車載新能源智能空氣循環系統設計

長春理工大學 陳慕奇 朱 賀 李 野

車載新能源智能空氣循環系統設計

長春理工大學 陳慕奇 朱 賀 李 野

本文針對汽車停放在室外時,因陽光暴曬引起的溫度升高,進而車內有害氣體增多的現象,設計一套基于光伏電池和超級電容為供電系統的智能空氣循環系統。這是一套獨立系統,可以適用于各類汽車且不用對車進行改動。同時,供電系統的串并聯切換設計可以讓系統適用性強。系統實時檢測車內溫度,當車內溫度過高,則啟動安裝在汽車外循環通風口的風扇,從而對車內空氣進行循環,改善車內空氣質量。

光伏;超級電容;空氣循環系統

0.引言

隨著社會發展,汽車逐步普及到各個家庭。它在為人類生活提供舒適和便捷的同時,也給人們的健康帶來一些負面危害,如車內揮發的有害氣體、滋生的細菌等對人的影響。汽車在啟動狀態下,由于人為干預,汽車內部空氣可以根據需要不斷調節,這種負面影響并不明顯;在熄火無人狀態下,密閉駕駛室內的空氣質量會隨車內溫度升高而急劇惡化,從而嚴重影響駕駛者和乘客健康。基于上述理由,設計智能車內空氣循環系統。該系統安裝在汽車外循環通風口。在汽車停放于露天環境時,當車內溫度升高,能夠通過該系統對車內空氣進行循環,從而降低車內有害氣體和細菌的數量,達到改善駕駛環境的目的。

1.方案設計

整體系統由溫度監測系統和供電系統兩部分組成。溫度監控系統主要是對車內環境溫度進行實時監測。如果環境溫度高于閾值溫度,則啟動風扇。供電系統是采用光伏電池為主,超級電容為輔的聯合供電系統,確保了系統的續航能力和安全性。

1.1 溫度監控系統

該系統采用熱敏電阻作為溫度探測器。利用熱敏電阻隨著溫度上升,電阻值下降的特性,把普通電阻和熱敏電阻串聯接在電路中。隨著溫度升高,熱敏電阻下降,熱敏電阻兩端壓降也下降。把該電壓導入用運算放大器設計的比較器中,并與我們設定的閾值電壓作比較。當熱敏電阻兩端電壓低于設定的閾值電壓時,比較器輸出信號控制繼電器開關打開,從而讓風扇轉動。

1.2 供電系統

本設計的供電系統采用光伏電池為主,超級電容為輔的聯合供電系統。光伏電池屬于清潔能源,在供能的時候不會對環境造成污染。同時,柔性光伏電池可以貼在車頂、車前后蓋等位置,方便且不需對車的外殼設計進行改造。

平時汽車啟動時,由于人工干預,車內有害氣體含量較低,系統無須工作,此時,光伏電池和超級電容并聯,光伏電池產生的能量通過超級電容儲存起來。當車處于熄火狀態,倘若陽光充足,光伏電池輸出的電能高,則光伏電池和超級電容并聯,系統直接由光伏電池供電。多余的電量儲存在超級電容中。倘若陽光不足,光伏電池輸出電能不夠,則光伏電池和超級電容串聯,聯合給系統供電。

1.3 供電系統串并聯切換設計

為了實現供電系統串并聯切換,設計與門電路,一路和測溫的比較器的輸出相連,一路和測量光伏電池輸出的比較器的輸出相連。與門電路的輸出連著控制串并聯的繼電器。如果溫度達到閾值溫度,并且光伏電池電壓低于閾值電壓,門電路輸出信號控制繼電器讓光伏電池和超級電容呈串聯狀態。其他情況下,門電路輸出信號控制繼電器讓光伏電池和超級電容呈并聯狀態。

