基于太陽能發電的停車狀態下車內空氣質量自調節系統的設計

黃晨峻，馬繽輝，徐敬雨，鄭中華，鐘映輝，李學攀

(湖南科技大學機電工程學院，湖南湘潭 411201)

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，汽車數量增長越來越快，但汽車停車位緊缺，多數汽車只能停在太陽底下暴曬。研究發現車輛熄火后每隔15 min車內空氣溫度大約上升10 ℃，持續2 h暴曬可達60～68 ℃，儀表盤控制臺表面溫度可達75 ℃甚至更高，座椅表面溫度大約65 ℃。為將車內溫度降至30 ℃，需要啟動車輛空調15～20 min，約耗油0.4 L。汽車暴曬的時間越長，汽車空調降溫時間越長，增加耗油量，加劇有害氣體的排放。研究顯示，汽車怠速時開空調的油耗比普通怠速要高15%，并且怠速時汽油燃燒不完全，釋放出的 CO、NO 等有害氣體增多，是正常狀態下的5倍，會對大氣環境造成嚴重的污染，同時還浪費能源。而且強烈的太陽輻射照射會使車內的真皮座椅和儀表臺等設施產生甲醛、苯等有害物質，由于在車內的封閉環境下，因此會對人類健康產生影響；更為嚴重的是溫度過高會引起汽車內物品自燃，容易給用戶造成嚴重的生命財產安全。同時當汽車熄火時，由于發動機沒有正常運行，因此不會帶動車內發電機進行正常發電，使汽車在停車熄火時無法獲得充足的電力能源。

基于以上汽車車內溫度升高而產生的一系列問題，本文作者設計了一種基于自動跟蹤太陽能發電的車內環境自調節系統，該系統以太陽能為汽車提供電能，同時通過自動跟蹤太陽能以實現發電效率的最大化，同時可以在汽車熄火后控制制冷系統以及換氣系統，來進行汽車內不同溫度工況下的車內環境自調節[1-4]。

1 系統總體的設計方案

圖1為系統工作流程圖。系統通過光敏電阻傳感器檢測太陽光照強度，并由單片機發出跟蹤控制信號，通過驅動步進電機轉動，使太陽能電池板保持垂直于太陽光，實現最大效率地利用太陽能。太陽能電池板給蓄電池充電，并由繼電器控制換氣扇、鼓風機、冷氣機的工作。換氣扇保持車內空氣與外界空氣的流通，鼓風機促進車內空氣的循環并達到初步降溫的效果，冷風機進一步降低車內的溫度以及維持車內的濕度，再通過溫度傳感器和濕度傳感器反饋給單片機來控制繼電器的通斷，從而調整換氣扇、鼓風機、冷氣機的工作狀態，來維持汽車內的環境在一個穩定而舒適的狀態。

圖1 系統工作流程

1.1 系統硬件設計

系統的硬件主要包括自動跟蹤太陽能發電的機械結構部分如步進電機、轉動圓盤、減速器、太陽能電池板等，其次該系統主要有換氣扇、鼓風機、冷氣機來模擬汽車內的空調機，通過結合溫、濕度傳感器、PM2.5、CO、NO等有害氣體傳感器采集相應的信號后反饋給汽車ECU，從而通過ECU 控制車內相應的繼電器以控制空調機等調節環境裝置來進行工作，從而使汽車在熄火駐車時能更加智能化地調節車內的環境，以給駕駛員和乘客在進入汽車時有更舒適的環境。

1.2 系統的軟件設計

系統利用單片機模擬汽車的ECU來進行硬件控制，并利用C語言進行單片機程序的編寫，通過溫濕度傳感器、有害氣體傳感器等多種傳感器的信號對車內環境進行數據采集，通過單片機綜合計算后對車內設施進行控制，具體控制原理是通過設定相應的標準值，并使采集的數據與標準值進行比較，從而使系統在不同的環境能控制相應的車內設施進行工作，以實現調控車內環境的目的[5]。

