CN105083173A - 基于太阳能梯级利用的车内环境控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于太阳能梯级利用的车内环境控制系统，太阳能光伏板覆盖于车辆引擎盖、顶棚和后盖，太阳能光伏板下方连接有冷却管路，冷却管路通过循环冷却水泵连接车引擎盖下的光伏板冷却水箱；换气风机、水泵安装于前盖板下的引擎箱内；控制系统置于控制箱内，控制箱置于汽车的前盖板的引擎箱下，两个温度传感器分别采集车内温度和太阳能光伏板温度，送入控制系统，控制系统输出控制信号控制换气风机、水泵工作，进行降温和室内空气净化循环。以梯级利用的方式合理的利用太阳能电池转换的电量，大部分能量用于风机和水泵的驱动力，而汽车水箱里的冷却水是低品位能量，将其用于冷却太阳能电池板，解决了车内空气污染以及夏季车内高温问题。

Description

基于太阳能梯级利用的车内环境控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种车内环境控制技术，特别涉及一种基于太阳能梯级利用的车内环境控制系统及控制方法。

背景技术

近年来，我国许多城市进入了汽车增长的高峰期，随着汽车的普及，汽车内温度过高以及空气污染给人体健康带来的危害的例子也日益增多。现有的汽车空调内外循环技术是一种结合车载空调系统，利用鼓风机将外部空气吸入车身内部或者带动车内空气流动来保持车内空气的新鲜度。此种做法虽有效改善车内的制冷效果，但由于鼓风机使用的动力源来自汽车发电机，此种消耗汽车内部能源的系统既不节能也不环保。此外，鉴于太阳能梯级利用技术领域的进一步扩大，目前在太阳能制冷及空调的应用也趋渐成熟。但尚未在汽车空调中得到应用。

太阳能是一种零污染零排放的可再生能源，太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦，假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率为5%时，每年发电量可达5.6×1010千瓦小时，相当于目前世界上能耗的40倍。所以，太阳能在未来的能源利用中具有非常重要的作用和地位。太阳能光伏发电应用场合没有明显限制，适用场合广泛，运用十分普及。

能量梯级利用为太阳能的高效合理利用指明了方向。能源的梯级利用主要包括两方面：质用能和逐级多次利用。质用能就是使高温热源用于发电，用余热加热其他，并尽量减少传热的温差；逐级多次利用是指每个系统或设备都有最经济合理的温度范围，高品位能源在某装置中温度降低，即会自动转至另一种适合当前温度范围的装置中。能量的梯级利用极大地提高能源利用率。

若将光伏发电应用于汽车行业，根据能量的梯级利用原理，充分合理的利用太阳能转换而来的热能和电能，有效的解决车内空气污染以及夏季车内高温问题，这对于提高人们生活品质和节能环保都很有意义。

发明内容

本发明是针对汽车内环境影响人体健康的问题，提出了一种基于太阳能梯级利用的车内环境控制系统及控制方法，致力于解决静置车辆车内高温和空气污染问题。

本发明的技术方案为：一种基于太阳能梯级利用的车内环境控制系统，太阳能光伏板覆盖于车辆引擎盖、顶棚和后盖，太阳能光伏板下方连接有冷却管路，冷却管路通过循环冷却水泵连接车引擎盖下的光伏板冷却水箱；换气风机、水泵安装于前盖板下的引擎箱内；控制系统置于控制箱内，控制箱置于汽车的前盖板的引擎箱下，一个温度传感器置于汽车内部，采集车内温度，另一个温度传感器置于太阳能光伏板背面，采集太阳能光伏板温度，两个温度传感器信号送入控制系统，控制系统输出控制信号控制换气风机、水泵工作，室内PM2.5检测器信号送控制系统。

