时间难以将气味驱散，基于此，保持室内通风势在必行。目前正在面临汽车安全、环保和节能这三大问题，利用太阳能等清洁能源在汽车通风系统中的应用显得十分的重要。

1 汽车上清洁能源的应用

时代不断的进步，世界各行各业正在快速的发展，随着国家提出碳中和、节能环保等一系列发展政策，清洁能源在各个领域都得到有效的利用。全球清洁能源已经进入一个快速转型的时期，能源新技术正在影响着全球的能源格局，清洁能源作为绿色能源，目前清洁能源在工业上的利用主要有太阳能、风能、生物能、水能、氢能等。其中太阳能和氢能在汽车上应用越来越广泛。

1.1 氢能

首先是氢能，氢能的导热性属于在所有气体中最好，在能源工业中也应用广泛，作为良好的热传导载体，同时燃烧性能极好，可以快速点燃，并且燃烧生成气体无害，因此各个国家都在利用氢作为燃料。在2019年欧盟燃料电池和氢能联合会联合发布相关政策，到2030年欧盟将拥有370万辆燃料电池乘用车和50万辆燃料电池轻型商用车[2]。在我国已有多个省及辖市出台氢能源建设行动计划，预示着氢能源的快速发展，可见氢能在汽车应用上占有的比例越来越重。

1.2 太阳能

太阳能同样是具有取之不尽用之不竭的清洁能源美誉，太阳能在汽车上的应用研究一直以来都是最为受到关注的一种清洁能源，而太阳能汽车的应用一直以来被大多数国家作为汽车发展的大方向，但目前太阳能汽车大多数汽车制造商几乎停留在概念车上，主要的一个问题是在于太阳能转化时间较长，应用时间消耗能源过快。

截止目前，太阳能在汽车上面的应用主要以作为动力驱动和作为辅助设备的能源供应。作为能源驱动主要是利用太阳能作为驱动力，代替传统燃油车的车用燃料，此时传统汽车动力输出本有的发动机等将由电机代替，太阳能只需要将能量转换成电能提供能力输出，车辆的快慢由控制器调节电流的大小控制快慢，目前直接作为动力驱动的太阳能汽车局限性很多，因此应用较少。而另外一种作为辅助设备的能源供应的太阳能应用较为广泛，也是接下来发展迅猛，作为辅助应用主要是应用在一些汽车各系统部件当中作为能源供应。解决完全依靠太阳能作为驱动汽车的使用性的限制，目前比较多的是车顶上外挂电池板，用于给蓄电池作为辅助能源供应，蓄电池给电动机供电驱动后轮。利用太阳能的清洁能源作为动力既不会污染环境，也能做到零排放。

2 汽车车内部环境研究与智能化发展

2.1 汽车车内部环境研究

随着国家对节能减排与安全要求不断提高，清洁能源的兴起是未来发展的趋势。清洁能源在汽车动力电池上也迅猛发展，越来越多的研究者就汽车内部环境改善正在持续深入的研究，分别从气体流动、汽车车内外环境的仿真模拟以及车内人体舒适度影响等方面进行了综合研究。有些外国研究者利用脉冲激光质子的追踪技术，对车内的空气流速、热量分布等情况，设计汽车内部三维模型去做有限元数值分析，以太阳辐射需要时间过长短为变量，检测车内温度变化。有些前沿的国外学者针对风能、太阳能等清洁能源的特性展开了研究，更是对太阳辐射相关的汽车乘客客舱热环境及驾乘人员舒适度深入研究。

国内的研究者在车内部环境的研究也取得一定的成效。主要的研究有车内部件吸收率、日晒时间与太阳辐射强度、车辆有无缝隙等因素对车内环境进行研究，目前国内针对车内环境监测的研究主要侧重车内污染物的监测，却忽视了在监测车内环境的同时，综合考虑车外环境的监测与比对[3]。国内外众多学者研究表明，太阳辐射是车内室内温度场的最主要因素，为了保证车内驾乘人员的舒适度，需要改善车内外内部环境，采用合适的汽车空调进行强制对流换热等方式进行下一步研究。

2.2 智能化发展

随着电子计算技术以及信息通讯的飞速发展，汽车日益增多以及伴随道路环境复杂，汽车出行拥堵和安全所带来的问题就显得尤为突出，因此汽车智能网联的发展是汽车工业发展的必然趋势。

汽车通风系统在智能化应用上较为多，自动空调以及智能控制系统几乎普遍目前所有的车型。通风装置通过合理布置的鼓风机及通风管路实现车辆内外空气流通，使车内温度降低[4]，在原有稳定的结构基础上，实现智能化。

