自動(dòng)感溫車用換氣系統(tǒng)研究

關(guān)鍵詞：自動(dòng)感溫；車內(nèi)環(huán)境；太陽(yáng)能；節(jié)能減排

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）28-0092-03

1 研究背景和意義

1.1 研究背景

當(dāng)前，夏季長(zhǎng)時(shí)間室外停車的汽車常因車內(nèi)溫度過(guò)高而影響駕駛員的舒適度，甚至引發(fā)健康問(wèn)題。同時(shí)，高溫還帶來(lái)了一系列其他問(wèn)題。因此，尋找有效方法降低車內(nèi)溫度成為當(dāng)前的重要任務(wù)。通過(guò)文獻(xiàn)回顧，我們發(fā)現(xiàn)我國(guó)學(xué)者在太陽(yáng)能在汽車上的應(yīng)用及汽車空調(diào)系統(tǒng)的研究方面取得了顯著成果。曾清德等人[1]設(shè)計(jì)了一種基于太陽(yáng)能的通風(fēng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用太陽(yáng)能板和電池作為輔助電源，通過(guò)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)外加鼓風(fēng)機(jī)工作，形成氣體循環(huán)以降低車內(nèi)溫度。受此啟發(fā)，我們決定應(yīng)用太陽(yáng)能發(fā)電作為本系統(tǒng)的主要能源來(lái)源。張輝等人[2]以金龍客車XMQ6121G為模型，設(shè)計(jì)了一套集節(jié)能減排、經(jīng)濟(jì)與環(huán)保效益于一體的空調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要通過(guò)太陽(yáng)能和汽車尾氣實(shí)現(xiàn)制冷效果。在此基礎(chǔ)上，我們?cè)黾恿俗詣?dòng)啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)及根據(jù)溫度監(jiān)測(cè)自動(dòng)換擋的功能，從而設(shè)計(jì)出自動(dòng)感溫車用換氣系統(tǒng)，旨在有效解決高溫帶來(lái)的問(wèn)題，并探索其在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。羅庚[3]對(duì)車載太陽(yáng)能恒溫系統(tǒng)在不同仿真工況下的性能進(jìn)行了深入分析，這一研究方法為汽車電控產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供了有力支持，有助于縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，并減少不必要的成本支出。

1.2 研究意義

利用太陽(yáng)能板為蓄電池充電，并通過(guò)外接的升壓電路將電能輸入至Arduino單片機(jī)，旨在利用太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化的電能驅(qū)動(dòng)汽車自帶的換氣系統(tǒng)工作，借助車內(nèi)鼓風(fēng)機(jī)和進(jìn)氣排氣口的協(xié)同作用，迅速降低車內(nèi)溫度。此方法實(shí)現(xiàn)了車內(nèi)外溫度的動(dòng)態(tài)平衡，有效降低了車內(nèi)溫度，力求達(dá)到汽車內(nèi)外熱平衡狀態(tài)，為乘車人員創(chuàng)造舒適的乘車環(huán)境，同時(shí)提升行車安全性。此外，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能不僅滿足了系統(tǒng)工作的需求，還避免了汽車自身能源的浪費(fèi)。