所述控制系统包括太阳能电池转换板、蓄电池、比较电路、继电器、风门控制器、三个温度控制器和一个PM2.5检测器，太阳能光伏板输出送太阳能电池转换板，太阳能电池转换板输出电能给蓄电池充电，同时太阳能电池转换板输出直流12V点给比较电路、继电器、三个温度控制器和一个室内PM2.5检测器供电，蓄电池给换气风机和水泵供电，蓄电池电压输入到比较电路，比较电路比较蓄电池电压信号后输出信号到继电器，两个温度传感器信号送入两个温度控制器，两个温度控制器分别输出控制信号与继电器输出信号串联后控制换气风机和水泵工作，室内温度传感器送第三个温度控制器，第三个温度控制器输出、PM2.5检测器输出和继电器输出串联后送风门控制器，风门控制器控制风机内外循环切换，进行净化空气工作。

所述基于太阳能梯级利用的车内环境控制系统的控制方法，由四路电压比较器检测并判断蓄电池工作电压，结合三个温度控制器和PM2.5检测器检测进行控制，具体如下：当蓄电池电压小于设定电压值下限Umin时，仅对蓄电池进行充电并不开启风机外循环和水泵；当蓄电池电压介于设定电压值下限Umin和设定电压值上限Umax之间时，判断车内温度是否小于室内温度设定值T1：若车内温度小于T1，同时检测车内PM2.5浓度和光伏板温度，当车内PM2.5浓度大于设定值Cμg/m³时，开启风机内循环，反之则关闭风机内循环，判断太阳能光伏板温度是否大于等于光伏板温度设定值T2，若大于等于T2则开启水泵并不开启风机外循环，若小于T2，则仅对蓄电池蓄电；若车内温度大于等于T1，判断光伏板温度是否大于等于T2：若大于等于T2则同时开启风机外循环和水泵，若小于T2，则开启风机外循环不开启水泵；当蓄电池电压大于电压设定值Umax，则停止蓄电。

本发明的有益效果在于：本发明基于太阳能梯级利用的车内环境控制系统及控制方法，以梯级利用的方式合理的利用太阳能电池转换的电量，电能是高品位能量，其大部分能量用于风机和水泵的驱动力，而汽车水箱里的冷却水是低品位能量，将其用于冷却太阳能电池板，本发明用太阳能代替电能，致力于改进汽车内外循环的节能问题，很大程度上解决了车内空气污染以及夏季车内高温问题，可有效地应用于汽车领域，为车主创造一个更舒适更健康的驾车环境。

附图说明

图1为本发明基于太阳能梯级利用的车内环境控制系统结构示意图；

图2为本发明电路原理图；

图3为本发明基于太阳能梯级利用的车内环境控制系统控制流程图。

具体实施方式

如图1所示于太阳能梯级利用的车内环境控制系统结构示意图，太阳能光伏板1覆盖于车辆引擎盖、顶棚和后盖，光伏板1下方连接有冷却管路，冷却管路通过循环冷却水泵2连接车引擎盖下的光伏板冷却水箱3；换气风机4、水泵2安装于前盖板下的引擎箱内；蓄电池及其余传感器置于控制箱5内，一个温度传感器的温度触点置于光伏板下侧以采集光伏板温度，另外一个温度传感器的温度触点置于车椅后座后方以采集内车内温度；控制箱5置于汽车的前盖板的引擎箱下；空气净化器6安装于车前座下方。

如图2所示电路原理图，基于太阳能梯级利用的车内环境控制系统的控制包括电压控制、温度控制、污染控制系统及冷却管路控制。

1、电压控制：能量从太阳能光伏板1经太阳能电池转换板7转换成电能，输出到蓄电池8和四路电压比较器9。电压控制至关重要，同时也是本系统的第一层控制系统，电压控制通过蓄电池8和电压比较器9联合实现控制功能。