同時自動跟蹤器的軟件部分是由自主設計的太陽能光敏自動跟蹤傳感盒結合紅外線自動跟蹤模塊進行雙保險設計，以保障跟蹤精度能更好地實現，并通過單片機結合傳感的反饋數據對機械結構的步進電機進行控制，使太陽直射在太陽能光伏發電板上，實現發電效率的最大化。

2 系統工作原理

2.1 整體工作原理

圖2為系統整體工作原理。車內溫濕度控制系統主要由信號采集及控制系統、電池系統、換氣系統、制冷系統組成。其中電池系統包括12 V蓄電池、太陽能電池板、繼電器4和太陽能控制器。太陽能電池板給蓄電池充電，蓄電池設置有過放保護及虧電條件下太陽能電池給蓄電池充電；且蓄電池設置有過充保護，電量飽和時停止充電，信號采集及控制系統包括溫濕度采集單元、單片機、電壓及電流采集單元[3]。信號采集單元將采集的信號傳輸至單片機，單片機給換氣系統和制冷系統發送相應的控制指令。換氣扇和冷風機有工作和關閉兩種狀態。單片機控制鼓風機在不同的溫度下有相應的工作狀態。

圖2 系統整體工作原理示意

2.2 溫度控制系統工作原理

圖3所示為車內溫度控制系統原理圖。

圖3 車內溫度控制系統原理

圖中T為實時監測的車內溫度，T1為車內高溫，T2為車內中溫，T3為車內中溫緩沖區域下限。U為蓄電池電壓，控制系統主要功能為:

(1)太陽能電池板對蓄電池常態充電，并設置有過充和過放保護；

(2)可人為進行總開關通斷，當總開關關閉時，系統不通電，當總開關開啟時，系統進入待命狀態，傳感器開始實時檢測車內溫度；

(3)當車內溫度T>T1時，系統控制鼓風機2擋和換氣扇電路同時工作，鼓風機輸送外界低溫空氣(相對車內而言)至車內，換氣扇排出車內高溫氣體，使車內溫度降低；

(4)當車內溫度T1>T>T2時，鼓風機1擋和冷風機同時接通，車內開始制冷降溫；

(5)當車內溫度T2>T>T3時，鼓風機停止工作，冷風機持續工作，直至車內溫度低于T3；

(6)當車內溫度T

3 系統各部分設計及原理

3.1 自動跟蹤器的設計

如圖4所示，太陽電池板的偏轉角度隨太陽的運行軌跡變化而變化，使太陽入射光線垂直照射到太陽電池板上，充分接收太陽輻射能量。其工作方式分為3種情況：(1)白天晴天跟蹤模式。白天晴天時，氣候條件好，為正常工作狀態。(2)白天陰雨天時跟蹤模式。在陰雨天時，太陽的光線較暗，光照強度低于設定值時(設定值可通過實驗得出)，暫停跟蹤，跟蹤裝置的執行機構保持在當前位置，以減少機械損失。(3)夜晚裝置停止工作，裝置處于待命狀態，等待天亮達到一定光照強度后，再啟動裝置，并與車內的溫度傳感器協同工作，當車內溫度低于一定值時，由太陽能板發電。

圖4 太陽能電池板方位的變化

3.1.1 自動跟蹤器機械部分的設計及原理

系統將太陽能電池板的跟蹤控制分為方位角(左、右)和俯仰角(上、下)兩個單元。其中機械轉向機構主要由底座、下層固定平臺、上層旋轉平臺、步進電機、減速器、擺臂和太陽能電池板等組成。另外控制部分考慮到電池板及支架質量和刮風天氣等因素的影響，故在方位角控制都采用步進電機和減速器配合驅動。

系統俯仰角及方位角的控制結構如圖5所示。

圖5 太陽能跟蹤器機械結構示意

當太陽光照到傳感器產生不對稱時，傳感器可以根據輸出電壓不相等來驅動電機轉動；當電機所轉角度使得輸出電壓相等時，傳感器兩端光照對稱，兩根信號線輸出相同的電壓，并且電機停止轉動[6]。

