车载新能源智能空气循环系统设计

长春理工大学 陈慕奇 朱 贺 李 野

车载新能源智能空气循环系统设计

长春理工大学 陈慕奇 朱 贺 李 野

本文针对汽车停放在室外时,因阳光暴晒引起的温度升高,进而车内有害气体增多的现象,设计一套基于光伏电池和超级电容为供电系统的智能空气循环系统。这是一套独立系统,可以适用于各类汽车且不用对车进行改动。同时,供电系统的串并联切换设计可以让系统适用性强。系统实时检测车内温度,当车内温度过高,则启动安装在汽车外循环通风口的风扇,从而对车内空气进行循环,改善车内空气质量。

光伏;超级电容;空气循环系统

0.引言

随着社会发展,汽车逐步普及到各个家庭。它在为人类生活提供舒适和便捷的同时,也给人们的健康带来一些负面危害,如车内挥发的有害气体、滋生的细菌等对人的影响。汽车在启动状态下,由于人为干预,汽车内部空气可以根据需要不断调节,这种负面影响并不明显;在熄火无人状态下,密闭驾驶室内的空气质量会随车内温度升高而急剧恶化,从而严重影响驾驶者和乘客健康。基于上述理由,设计智能车内空气循环系统。该系统安装在汽车外循环通风口。在汽车停放于露天环境时,当车内温度升高,能够通过该系统对车内空气进行循环,从而降低车内有害气体和细菌的数量,达到改善驾驶环境的目的。

1.方案设计

整体系统由温度监测系统和供电系统两部分组成。温度监控系统主要是对车内环境温度进行实时监测。如果环境温度高于阈值温度,则启动风扇。供电系统是采用光伏电池为主,超级电容为辅的联合供电系统,确保了系统的续航能力和安全性。

1.1 温度监控系统

该系统采用热敏电阻作为温度探测器。利用热敏电阻随着温度上升,电阻值下降的特性,把普通电阻和热敏电阻串联接在电路中。随着温度升高,热敏电阻下降,热敏电阻两端压降也下降。把该电压导入用运算放大器设计的比较器中,并与我们设定的阈值电压作比较。当热敏电阻两端电压低于设定的阈值电压时,比较器输出信号控制继电器开关打开,从而让风扇转动。

1.2 供电系统

本设计的供电系统采用光伏电池为主,超级电容为辅的联合供电系统。光伏电池属于清洁能源,在供能的时候不会对环境造成污染。同时,柔性光伏电池可以贴在车顶、车前后盖等位置,方便且不需对车的外壳设计进行改造。

平时汽车启动时,由于人工干预,车内有害气体含量较低,系统无须工作,此时,光伏电池和超级电容并联,光伏电池产生的能量通过超级电容储存起来。当车处于熄火状态,倘若阳光充足,光伏电池输出的电能高,则光伏电池和超级电容并联,系统直接由光伏电池供电。多余的电量储存在超级电容中。倘若阳光不足,光伏电池输出电能不够,则光伏电池和超级电容串联,联合给系统供电。

1.3 供电系统串并联切换设计

为了实现供电系统串并联切换,设计与门电路,一路和测温的比较器的输出相连,一路和测量光伏电池输出的比较器的输出相连。与门电路的输出连着控制串并联的继电器。如果温度达到阈值温度,并且光伏电池电压低于阈值电压,门电路输出信号控制继电器让光伏电池和超级电容呈串联状态。其他情况下,门电路输出信号控制继电器让光伏电池和超级电容呈并联状态。

2.硬件电路设计

2.1 主要参数设计

试验中,法拉电容选用了3000F,2.7V的5节法拉电容串联,变成600F,13.5V。柔性光伏电池选用功率为0.5W,输出电压2V的。本试验设计柔性光伏电池8串4并,最大可以输出16V1A的电能。风扇选用的是12V,0.1A的。未来实际中,可以根据需要增加或者减少风扇的个数和功率。为了系统的工作稳定性,光伏电池的Buck电路模块输出12.5V,而供电系统的Buck电路模块输出9V。