2 自動(dòng)感溫車用換氣系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

基于汽車空調(diào)系統(tǒng)的工作原理，針對(duì)夏季停車時(shí)車內(nèi)溫度過(guò)高的問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)車內(nèi)溫度的自動(dòng)感溫車用換氣系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。該系統(tǒng)通過(guò)溫度傳感器采集溫度信號(hào)，并實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前車內(nèi)溫度。控制系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)手動(dòng)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，若手動(dòng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，則系統(tǒng)停止工作；若閉合，則將信號(hào)發(fā)送給Arduino單片機(jī)。Arduino單片機(jī)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析并與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較后，向系統(tǒng)發(fā)送控制信號(hào)。當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到車內(nèi)溫度大于或等于設(shè)定溫度（30攝氏度）時(shí)，Arduino單片機(jī)將自動(dòng)閉合系統(tǒng)開(kāi)關(guān)，啟動(dòng)汽車自帶的空調(diào)系統(tǒng)，通過(guò)車內(nèi)鼓風(fēng)機(jī)和進(jìn)氣排氣口的協(xié)同作用，迅速降低車內(nèi)溫度。在此過(guò)程中，若測(cè)得溫度位于預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，系統(tǒng)將根據(jù)具體溫度區(qū)間合理調(diào)整鼓風(fēng)機(jī)的檔位（即風(fēng)力大小），以實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。駕駛員在短時(shí)間停車時(shí)，離車前可通過(guò)控制手動(dòng)開(kāi)關(guān)來(lái)設(shè)定系統(tǒng)的開(kāi)啟或關(guān)閉狀態(tài)。此外，太陽(yáng)能板負(fù)責(zé)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，為整個(gè)系統(tǒng)供電，剩余電能則儲(chǔ)存于蓄電池中或供給汽車的其他工作系統(tǒng)使用。

2.2 硬件與測(cè)控電路設(shè)計(jì)

2.2.1 溫度傳感器LM35D

將溫度傳感器LM35D置于汽車室內(nèi)環(huán)境中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)車內(nèi)環(huán)境溫度的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。該傳感器是一種輸出電壓與攝氏溫度成正比的設(shè)備，其靈敏度高達(dá)10mV/℃，且在靜止溫度環(huán)境中具有低自熱效應(yīng)，工作電壓內(nèi)呈現(xiàn)小電流、恒流特性，因此幾乎無(wú)須考慮散熱問(wèn)題。即其自身工作時(shí)產(chǎn)生的溫度可忽略不計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)高精度環(huán)境溫度檢測(cè)。通過(guò)OUT輸出引腳與單片機(jī)的A0引腳相連，可直接將環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)的電壓轉(zhuǎn)換為0～5V DC標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)并輸入至單片機(jī)，無(wú)須額外使用外圍元件配置電路。傳感器所測(cè)量的環(huán)境溫度為車輛內(nèi)部所有物體溫度的均值。

2.2.2 自鎖型開(kāi)關(guān)

將按鈕與Arduino單片機(jī)相連，并置于駕駛室中控臺(tái)，以便駕駛員根據(jù)自身需求選擇性開(kāi)啟或關(guān)閉系統(tǒng)。這樣既能滿足駕駛?cè)藛T的溫度需求，又不妨礙駕駛員視野及行車操控。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理模塊

使用Arduino單片機(jī)開(kāi)發(fā)板接收溫度傳感器及開(kāi)關(guān)輸入的信號(hào)，并向Oled顯示屏及溫控執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出信號(hào)。Arduino單片機(jī)基于ATmega2560微控制器，擁有54路數(shù)字輸入/輸出端口、16路模擬輸入端口、4路UART串口以及16MHz的晶振。其主要功能在于處理LM35和開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)，并控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。開(kāi)發(fā)板位于車輛中控臺(tái)內(nèi)部，所有元件均與單片機(jī)相連，采用I2C通信協(xié)議與單片機(jī)通信，控制Oled顯示屏實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前車內(nèi)溫度和執(zhí)行模塊的運(yùn)行狀態(tài)。

2.2.4 系統(tǒng)執(zhí)行模塊

在降溫模式下，采用汽車自帶的鼓風(fēng)機(jī)直吹以降低車內(nèi)溫度。使用小風(fēng)扇模擬汽車空調(diào)系統(tǒng)中的鼓風(fēng)機(jī)，該風(fēng)扇具有兩個(gè)引腳，其中正極引腳與單片機(jī)6號(hào)I/O口相連，該引腳支持PWM波形輸出。通過(guò)調(diào)節(jié)PWM波的占空比，可控制風(fēng)扇加載的電壓與風(fēng)速成正比，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)電壓與環(huán)境溫度的關(guān)聯(lián)控制。加熱模塊在控制溫度區(qū)間內(nèi)由單片機(jī)控制通過(guò)額定電壓供電，以達(dá)到快速升溫的效果。