3.1.2 自動跟蹤器電子器件部分設計及原理

圖6為太陽能跟蹤裝置的傳感器檢測原理。該裝置設計為一個墨黑色方形盒子，頂部正中心開一小孔，小盒子通過內設置兩個環形排列的16個光敏電阻和中心一只光敏電阻感應，由系統電控單元通過多路復用AD轉換的形式獲取并對比每個光敏電阻上的光強度，從而控制器可以進行相應的控制。系統工作時，盒子上表面與太陽能電池板放置并保持平行，促使位置由日出方向決定[7]。在跟蹤太陽能位置時，電池板如何跟蹤太陽的初始狀態如圖6左邊所示，太陽光線穿過盒子上表面中心的小孔后照射在外環側排列的光敏電阻上后，系統電控單元將測得該電阻上及附近電阻受光強較大，通過比較和判斷，系統將逐步驅動裝置的俯仰角和方位角，最終達到如圖6右邊所示的位置，從而達到電池板始終保持與太陽輻射垂直的目的。

圖6 太陽能跟蹤裝置的傳感器檢測原理示意

如圖7所示，系統利用光敏檢測模塊檢測當前環境中光線的強弱，從而驅動執行機構兩個步進電機進行運動，步進電機采用二維自動跟蹤裝置來控制太陽電池板做水平旋轉和俯仰運行，以實現對太陽跟蹤的反饋控制。

圖7 跟蹤式太陽能電池板發電系統的流程

3.2 光伏發電原理

整個裝置都由太陽能電池將太陽能轉換為電能來供能。它根據光強和溫度等條件，以一定的輸出特性對外輸出功率。DC-DC控制器是控制系統中的核心部件，其最大功率點跟蹤控制(MPPT)，可以使系統最大程度地利用太陽能，而且還能根據事先設定的控制策略實現對能源的管理。MPPT彌補太陽能電池本身性能和使用條件的不足。蓄電池的充放電控制器則能按照一定模式對蓄電池進行充放電管理，以提高其工作性能，延長工作壽命[4]。主要組成部分如圖8所示。

圖8 光伏系統組成

3.3 車內有毒氣體及空氣新鮮度的控制原理

控制系統通過使用NOX、CO2、CO、HC等一系列的傳感器探測車內各種氣體的濃度，然后通過傳感器將其轉換成電信號,通過電腦對數據進行采集并和室內空氣質量標準數據進行參數比較,如果超出質量標準設定值，系統就會發出相應語音提示，如“CO2氣體現在已經超過了安全標準,請及時打開窗戶”的語音提示。當語音提示后窗戶未打開時，系統及時發出警報聲并向車主發送短信，方便車主不在車內也能及時了解車內狀況[8]。

3.4 無線通信模塊

該模塊采用ZigBee技術，并具有成本低、低能耗時延短、可靠等優點，可通過手機實時監測車內溫濕度，及時了解車內狀態，針對個人情況設定車內溫度，及時調整以達到人體適宜溫度。工作原理圖如圖9所示。無線控制模塊如圖10所示。

圖9 無線控制原理

圖10 無線控制模塊

4 結束語

系統工作的環境主要是針對于夏天陽光暴曬的情況，在保證晶體硅太陽電池板給蓄電池所充的電源能量足夠前提下，換氣扇和鼓風機模擬對汽車空調機的綜合作用，使車內空氣與外界空氣保持循環流通，從而保證車內空氣清新，大大減少了車內真皮座椅和儀表臺等設施由于高溫而產生的有害氣體。其次，空調機能進一步降低車內的溫度，并保證車內的濕度。整個系統由繼電器、傳感器和單片機綜合控制，并設有基于ZigBee技術的智能無線控制，能對車內的環境監控并做出迅速的反應以及控制，使車內環境保持在一個舒適而健康的狀態。