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摘 要：汽车在夏天露天放置时，太阳暴晒，会造成密闭车辆内部温度不断升高，车内挥发有害气体积累浓度逐渐增加，对驾驶者健康造成危害。同时，使车内高温环境降低到环境温度，也浪费很多能源。本设计是针对该种情况，利用车辆自身的通风系统，由薄膜太阳能电池和储电部分提供能量，由温控系统控制风扇开启，打破车辆的密闭环境，车辆内部和大气进行气体交换，达到降低温度和有害气体浓度的目的。
关键词：车辆通风；智能；降温；柔性光伏电池
轿车进入千家万户，但是由于城市设施建设不配套，大部分车辆没有车库，只能露天停放。在炎热的夏天，太阳底下晒上一段时间，因为是一个密闭的环境，车内温度可高达70摄氏度，会释放有害气体，威胁人的健康。每次开车是都要先通风，再开空调，很久才能降到适宜的温度，不仅浪费能源，还对健康有害。
其实只要打破车空间的密闭系统，实现空气对流，就能解决这个问题。可利用车载智能通风系统，在汽车停放于露天环境时，太阳暴晒车内温度升高时，通过这套系统使车内空气与大气交换，达到降低车内温度、有害气体和细菌的数量，改善驾驶环境的目的。该系统的能量可利用太阳能电池，加储能和控制电路提供。
一、设计方案
整个系统由温度监测系统和供电系统两部分组成。
智能通风系统可实时对车内温度进行监测，当温度高于温度阈值时，系统开始工作排出有害气体。系统采用光伏电池为主，超级电容为辅的联合供电系统，在阳光充足的情况下直接由光伏电池供电，多余电量储存在超级电容中。当阳光不足的情况下，系统可以切换成光伏电池和超级电容联合为系统供电，续航能力强且可以适应各种外界环境。
（一）温度监测系统
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即电器开关打开，从而让风扇转动。
（二）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。选择柔性光伏电池是因为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。选择超级电容做储能器件是因为超级电容的寿命长，充放电可以大于50万次，是锂电池的500倍。同时，它的工作温度范围是-40～+70℃，比常用的锂电和镍氢电池温度范围广，可以在各种环境下使用和保存。
（三）系统控制设计
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。
光伏电池和超级电容的串并联由两个继电器实现。监测光伏电池的电压信号与设定的阈值电压对比值。当光伏电池输出电压高或者低于设定阈值电压，比较器就会输出相应的信号用以控制继电器切换串并联。
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，功率转化率达95%以上；如果输入电压低于恒定电压，则输出电压等效于输入电压。用这种电路模块，可以在阳光较为充足、光伏电池输出电压较高的时候，输出稳定在一个不大于超级电容允许的最大电压的输出，并且功率损耗还小。同时，在光伏电池的输出端加一个二极管，防止超级电容电压倒灌损伤光伏电池。
风扇，运放的供电和基准的参考电压需要稳定的供电电压。在供电系统的输出端，接一个直流转直流降压式变换电路（DC-DC buck电路）模块，使整体系统的供电电压稳定，系统能稳定地工作。
在温度不到阈值温度的情况下，为了让光伏电池只工作在给超级电容充电状态，用两个二极管设计一个与门电路，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，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繼电器让光伏电池和超级电容呈并联状态。
系统思维框图如下图所示。
（四）主要参数设计
本实验中，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。本实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。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。
根据设计方案和参数，本设计的原理图如下所示：
原理图中，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。
供电系统在原理图的右侧。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，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。
二、 模拟实验
模拟实验中，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。下图两个电路就是温度监控和供电系统。按照上述原理图连完电路后，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（下图就是供电系统串联的时候的系统工作状态），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。 當升高直流稳压源（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。下图就是供电系统并联的时候的系统工作状态。
其他模拟实验结果如下，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。
下图是实际测试场景。实际效果和理论与模拟实验中的实验结果基本一致。
三、结论
本车载智能通风系统实现了利用柔性太阳能电池、超级电容提供汽车换气风扇的能量供给，通过控制系统设计，实现不同工作情况下，风扇供电的模式，使该系统始终在高效模式下运行。在高温超过阈值温度时，系统自动启动汽车外循环风扇，排出车内的有毒气体，降低车内温度。
致谢
本研究是在长春理工大学李野教授的悉心指导下完成的，李教授对实验实施和论文撰写提出了指导性意见并给予了极大的鼓励，在此表达深深的谢意！
参考文献：
[1] 徐定钧.基于金属氧化物气体传感器的车内有害气体检测研究[D].安徽省：中国科学技术大学，2009.
[2] 谢祖峰，汽车座椅挥发性有机物（VOC）对车内空气质量影响的试验研究[D].广东省：华南理工大学，2012.
[3] 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）.
[4] 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）.
[5] 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.