2.2 整体电路设计

根据设计方案和参数,本设计的原理图如图1所示。

图1 系统原理图设计

原理图采用lm358运算放大器作为比较器。温度控制系统如原理图左边部分所示。由热敏电阻的上的电压和可调电阻R2上的电压(温度调节阈值电压)进入运算放大器做比较,输出的信号控制NPN三极管导通状态进而控制继电器开关,从而控制风扇运作。

供电系统在原理图右边。由于超级电容有严格的电压限制,超过了容易击穿,损坏电容,所以在光伏电池的输出加一个直流转直流降压式变换电路(DC-DC buck电路)模块。这种电路模块可以把输入的直流高电压转化成设定的恒定的直流电压输出;如果输入电压低于恒定电压,则输出电压等效于输入电压。光伏电池的Buck电路模块的输出在电阻R12的分压和可调电阻R10上的分压(串并联切换阈值电压)进入运算放大器做比较后,由运算放大器输出串并联切换信号,和温控运放输出一起作用于D1和D2组成的与门电路,控制NPN三极管Q2进而控制继电器K2和K3改变串并联方式。

同理,风扇、运放的供电和基准的参考电压也需要稳定的供电电压。所以在供电系统的输出端,也接一个直流转直流降压式变换电路(DC-DC buck电路)模块,让整体系统的供电电压稳定,从而使系统能稳定正常地工作。

3.模拟实验

模拟试验中,由于天气变量不好控制,所以用直流稳压源代替光伏电池的输出。图2中两个电路是温度监控和供电系统。按照原理图连完电路后,用手捏住热敏电阻加温到阈值温度,风扇转动。由于直流稳压源(模拟光伏电池)输出电压达不到阈值电压,所以供电系统串联,直流稳压源输出0.1A电流。图中万用表用于检测法拉电容的电压。

图2 供电系统串联的时候的系统工作状态

图3 是升高直流稳压源(模拟光伏电池),使其输出电压超过阈值电压。此时供电电路处于并联状态。供电电源在供电给风扇在转动的同时,还给法拉电容充电,所以输出电流达到0.82A。

图3 供电系统并联的时候的系统工作状态

其他模拟试验结果如下,当风扇不转的时候,直流稳压源(模拟光伏电池)只给法拉电容充电。当法拉电容的电压高于供电电源电压时,停止充电。

假设光伏电池出了开路问题,供电系统则一直处于并联状态,测温系统和风扇可以直接由超级电容供电,系统仍然可以正常运行。

实际实验如图4所示,效果和模拟试验中的试验结果基本一致。

图4 实际系统测试

4.结论

本车载新能源智能空气循环系统设计,实现了温度超过设定阈值温度的时,利用光伏电池和超级电容的供电系统,让连接在汽车外循环的风扇自动运行的预期目标,从而可以排出车内环境中有毒气体。同时,该系统采用的联合供电系统,不与车内任何系统有关联,安全性强且可以适用各种汽车。

[1]蒋玮,胡仁杰,张金龙。光伏直流系统中超级电容充电电路设计与分析[J]。电源技术,2011(7):847-849.

[2] SPYKER R L,NELMS R M。Classical equivalent circuit parameters for a double-layer capacitor[J]。IEEE Trans on Aerospace and Electronic Systems,2000,26(3):829-836.

[3]薛金会。基于超级电容储能的光伏发电系统研究[C]。华北电力大学硕士学位论文。北京:华北电力大学,2008:21-30.

陈慕奇(1991-),广东汕头人,理学硕士,现就读于长春理工大学。

朱贺(1993-),吉林舒兰人,理学硕士,现就读于长春理工大学。

李野(1969-),吉林白城人,博士,研究员,主要从事光电子成像器件和微电子技术等方面的研究和教学工作。