執(zhí)行模塊自動(dòng)換擋控制原理：通過(guò)Arduino單片機(jī)接收的溫度傳感器信號(hào)，使鼓風(fēng)機(jī)檔位與溫度建立函數(shù)關(guān)系，Arduino單片機(jī)通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輸出到鼓風(fēng)機(jī)單位周期內(nèi)電壓的占空比，從而達(dá)到對(duì)脈沖寬度的調(diào)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓動(dòng)態(tài)調(diào)整，達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的目的。

2.2.5 系統(tǒng)能源模塊

為了節(jié)約能源，基于科學(xué)綠色理念，功能及儲(chǔ)能設(shè)備采用4.5W單晶太陽(yáng)能板同時(shí)搭配雙電池儲(chǔ)能。具體參數(shù)為：?jiǎn)尉?yáng)能板為24.8cm*14.5cm，電池輸出電壓4.2V。外接升壓電路實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)及執(zhí)行模塊的持續(xù)供電。

2.3 工作模式

2.3.1 行車時(shí)

行車時(shí)，汽車處于啟動(dòng)狀態(tài)，駕乘人員位于車內(nèi)。

此時(shí)，車用換氣系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)并調(diào)節(jié)車內(nèi)溫度，為駕乘人員提供舒適的乘車環(huán)境，提高行車安全性。

2.3.2 泊車時(shí)

泊車時(shí)，汽車處于停車狀態(tài)，根據(jù)換氣目標(biāo)，該狀態(tài)又分為換氣模式、充電模式、關(guān)閉模式。

1） 換氣模式。汽車停車且車內(nèi)無(wú)人時(shí)，當(dāng)溫度傳感器測(cè)得溫度達(dá)到30攝氏度，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)一檔（低速檔）工作；溫度達(dá)到35攝氏度時(shí)，則啟動(dòng)二檔（高速檔）工作，以維持車內(nèi)溫度在健康范圍內(nèi)。此模式下，系統(tǒng)主要由蓄電池供電，通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)換氣實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)。

2） 充電模式。太陽(yáng)能電池板與蓄電池通過(guò)外加升壓電路連接。陽(yáng)光充足時(shí)，太陽(yáng)能電池板輸出的電壓經(jīng)升壓電路調(diào)節(jié)后為蓄電池充電。

3） 關(guān)閉模式。當(dāng)駕駛員短期無(wú)用車需求時(shí)，可手動(dòng)關(guān)閉該系統(tǒng)，此時(shí)處于關(guān)閉模式，不僅能起到節(jié)省電能的作用，還可以對(duì)蓄電池進(jìn)行小電流維護(hù)。

3 自動(dòng)感溫車用換氣系統(tǒng)的功能控制邏輯

系統(tǒng)的主要控制功能邏輯關(guān)系如圖2所示，具體功能分為能量供給、數(shù)據(jù)處理、溫度感知及控制執(zhí)行4 個(gè)部分。

3.1 蓄電池充放電功能

蓄電池由太陽(yáng)能電池板組成，其主要工作模式為接收太陽(yáng)能板的充電。鑒于Arduino單片機(jī)所需的額定電壓為7～12V，太陽(yáng)能電池板所輸出的電壓無(wú)法直接供給Arduino單片機(jī)使用。因此，外接的升壓電路負(fù)責(zé)將太陽(yáng)能電池板輸出的電壓進(jìn)行濾波整流，并通過(guò)DC/DC調(diào)壓后，再輸入至Arduino單片機(jī)以供使用。