2.硬件電路設計

2.1 主要參數設計

試驗中,法拉電容選用了3000F,2.7V的5節法拉電容串聯,變成600F,13.5V。柔性光伏電池選用功率為0.5W,輸出電壓2V的。本試驗設計柔性光伏電池8串4并,最大可以輸出16V1A的電能。風扇選用的是12V,0.1A的。未來實際中,可以根據需要增加或者減少風扇的個數和功率。為了系統的工作穩定性,光伏電池的Buck電路模塊輸出12.5V,而供電系統的Buck電路模塊輸出9V。

2.2 整體電路設計

根據設計方案和參數,本設計的原理圖如圖1所示。

圖1 系統原理圖設計

原理圖采用lm358運算放大器作為比較器。溫度控制系統如原理圖左邊部分所示。由熱敏電阻的上的電壓和可調電阻R2上的電壓(溫度調節閾值電壓)進入運算放大器做比較,輸出的信號控制NPN三極管導通狀態進而控制繼電器開關,從而控制風扇運作。

供電系統在原理圖右邊。由于超級電容有嚴格的電壓限制,超過了容易擊穿,損壞電容,所以在光伏電池的輸出加一個直流轉直流降壓式變換電路(DC-DC buck電路)模塊。這種電路模塊可以把輸入的直流高電壓轉化成設定的恒定的直流電壓輸出;如果輸入電壓低于恒定電壓,則輸出電壓等效于輸入電壓。光伏電池的Buck電路模塊的輸出在電阻R12的分壓和可調電阻R10上的分壓(串并聯切換閾值電壓)進入運算放大器做比較后,由運算放大器輸出串并聯切換信號,和溫控運放輸出一起作用于D1和D2組成的與門電路,控制NPN三極管Q2進而控制繼電器K2和K3改變串并聯方式。

同理,風扇、運放的供電和基準的參考電壓也需要穩定的供電電壓。所以在供電系統的輸出端,也接一個直流轉直流降壓式變換電路(DC-DC buck電路)模塊,讓整體系統的供電電壓穩定,從而使系統能穩定正常地工作。

3.模擬實驗

模擬試驗中,由于天氣變量不好控制,所以用直流穩壓源代替光伏電池的輸出。圖2中兩個電路是溫度監控和供電系統。按照原理圖連完電路后,用手捏住熱敏電阻加溫到閾值溫度,風扇轉動。由于直流穩壓源(模擬光伏電池)輸出電壓達不到閾值電壓,所以供電系統串聯,直流穩壓源輸出0.1A電流。圖中萬用表用于檢測法拉電容的電壓。

圖2 供電系統串聯的時候的系統工作狀態

圖3 是升高直流穩壓源(模擬光伏電池),使其輸出電壓超過閾值電壓。此時供電電路處于并聯狀態。供電電源在供電給風扇在轉動的同時,還給法拉電容充電,所以輸出電流達到0.82A。

圖3 供電系統并聯的時候的系統工作狀態

其他模擬試驗結果如下,當風扇不轉的時候,直流穩壓源(模擬光伏電池)只給法拉電容充電。當法拉電容的電壓高于供電電源電壓時,停止充電。

假設光伏電池出了開路問題,供電系統則一直處于并聯狀態,測溫系統和風扇可以直接由超級電容供電,系統仍然可以正常運行。

實際實驗如圖4所示,效果和模擬試驗中的試驗結果基本一致。

圖4 實際系統測試

4.結論

本車載新能源智能空氣循環系統設計,實現了溫度超過設定閾值溫度的時,利用光伏電池和超級電容的供電系統,讓連接在汽車外循環的風扇自動運行的預期目標,從而可以排出車內環境中有毒氣體。同時,該系統采用的聯合供電系統,不與車內任何系統有關聯,安全性強且可以適用各種汽車。

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陳慕奇(1991-),廣東汕頭人,理學碩士,現就讀于長春理工大學。

朱賀(1993-),吉林舒蘭人,理學碩士,現就讀于長春理工大學。

李野(1969-),吉林白城人,博士,研究員,主要從事光電子成像器件和微電子技術等方面的研究和教學工作。