太阳能电池转换板7输出A端提供稳定的12V电压输出，其“+”和“—”两端分别连接四路电压比较器9的“DC+，第二路的COM”和“DC-”三个端口，提供电源使其正常工作。旋转四路电压比较器9第二路的螺丝以改变其电阻，设置该路的基准电压为12V，蓄电池8的“+”端连接到四路电压比较器9第二路“CH+”端，用于比较从蓄电池7提供的电压信号，第二路“CN”端与继电器10“IN”连接。

当蓄电池7的电压＜设定电压值下限Umin时：蓄电池7的电压信号到达第二路的“CH+”，与该路基准电压Ub比较，小于基准电压。则四路电压比较器9第二路的输出常开端“NO”闭合，常闭端“NC”断开，四路电压比较器9没有信号输出，此时太阳能电池阵列仅对蓄电池充电，换热风机4内、外循环和水泵2均为不开启状态，太阳能电池转换板7给蓄电池充电，蓄电池正极与四路比较器的“CH+”端相连，输入电信号给四路比较器同时为四路比较器供电，电信号再由四路比较器的DC+端返回蓄电池形成闭合回路。

当Umin＜蓄电池的电压＜Umax时：蓄电池的电压信号经过比较，大于所设置的基准电压Ub，则常开端“NO”断开，常闭端“NC”闭合，四路电压比较器第二路处于接通状态，并把开启信号传递给继电器10。

当蓄电池的电压＞Umax，由于第二路电压并未改变，实际上，四路电压比较器的工作状态和上面一样，均会传递给继电器10一个“开启”信号，但是蓄电池7由于过充保护机制，在其自身电压大于Umax时，会自动停止充电，即蓄电池处于“浮充电”状态，此路仍然接通。

以上三种情况即为电压控制的三种状态，电压控制是本系统的第一步，虽未直接控制负载，但它是其他控制的前提，作用巨大。

2、温度控制：能量从太阳能光伏板1经太阳能电池转换板7转换成电能，用于解决车内的高温问题。温度控制是本系统的第二层控制，直接实现功能并解决车内高温问题。实质上，温度控制包括：太阳能电池阵列的温度控制和汽车内温度控制，分别由两个相对应的温度控制器控制。

当汽车内温度＜T1，将会同时打开PM2.5检测器和两个温度控制器11、12，两个温度控制器在连接水泵2和风机4外循环的两路，在两个温度控制器上分别设置基准温度，连接水泵的温度控制器11基准温度为T2，风机一侧基准温度为T1且T1<T2。

太阳能电池转换板7输出的A端负载提供稳定Umin电压输出，其“+”“-”两端分别与温度控制器11、12的“DC+和COM”和“DC-”连接，为温度控制器提供电能；两个温度控制器的常闭端“NC”连接继电器10的“COM”，用于信号传递。

当汽车内气温＜T1，并且太阳能电池阵列的温度＜T2时，两个温度控制器进行比较，做出同样动作，两个温度控制器的常开端“NO”闭合，常闭端“NC”断开，两个温度控制器均不导通，此时水泵和风机都不工作。

当汽车内气温＜T1，并且太阳能电池阵列的温度＞T2时，比较之后，连接水泵的温度控制器11常开端“NO”断开，常闭端“NC”闭合，水泵开启；而连接风机的一端则相反，“NO”端闭合、“NC”端断开，风机不工作。

当汽车内气温＞T1，并且太阳能电池阵列的温度＜T2时，比较之后，连接水泵的温度控制器11常开端“NO”闭合，常闭端“NC”断开，水泵不工作；而连接风机的一端则相反，常开端“NO”断开，常闭端“NC”闭合，同时控制内外循环风机的风门控制器15处于打开状态，风机4外循环开启，此时风机4开始工作。

当汽车内气温＞T1，并且太阳能电池阵列的温度＞T2时，比较之后，连接水泵的温度控制器11常开端“NO”断开，常闭端“NC”闭合，水泵工作；而连接风机的一端则相反，常开端“NO”断开，常闭端“NC”闭合，同时风门控制器15处于打开状态，风机外循环开启。