3.2 系統(tǒng)開(kāi)關(guān)功能

駕駛員上車后，可通過(guò)系統(tǒng)開(kāi)關(guān)手動(dòng)控制系統(tǒng)啟動(dòng)，以人為控制鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行。這一設(shè)計(jì)旨在避免在全自動(dòng)控制模式下，駕駛員上車后對(duì)當(dāng)前車內(nèi)溫度不滿意的情況。在關(guān)閉系統(tǒng)開(kāi)關(guān)后，系統(tǒng)將僅允許駕駛員手動(dòng)控制汽車自帶的空調(diào)控制系統(tǒng)來(lái)調(diào)控鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，此時(shí)，Arduino單片機(jī)將不再根據(jù)溫度自動(dòng)啟停車輛鼓風(fēng)機(jī)。

3.3 通風(fēng)控制及換擋時(shí)刻的選定

3.3.1 通風(fēng)控制

駕駛員通過(guò)開(kāi)關(guān)啟動(dòng)后，系統(tǒng)并非立即控制鼓風(fēng)機(jī)開(kāi)啟工作，而是先由Arduino單片機(jī)接收溫度傳感器發(fā)回的電信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)通過(guò)設(shè)定車內(nèi)溫度作為鼓風(fēng)機(jī)控制電壓的函數(shù)，在車內(nèi)溫度超過(guò)設(shè)定的啟動(dòng)閾值后，利用PWM波啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)，并控制其轉(zhuǎn)速。當(dāng)車內(nèi)溫度降至關(guān)機(jī)閾值以下時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)將自動(dòng)關(guān)閉，直至車內(nèi)溫度再次超過(guò)啟動(dòng)閾值，如此循環(huán)往復(fù)。為避免頻繁啟動(dòng)引起的啟停震蕩，應(yīng)確保啟動(dòng)閾值高于關(guān)機(jī)閾值。

3.3.2 換擋時(shí)刻的選定

小風(fēng)扇用來(lái)模擬汽車空調(diào)系統(tǒng)中的鼓風(fēng)機(jī)，亞克力板上的孔用來(lái)模擬汽車自帶的空氣循環(huán)進(jìn)氣排氣口。在實(shí)驗(yàn)中，利用加熱片加熱使亞克力箱內(nèi)溫度迅速上升至70℃，并啟動(dòng)系統(tǒng)，鼓風(fēng)機(jī)開(kāi)始工作以降低亞克力箱內(nèi)溫度。為了節(jié)約能源，鼓風(fēng)機(jī)的工作模式被設(shè)置為兩檔。本實(shí)驗(yàn)旨在探討鼓風(fēng)機(jī)的換擋時(shí)刻以及換擋溫度區(qū)間。

亞克力板內(nèi)裝有兩個(gè)溫度傳感器，分別放置在不同位置以確保實(shí)驗(yàn)精度。共進(jìn)行了3次實(shí)驗(yàn)，并將處理后的數(shù)據(jù)用Origin軟件進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)溫度高于35攝氏度時(shí)，應(yīng)將鼓風(fēng)機(jī)設(shè)置為二檔（高速檔）；在30～35攝氏度范圍內(nèi)，則以一檔（低速檔）運(yùn)行。該系統(tǒng)在炎熱夏日為汽車車內(nèi)換氣降溫效果顯著，且能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)換擋功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了利用太陽(yáng)能緩解室外停車時(shí)因室外溫度過(guò)高、陽(yáng)光暴曬導(dǎo)致車內(nèi)溫度迅速升高的問(wèn)題。該方案不僅大大改善了駕駛員再次回到車內(nèi)時(shí)因過(guò)熱導(dǎo)致的不適情況，還在一定程度上為高溫引起的車內(nèi)內(nèi)飾老化與有害氣體釋放問(wèn)題提供了良好的解決方案[4]。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)搭建便捷合理，成本低廉，能夠顯著提升乘車體驗(yàn)。未來(lái)，我們將在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討冬季太陽(yáng)能供暖等問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)其在車內(nèi)的應(yīng)用[5]。