[6] 张彬.基于独立光伏发电系统动力的柔性关节机器人若干问题的研究[D].北京：北京邮电大学，2015.
[7] 康华光，陈大钦.电子技术基础（模拟部分）第四版[M].北京：高等教育出版社，1999.
[8] 童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：北京人民教育出版社，1983.
关键词：车辆通风；智能；降温；柔性光伏电池
轿车进入千家万户，但是由于城市设施建设不配套，大部分车辆没有车库，只能露天停放。在炎热的夏天，太阳底下晒上一段时间，因为是一个密闭的环境，车内温度可高达70摄氏度，会释放有害气体，威胁人的健康。每次开车是都要先通风，再开空调，很久才能降到适宜的温度，不仅浪费能源，还对健康有害。
其实只要打破车空间的密闭系统，实现空气对流，就能解决这个问题。可利用车载智能通风系统，在汽车停放于露天环境时，太阳暴晒车内温度升高时，通过这套系统使车内空气与大气交换，达到降低车内温度、有害气体和细菌的数量，改善驾驶环境的目的。该系统的能量可利用太阳能电池，加储能和控制电路提供。
一、设计方案
整个系统由温度监测系统和供电系统两部分组成。
智能通风系统可实时对车内温度进行监测，当温度高于温度阈值时，系统开始工作排出有害气体。系统采用光伏电池为主，超级电容为辅的联合供电系统，在阳光充足的情况下直接由光伏电池供电，多余电量储存在超级电容中。当阳光不足的情况下，系统可以切换成光伏电池和超级电容联合为系统供电，续航能力强且可以适应各种外界环境。
（一）温度监测系统
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即电器开关打开，从而让风扇转动。
（二）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。选择柔性光伏电池是因为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。选择超级电容做储能器件是因为超级电容的寿命长，充放电可以大于50万次，是锂电池的500倍。同时，它的工作温度范围是-40～+70℃，比常用的锂电和镍氢电池温度范围广，可以在各种环境下使用和保存。
（三）系统控制设计
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。
光伏电池和超级电容的串并联由两个继电器实现。监测光伏电池的电压信号与设定的阈值电压对比值。当光伏电池输出电压高或者低于设定阈值电压，比较器就会输出相应的信号用以控制继电器切换串并联。
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，功率转化率达95%以上；如果输入电压低于恒定电压，则输出电压等效于输入电压。用这种电路模块，可以在阳光较为充足、光伏电池输出电压较高的时候，输出稳定在一个不大于超级电容允许的最大电压的输出，并且功率损耗还小。同时，在光伏电池的输出端加一个二极管，防止超级电容电压倒灌损伤光伏电池。
风扇，运放的供电和基准的参考电压需要稳定的供电电压。在供电系统的输出端，接一个直流转直流降压式变换电路（DC-DC buck电路）模块，使整体系统的供电电压稳定，系统能稳定地工作。
在温度不到阈值温度的情况下，为了让光伏电池只工作在给超级电容充电状态，用两个二极管设计一个与门电路，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，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繼电器让光伏电池和超级电容呈并联状态。
系统思维框图如下图所示。
（四）主要参数设计
本实验中，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。本实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。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。
根据设计方案和参数，本设计的原理图如下所示：
原理图中，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。
供电系统在原理图的右侧。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，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。
二、 模拟实验
模拟实验中，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。下图两个电路就是温度监控和供电系统。按照上述原理图连完电路后，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（下图就是供电系统串联的时候的系统工作状态），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。 當升高直流稳压源（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。下图就是供电系统并联的时候的系统工作状态。
其他模拟实验结果如下，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。
下图是实际测试场景。实际效果和理论与模拟实验中的实验结果基本一致。
三、结论
本车载智能通风系统实现了利用柔性太阳能电池、超级电容提供汽车换气风扇的能量供给，通过控制系统设计，实现不同工作情况下，风扇供电的模式，使该系统始终在高效模式下运行。在高温超过阈值温度时，系统自动启动汽车外循环风扇，排出车内的有毒气体，降低车内温度。
致谢
本研究是在长春理工大学李野教授的悉心指导下完成的，李教授对实验实施和论文撰写提出了指导性意见并给予了极大的鼓励，在此表达深深的谢意！
参考文献：
[1] 徐定钧.基于金属氧化物气体传感器的车内有害气体检测研究[D].安徽省：中国科学技术大学，2009.
[2] 谢祖峰，汽车座椅挥发性有机物（VOC）对车内空气质量影响的试验研究[D].广东省：华南理工大学，2012.
[3] 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）.
[4] 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）.
[5] 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.
[6] 张彬.基于独立光伏发电系统动力的柔性关节机器人若干问题的研究[D].北京：北京邮电大学，2015.
[7] 康华光，陈大钦.电子技术基础（模拟部分）第四版[M].北京：高等教育出版社，1999.
[8] 童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：北京人民教育出版社，1983.