自动感温车用换气系统研究

关键词：自动感温；车内环境；太阳能；节能减排

中图分类号：TP3 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）28-0092-03

1 研究背景和意义

1.1 研究背景

当前，夏季长时间室外停车的汽车常因车内温度过高而影响驾驶员的舒适度，甚至引发健康问题。同时，高温还带来了一系列其他问题。因此，寻找有效方法降低车内温度成为当前的重要任务。通过文献回顾，我们发现我国学者在太阳能在汽车上的应用及汽车空调系统的研究方面取得了显著成果。曾清德等人[1]设计了一种基于太阳能的通风系统，该系统采用太阳能板和电池作为辅助电源，通过太阳能驱动外加鼓风机工作，形成气体循环以降低车内温度。受此启发，我们决定应用太阳能发电作为本系统的主要能源来源。张辉等人[2]以金龙客车XMQ6121G为模型，设计了一套集节能减排、经济与环保效益于一体的空调系统，该系统主要通过太阳能和汽车尾气实现制冷效果。在此基础上，我们增加了自动启动鼓风机及根据温度监测自动换挡的功能，从而设计出自动感温车用换气系统，旨在有效解决高温带来的问题，并探索其在电动汽车领域的应用潜力。罗庚[3]对车载太阳能恒温系统在不同仿真工况下的性能进行了深入分析，这一研究方法为汽车电控产品的开发提供了有力支持，有助于缩短产品开发周期，并减少不必要的成本支出。

1.2 研究意义

利用太阳能板为蓄电池充电，并通过外接的升压电路将电能输入至Arduino单片机，旨在利用太阳能转化的电能驱动汽车自带的换气系统工作，借助车内鼓风机和进气排气口的协同作用，迅速降低车内温度。此方法实现了车内外温度的动态平衡，有效降低了车内温度，力求达到汽车内外热平衡状态，为乘车人员创造舒适的乘车环境，同时提升行车安全性。此外，将太阳能转化为电能不仅满足了系统工作的需求，还避免了汽车自身能源的浪费。

2 自动感温车用换气系统方案设计

2.1 系统设计方案

基于汽车空调系统的工作原理，针对夏季停车时车内温度过高的问题，我们设计了一款能够自动调节车内温度的自动感温车用换气系统。系统设计方案如图1所示。该系统通过温度传感器采集温度信号，并实时显示当前车内温度。控制系统会检测手动开关的状态，若手动开关断开，则系统停止工作；若闭合，则将信号发送给Arduino单片机。Arduino单片机对接收到的数据进行处理、分析并与预设值进行比较后，向系统发送控制信号。当温度传感器检测到车内温度大于或等于设定温度（30摄氏度）时，Arduino单片机将自动闭合系统开关，启动汽车自带的空调系统，通过车内鼓风机和进气排气口的协同作用，迅速降低车内温度。在此过程中，若测得温度位于预设范围内，系统将根据具体温度区间合理调整鼓风机的档位（即风力大小），以实现节能效果。驾驶员在短时间停车时，离车前可通过控制手动开关来设定系统的开启或关闭状态。此外，太阳能板负责将太阳能转换为电能，为整个系统供电，剩余电能则储存于蓄电池中或供给汽车的其他工作系统使用。

2.2 硬件与测控电路设计

2.2.1 温度传感器LM35D

将温度传感器LM35D置于汽车室内环境中，可实现对车内环境温度的精准监测。该传感器是一种输出电压与摄氏温度成正比的设备，其灵敏度高达10mV/℃，且在静止温度环境中具有低自热效应，工作电压内呈现小电流、恒流特性，因此几乎无须考虑散热问题。即其自身工作时产生的温度可忽略不计，从而实现高精度环境温度检测。通过OUT输出引脚与单片机的A0引脚相连，可直接将环境温度对应的电压转换为0～5V DC标准电信号并输入至单片机，无须额外使用外围元件配置电路。传感器所测量的环境温度为车辆内部所有物体温度的均值。

2.2.2 自锁型开关

将按钮与Arduino单片机相连，并置于驾驶室中控台，以便驾驶员根据自身需求选择性开启或关闭系统。这样既能满足驾驶人员的温度需求，又不妨碍驾驶员视野及行车操控。

2.2.3 数据处理模块

使用Arduino单片机开发板接收温度传感器及开关输入的信号，并向Oled显示屏及温控执行机构输出信号。Arduino单片机基于ATmega2560微控制器，拥有54路数字输入/输出端口、16路模拟输入端口、4路UART串口以及16MHz的晶振。其主要功能在于处理LM35和开关输入信号，并控制执行机构。开发板位于车辆中控台内部，所有元件均与单片机相连，采用I2C通信协议与单片机通信，控制Oled显示屏实时显示当前车内温度和执行模块的运行状态。

