基于太阳能发电的停车状态下车内空气质量自调节系统的设计

黄晨峻，马缤辉，徐敬雨，郑中华，钟映辉，李学攀

(湖南科技大学机电工程学院，湖南湘潭 411201)

0 引言

随着我国经济的快速发展，汽车数量增长越来越快，但汽车停车位紧缺，多数汽车只能停在太阳底下暴晒。研究发现车辆熄火后每隔15 min车内空气温度大约上升10 ℃，持续2 h暴晒可达60～68 ℃，仪表盘控制台表面温度可达75 ℃甚至更高，座椅表面温度大约65 ℃。为将车内温度降至30 ℃，需要启动车辆空调15～20 min，约耗油0.4 L。汽车暴晒的时间越长，汽车空调降温时间越长，增加耗油量，加剧有害气体的排放。研究显示，汽车怠速时开空调的油耗比普通怠速要高15%，并且怠速时汽油燃烧不完全，释放出的 CO、NO 等有害气体增多，是正常状态下的5倍，会对大气环境造成严重的污染，同时还浪费能源。而且强烈的太阳辐射照射会使车内的真皮座椅和仪表台等设施产生甲醛、苯等有害物质，由于在车内的封闭环境下，因此会对人类健康产生影响；更为严重的是温度过高会引起汽车内物品自燃，容易给用户造成严重的生命财产安全。同时当汽车熄火时，由于发动机没有正常运行，因此不会带动车内发电机进行正常发电，使汽车在停车熄火时无法获得充足的电力能源。

基于以上汽车车内温度升高而产生的一系列问题，本文作者设计了一种基于自动跟踪太阳能发电的车内环境自调节系统，该系统以太阳能为汽车提供电能，同时通过自动跟踪太阳能以实现发电效率的最大化，同时可以在汽车熄火后控制制冷系统以及换气系统，来进行汽车内不同温度工况下的车内环境自调节[1-4]。

1 系统总体的设计方案

图1为系统工作流程图。系统通过光敏电阻传感器检测太阳光照强度，并由单片机发出跟踪控制信号，通过驱动步进电机转动，使太阳能电池板保持垂直于太阳光，实现最大效率地利用太阳能。太阳能电池板给蓄电池充电，并由继电器控制换气扇、鼓风机、冷气机的工作。换气扇保持车内空气与外界空气的流通，鼓风机促进车内空气的循环并达到初步降温的效果，冷风机进一步降低车内的温度以及维持车内的湿度，再通过温度传感器和湿度传感器反馈给单片机来控制继电器的通断，从而调整换气扇、鼓风机、冷气机的工作状态，来维持汽车内的环境在一个稳定而舒适的状态。

图1 系统工作流程

1.1 系统硬件设计

系统的硬件主要包括自动跟踪太阳能发电的机械结构部分如步进电机、转动圆盘、减速器、太阳能电池板等，其次该系统主要有换气扇、鼓风机、冷气机来模拟汽车内的空调机，通过结合温、湿度传感器、PM2.5、CO、NO等有害气体传感器采集相应的信号后反馈给汽车ECU，从而通过ECU 控制车内相应的继电器以控制空调机等调节环境装置来进行工作，从而使汽车在熄火驻车时能更加智能化地调节车内的环境，以给驾驶员和乘客在进入汽车时有更舒适的环境。

1.2 系统的软件设计

系统利用单片机模拟汽车的ECU来进行硬件控制，并利用C语言进行单片机程序的编写，通过温湿度传感器、有害气体传感器等多种传感器的信号对车内环境进行数据采集，通过单片机综合计算后对车内设施进行控制，具体控制原理是通过设定相应的标准值，并使采集的数据与标准值进行比较，从而使系统在不同的环境能控制相应的车内设施进行工作，以实现调控车内环境的目的[5]。

同时自动跟踪器的软件部分是由自主设计的太阳能光敏自动跟踪传感盒结合红外线自动跟踪模块进行双保险设计，以保障跟踪精度能更好地实现，并通过单片机结合传感的反馈数据对机械结构的步进电机进行控制，使太阳直射在太阳能光伏发电板上，实现发电效率的最大化。

2 系统工作原理

2.1 整体工作原理

图2为系统整体工作原理。车内温湿度控制系统主要由信号采集及控制系统、电池系统、换气系统、制冷系统组成。其中电池系统包括12 V蓄电池、太阳能电池板、继电器4和太阳能控制器。太阳能电池板给蓄电池充电，蓄电池设置有过放保护及亏电条件下太阳能电池给蓄电池充电；且蓄电池设置有过充保护，电量饱和时停止充电，信号采集及控制系统包括温湿度采集单元、单片机、电压及电流采集单元[3]。信号采集单元将采集的信号传输至单片机，单片机给换气系统和制冷系统发送相应的控制指令。换气扇和冷风机有工作和关闭两种状态。单片机控制鼓风机在不同的温度下有相应的工作状态。

图2 系统整体工作原理示意

2.2 温度控制系统工作原理

图3所示为车内温度控制系统原理图。

图3 车内温度控制系统原理

图中T为实时监测的车内温度，T1为车内高温，T2为车内中温，T3为车内中温缓冲区域下限。U为蓄电池电压，控制系统主要功能为:

(1)太阳能电池板对蓄电池常态充电，并设置有过充和过放保护；

(2)可人为进行总开关通断，当总开关关闭时，系统不通电，当总开关开启时，系统进入待命状态，传感器开始实时检测车内温度；

(3)当车内温度T>T1时，系统控制鼓风机2挡和换气扇电路同时工作，鼓风机输送外界低温空气(相对车内而言)至车内，换气扇排出车内高温气体，使车内温度降低；

(4)当车内温度T1>T>T2时，鼓风机1挡和冷风机同时接通，车内开始制冷降温；

(5)当车内温度T2>T>T3时，鼓风机停止工作，冷风机持续工作，直至车内温度低于T3；

(6)当车内温度T

3 系统各部分设计及原理

3.1 自动跟踪器的设计

如图4所示，太阳电池板的偏转角度随太阳的运行轨迹变化而变化，使太阳入射光线垂直照射到太阳电池板上，充分接收太阳辐射能量。其工作方式分为3种情况：(1)白天晴天跟踪模式。白天晴天时，气候条件好，为正常工作状态。(2)白天阴雨天时跟踪模式。在阴雨天时，太阳的光线较暗，光照强度低于设定值时(设定值可通过实验得出)，暂停跟踪，跟踪装置的执行机构保持在当前位置，以减少机械损失。(3)夜晚装置停止工作，装置处于待命状态，等待天亮达到一定光照强度后，再启动装置，并与车内的温度传感器协同工作，当车内温度低于一定值时，由太阳能板发电。

图4 太阳能电池板方位的变化

3.1.1 自动跟踪器机械部分的设计及原理

系统将太阳能电池板的跟踪控制分为方位角(左、右)和俯仰角(上、下)两个单元。其中机械转向机构主要由底座、下层固定平台、上层旋转平台、步进电机、减速器、摆臂和太阳能电池板等组成。另外控制部分考虑到电池板及支架质量和刮风天气等因素的影响，故在方位角控制都采用步进电机和减速器配合驱动。

系统俯仰角及方位角的控制结构如图5所示。

图5 太阳能跟踪器机械结构示意

当太阳光照到传感器产生不对称时，传感器可以根据输出电压不相等来驱动电机转动；当电机所转角度使得输出电压相等时，传感器两端光照对称，两根信号线输出相同的电压，并且电机停止转动[6]。

3.1.2 自动跟踪器电子器件部分设计及原理

图6为太阳能跟踪装置的传感器检测原理。该装置设计为一个墨黑色方形盒子，顶部正中心开一小孔，小盒子通过内设置两个环形排列的16个光敏电阻和中心一只光敏电阻感应，由系统电控单元通过多路复用AD转换的形式获取并对比每个光敏电阻上的光强度，从而控制器可以进行相应的控制。系统工作时，盒子上表面与太阳能电池板放置并保持平行，促使位置由日出方向决定[7]。在跟踪太阳能位置时，电池板如何跟踪太阳的初始状态如图6左边所示，太阳光线穿过盒子上表面中心的小孔后照射在外环侧排列的光敏电阻上后，系统电控单元将测得该电阻上及附近电阻受光强较大，通过比较和判断，系统将逐步驱动装置的俯仰角和方位角，最终达到如图6右边所示的位置，从而达到电池板始终保持与太阳辐射垂直的目的。

图6 太阳能跟踪装置的传感器检测原理示意

如图7所示，系统利用光敏检测模块检测当前环境中光线的强弱，从而驱动执行机构两个步进电机进行运动，步进电机采用二维自动跟踪装置来控制太阳电池板做水平旋转和俯仰运行，以实现对太阳跟踪的反馈控制。

图7 跟踪式太阳能电池板发电系统的流程

3.2 光伏发电原理

整个装置都由太阳能电池将太阳能转换为电能来供能。它根据光强和温度等条件，以一定的输出特性对外输出功率。DC-DC控制器是控制系统中的核心部件，其最大功率点跟踪控制(MPPT)，可以使系统最大程度地利用太阳能，而且还能根据事先设定的控制策略实现对能源的管理。MPPT弥补太阳能电池本身性能和使用条件的不足。蓄电池的充放电控制器则能按照一定模式对蓄电池进行充放电管理，以提高其工作性能，延长工作寿命[4]。主要组成部分如图8所示。

图8 光伏系统组成

3.3 车内有毒气体及空气新鲜度的控制原理

控制系统通过使用NOX、CO2、CO、HC等一系列的传感器探测车内各种气体的浓度，然后通过传感器将其转换成电信号,通过电脑对数据进行采集并和室内空气质量标准数据进行参数比较,如果超出质量标准设定值，系统就会发出相应语音提示，如“CO2气体现在已经超过了安全标准,请及时打开窗户”的语音提示。当语音提示后窗户未打开时，系统及时发出警报声并向车主发送短信，方便车主不在车内也能及时了解车内状况[8]。

3.4 无线通信模块

该模块采用ZigBee技术，并具有成本低、低能耗时延短、可靠等优点，可通过手机实时监测车内温湿度，及时了解车内状态，针对个人情况设定车内温度，及时调整以达到人体适宜温度。工作原理图如图9所示。无线控制模块如图10所示。

图9 无线控制原理

图10 无线控制模块

4 结束语

系统工作的环境主要是针对于夏天阳光暴晒的情况，在保证晶体硅太阳电池板给蓄电池所充的电源能量足够前提下，换气扇和鼓风机模拟对汽车空调机的综合作用，使车内空气与外界空气保持循环流通，从而保证车内空气清新，大大减少了车内真皮座椅和仪表台等设施由于高温而产生的有害气体。其次，空调机能进一步降低车内的温度，并保证车内的湿度。整个系统由继电器、传感器和单片机综合控制，并设有基于ZigBee技术的智能无线控制，能对车内的环境监控并做出迅速的反应以及控制，使车内环境保持在一个舒适而健康的状态。