3 汽车智能型通风装置的设计方案

3.1 总体设计方案

根据目前汽车通风系统的研究现状和现实状况反馈，本文提出一套基于清洁能源为能量供应，通过智能化的控制方式，在汽车通风装置中应用设置的方案，解决发动机熄火后通风装置无法持续工作，以及如何有效实现利用太阳能完成通风装置智能化的控制等方面的问题，如图1所示。

图1 总体设计方案

本文设计的总体执行方案分为两个部分，一是能量供应部分，通过太阳能转换得到的电能，通过充电控制装置实时监测原车蓄电池和通风装置专用电池的状态，当两者处于亏点状态下优先给予通风装置专用电池充电。二是执行部分，当发动机停止工作后，分别由两个蓄电池给通风装置提供能量，优先由通风装置专用电池供电，执行控制机构通过感应环境给车内通风换气，保证车内空气恒温、流通及安全性。该方案需要解决两大关键技术点：一是清洁能源充电控制切换，二是感应环境自动变换的通风模式。

3.2 清洁能源充电控制切换系统的设计

清洁能源充电控制切换系统属于本文重要技术点，该切换系统主要由切换装置控制模块、控制单元、电流检测模块、电压检测模块、数据采集模块等组成。

该控制主要是通过电流以及电压模块检测专用蓄电池和原车蓄电池充电情况，当汽车行驶，通风系统用原车蓄电池供电工作，指示灯1亮起，如果驻车状态，通风系统由专用蓄电池供电，指示灯2亮起，指示灯1和2之间只会亮一个，如果专用蓄电池属于充电状态，指示灯3亮起，如果专用蓄电池已充满，正在给原车蓄电池充电，指示灯4亮起，3熄灭。不管是在哪一个模式下，显示屏都会实时显示当前模式数据。

切换系统同时还具有双检测模块，通过实时检测两蓄电池的电流电压情况，能够准确判断电池的当前状态，将数据回传控制单元通过切换装置控制模块对两个电池充电进行切换。同时还设置手动强制切换旋钮，可以强制性给某一蓄电池充电。该切换系统同时设计有各项数据采集以及数据接口，可以根据充电切换控制的数据，分析优化装置的控制时间以及控制形式，不断优化切换系统[5-6]。

图2 充电控制切换系统

3.3 感应环境自动变换通风模式的装置设计

汽车各系统从原来手动控制转变为如何做到智能感应控制的智能化是未来发展的趋势。汽车驻车时一年四季历经闷热潮湿、高温炎热、干燥、寒冷结冰，汽车室内环境温度不平衡，所面临的工作环境是复杂多变的，室内经历夏天阳关暴晒还会产生甲醛、苯等对人体有害的气体。面对汽车室内外温度不平衡以及有害气体产生，因此需要在通风系统执行机构中设计感应环境自动变换通风模式的装置。在总体方案中，通风执行装置的供电系统由专用蓄电池供电和原车蓄电池供电，在驻车时，优先使用专用蓄电池，再用原车蓄电池。其中能量切换控制模块和通风模式控制模块设计为同一控制模块的感知控制装置。

该装置主要由能量供应切换模块2、通风控制模块3、装置外壳体1、外置鼓风机控制5、鼓风机支架4、鼓风机15、滤网6以及各车内外传感器等组成。

图3 感知控制装置

能量切换控制模块主要是切换能量供应源，优先与专用蓄电池供电。通风模式主要是分为驱散模式和常规模式。首先是驱散模式，驱散模式主要是针对室内产生有害气体以及室内外温差大于10摄氏度时候鼓风机进行全速运转快速驱散。该模式主要是由室内传感器和室外传感器将检测数据传递至通风控制模块3，由模块三发出全速启动鼓风机的指令使鼓风机全速运转，当室内外温度趋近于3摄氏度以及室内传感器检测有害气体驱散趋于0时，通风模式切换至常规模式。常规驱散模式主要是保持室内温差平衡，车内外温差小于10摄氏度时候根据温差大小调整鼓风机运转速度。该模式主要是通过车内温度传感器检测车内温度与车外传感器检测车外温度的差值，如果温度较小，通风控制模块3将执行控制传递给鼓风机启动运转，温差越大，鼓风机的运转速度越大，直至车内外温度相对守恒。

4 结语

通过以上的研究不难发现，清洁能源在汽车智能通风系统中的应用可以解决发动机熄火后通风装置无法持续工作的问题，以及如何有效实现利用太阳能完成通风装置智能化的控制等方面的问题。太阳能在汽车室内的研究越来越受到关注。通过两个关键技术的把控，针对太阳能辐射对温度场和气体场的影响进行更为深入的研究，具有较高的理论高度，彻底突破能量过小无法实现驱动等众多因素而停止的概念研究，通过本论文对清洁能源在汽车通风系统装置的设计，积极响应国家对汽车安全设计、环保节能的政策要求，将太阳能在汽车中的利用最大化，响应节能减排号召，提高汽车的安全性。