温度控制是本系统的第二层控制，它解决了汽车室内的高温问题和太阳能电池阵列因温度上升引起的效率降低问题，作用巨大。

3、污染控制：汽车室内污染的控制由第三路的温度控制器和一个PM2.5检测器联合运行工作。

太阳能电池转换板7输出的A端输出“+”“-”分别与与温度控制器13和PM2.5检测器14的“DC+,COM”和“DC-”相连接，给两者提供稳定的12V工作电压。温度控制器13的“NC”端与PM2.5检测器14的“COM”端连接，PM2.5检测器14的“NC”端与继电器10的“COM”连接，用于信号传递。

控制有一定先后顺序，当车内温度过高，则优先解决高温问题，只有当室内温度＜T1时，PM2.5检测器14才开始工作。当检测到PM2.5浓度＞Cμg/m3时，检测器14的常闭端“NC”闭合，常开端“NO”断开，同时风门控制器15处于关闭状态，风机4内循环开启，净化室内空气。

4、冷却管路控制：太阳能电池板吸收阳光的那一侧的热量从板面出来，通过0.03m的太阳能电池板，再通过紧贴的0.001m的薄膜，到达冷却管路中的水冷却管路。当太阳能电池板的温度到达T2时，置于太阳能电池板下方的温度传感器触点感受板面温度，使得置于控制箱内的温度传感器开关开启，系统将自动打开水泵2，将汽车备用水用水泵2引到冷却管路中，冷却太阳能电池板，降低其温度，从而升高太阳能电池板效率，达到太阳能梯级利用的目的。

如图2所示，具体线路的连接方式：太阳能板1连接太阳能电池转换板7，蓄电池8与太阳能电池转换板7的蓄电池输出端连接，蓄电池8的正极与四路比较器9的一组比较端口的公共端。太阳能电池转换板7的输出A端（直流12V端）的正负极对应接出几组线，分别于四路比较器9电源的正极（dc+），负极（dc-）相接、继电器10的正极（dc+），负极（dc-）相接、温度比较器11的电源的正极（dc+），负极（dc-）相接、温度比较器12正极（dc+），负极（dc-）相接，温度比较器13的正极（dc+），负极（dc-）相接，pm2.5检测器14的正极（dc+），负极（dc-）相接；四路比较器9的电源的正极（dc+）连线到比较端口对应的输出端口的公共端（com），比较端口对应的输出端的常闭端（on）连线到继电器10的信号输入端（in）。太阳能电池转换板7的输出A端的正极连线到温度控制器11的输入端的公共端（com），温度控制器11的输入端的常闭端（on）连线到继电器的输入端的公共端（com），继电器10的输入端的常开端（on）连线到水泵2的正极，水泵2的负极连线回到太阳能电池转换板7的输出端A的负极；太阳能电池转换板7的输出A的正极连线到温度控制器12的输入端的公共端（com），温度控制器12的输入端的常闭端（on）连线到继电器10的输入端的公共端（com），继电器10的输入端的常开端（on）连线到风机4的正极，风机4的负极连线到太阳能电池转换板7的输出A端的负极；太阳能电池转换板7的输出A的正极接温度控制器13的输入端的公共端（com），温度控制器13的输入端的常闭端（on）连线到pm2.5检测器14的输入端的公共端（com），pm2.5检测器14的输入端常闭端（on）连线到继电器10的输入端的公共端（com），继电器10的输入端的常开端（on）连线到风机4的正极，风机4的负极连线回到太阳能电池转换板7的输出A端的负极，继电器10的输入端的常开端（on）连线到风门控制器15的正极，风门控制器15的负极连线回到太阳能电池转换板7的输出端A的负极。