2.2.4 系统执行模块

在降温模式下，采用汽车自带的鼓风机直吹以降低车内温度。使用小风扇模拟汽车空调系统中的鼓风机，该风扇具有两个引脚，其中正极引脚与单片机6号I/O口相连，该引脚支持PWM波形输出。通过调节PWM波的占空比，可控制风扇加载的电压与风速成正比，从而实现单片机对电压与环境温度的关联控制。加热模块在控制温度区间内由单片机控制通过额定电压供电，以达到快速升温的效果。

执行模块自动换挡控制原理：通过Arduino单片机接收的温度传感器信号，使鼓风机档位与温度建立函数关系，Arduino单片机通过动态调节输出到鼓风机单位周期内电压的占空比，从而达到对脉冲宽度的调制，实现对输出电压动态调整，达到控制转速的目的。

2.2.5 系统能源模块

为了节约能源，基于科学绿色理念，功能及储能设备采用4.5W单晶太阳能板同时搭配双电池储能。具体参数为：单晶太阳能板为24.8cm*14.5cm，电池输出电压4.2V。外接升压电路实现对单片机及执行模块的持续供电。

2.3 工作模式

2.3.1 行车时

行车时，汽车处于启动状态，驾乘人员位于车内。

此时，车用换气系统会自动检测并调节车内温度，为驾乘人员提供舒适的乘车环境，提高行车安全性。

2.3.2 泊车时

泊车时，汽车处于停车状态，根据换气目标，该状态又分为换气模式、充电模式、关闭模式。

1） 换气模式。汽车停车且车内无人时，当温度传感器测得温度达到30摄氏度，系统自动启动一档（低速档）工作；温度达到35摄氏度时，则启动二档（高速档）工作，以维持车内温度在健康范围内。此模式下，系统主要由蓄电池供电，通过鼓风机换气实现温度调节。

2） 充电模式。太阳能电池板与蓄电池通过外加升压电路连接。阳光充足时，太阳能电池板输出的电压经升压电路调节后为蓄电池充电。

3） 关闭模式。当驾驶员短期无用车需求时，可手动关闭该系统，此时处于关闭模式，不仅能起到节省电能的作用，还可以对蓄电池进行小电流维护。

3 自动感温车用换气系统的功能控制逻辑

系统的主要控制功能逻辑关系如图2所示，具体功能分为能量供给、数据处理、温度感知及控制执行4 个部分。

3.1 蓄电池充放电功能

蓄电池由太阳能电池板组成，其主要工作模式为接收太阳能板的充电。鉴于Arduino单片机所需的额定电压为7～12V，太阳能电池板所输出的电压无法直接供给Arduino单片机使用。因此，外接的升压电路负责将太阳能电池板输出的电压进行滤波整流，并通过DC/DC调压后，再输入至Arduino单片机以供使用。

3.2 系统开关功能

驾驶员上车后，可通过系统开关手动控制系统启动，以人为控制鼓风机的运行。这一设计旨在避免在全自动控制模式下，驾驶员上车后对当前车内温度不满意的情况。在关闭系统开关后，系统将仅允许驾驶员手动控制汽车自带的空调控制系统来调控鼓风机的运行，此时，Arduino单片机将不再根据温度自动启停车辆鼓风机。

3.3 通风控制及换挡时刻的选定

3.3.1 通风控制

驾驶员通过开关启动后，系统并非立即控制鼓风机开启工作，而是先由Arduino单片机接收温度传感器发回的电信号进行数据处理。系统通过设定车内温度作为鼓风机控制电压的函数，在车内温度超过设定的启动阈值后，利用PWM波启动鼓风机，并控制其转速。当车内温度降至关机阈值以下时，鼓风机将自动关闭，直至车内温度再次超过启动阈值，如此循环往复。为避免频繁启动引起的启停震荡，应确保启动阈值高于关机阈值。

3.3.2 换挡时刻的选定

小风扇用来模拟汽车空调系统中的鼓风机，亚克力板上的孔用来模拟汽车自带的空气循环进气排气口。在实验中，利用加热片加热使亚克力箱内温度迅速上升至70℃，并启动系统，鼓风机开始工作以降低亚克力箱内温度。为了节约能源，鼓风机的工作模式被设置为两档。本实验旨在探讨鼓风机的换挡时刻以及换挡温度区间。

亚克力板内装有两个温度传感器，分别放置在不同位置以确保实验精度。共进行了3次实验，并将处理后的数据用Origin软件进行拟合，结果如图3所示。

实验结果表明，当温度高于35摄氏度时，应将鼓风机设置为二档（高速档）；在30～35摄氏度范围内，则以一档（低速档）运行。该系统在炎热夏日为汽车车内换气降温效果显著，且能够实现自动换挡功能。

4 结束语

本文研究了利用太阳能缓解室外停车时因室外温度过高、阳光暴晒导致车内温度迅速升高的问题。该方案不仅大大改善了驾驶员再次回到车内时因过热导致的不适情况，还在一定程度上为高温引起的车内内饰老化与有害气体释放问题提供了良好的解决方案[4]。本系统结构搭建便捷合理，成本低廉，能够显著提升乘车体验。未来，我们将在此基础上进一步探讨冬季太阳能供暖等问题，并实现其在车内的应用[5]。