如图3所示基于太阳能梯级利用的车内环境控制系统控制流程图，由四路电压比较器检测并判断蓄电池工作电压：当蓄电池电压小于设定电压值下限Umin时，仅对蓄电池进行充电并不开启风机外循环和水泵；当蓄电池电压介于设定电压值下限Umin和设定电压值上限Umax之间时，判断车内温度是否小于室内温度设定值T1：若车内温度小于T1，同时检测车内PM2.5浓度和光伏板温度，当车内PM2.5浓度大于设定值Cμg/m³时，开启风机内循环，反之则关闭风机内循环，判断太阳能光伏板温度是否大于等于光伏板温度设定值T2，若大于等于T2则开启水泵并不开启风机外循环，若小于T2，则仅对蓄电池蓄电；若车内温度大于等于T1，判断光伏板温度是否大于等于T2：若大于等于T2则同时开启风机外循环和水泵，若小于T2，则开启风机外循环不开启水泵；当蓄电池电压大于电压设定值Umax，则停止蓄电。

本发明基于太阳能的梯级利用，妥善地解决了夏季车内温度过高和车内空气污染问题，并适度提高了汽车水箱中水的温度，同时对发动机的预热使发动机的启动更加安全稳定。

Claims (3)

1.一种基于太阳能梯级利用的车内环境控制系统，其特征在于，太阳能光伏板覆盖于车辆引擎盖、顶棚和后盖，太阳能光伏板下方连接有冷却管路，冷却管路通过循环冷却水泵连接车引擎盖下的光伏板冷却水箱；换气风机、水泵安装于前盖板下的引擎箱内；控制系统置于控制箱内，控制箱置于汽车的前盖板的引擎箱下，一个温度传感器置于汽车内部，采集车内温度，另一个温度传感器置于太阳能光伏板背面，采集太阳能光伏板温度，两个温度传感器信号送入控制系统，控制系统输出控制信号控制换气风机、水泵工作，室内PM2.5检测器信号送控制系统。

2.根据权利要求1所述基于太阳能梯级利用的车内环境控制系统，其特征在于，所述控制系统包括太阳能电池转换板、蓄电池、比较电路、继电器、风门控制器、三个温度控制器和一个PM2.5检测器，太阳能光伏板输出送太阳能电池转换板，太阳能电池转换板输出电能给蓄电池充电，同时太阳能电池转换板输出直流12V点给比较电路、继电器、三个温度控制器和一个PM2.5检测器供电，蓄电池给换气风机和水泵供电，蓄电池电压输入到比较电路，比较电路比较蓄电池电压信号后输出信号到继电器，两个温度传感器信号送入两个温度控制器，两个温度控制器分别输出控制信号与继电器输出信号串联后控制换气风机和水泵工作，室内温度传感器送第三个温度控制器，第三个温度控制器输出、室内PM2.5检测器输出和继电器输出串联后送风门控制器，风门控制器控制风机内外循环切换，进行净化空气工作。

3.根据权利要求2所述基于太阳能梯级利用的车内环境控制系统的控制方法，其特征在于，由四路电压比较器检测并判断蓄电池工作电压，结合三个温度控制器和PM2.5检测器检测进行控制，具体如下：当蓄电池电压小于设定电压值下限Umin时，仅对蓄电池进行充电并不开启风机外循环和水泵；当蓄电池电压介于设定电压值下限Umin和设定电压值上限Umax之间时，判断车内温度是否小于室内温度设定值T1：若车内温度小于T1，同时检测车内PM2.5浓度和光伏板温度，当车内PM2.5浓度大于设定值Cμg/m³时，开启风机内循环，反之则关闭风机内循环，判断太阳能光伏板温度是否大于等于光伏板温度设定值T2，若大于等于T2则开启水泵并不开启风机外循环，若小于T2，则仅对蓄电池蓄电；若车内温度大于等于T1，判断光伏板温度是否大于等于T2：若大于等于T2则同时开启风机外循环和水泵，若小于T2，则开启风机外循环不开启水泵；当蓄电池电压大于电压设定值Umax，则停止蓄电。