CN108162717B - 一种新能源汽车车载空气净化系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于新能源的新能源汽车空气净化系统及控制方法，可根据环境质量、车内空气质量，进行实时监测判断，计算出最佳的调控所需的新风量，保证车内空气质量维持在较高水平。同时，该系统兼顾能源的消耗，运用不同档位进行空气质量优化，尽可能的节约能源，并依靠太阳能为控制系统或新能源汽车持续提供能源，拥有较高的实用性与环保性。

Description

一种新能源汽车车载空气净化系统及控制方法

技术领域

本发明涉及可再生能源领域及车载空气净化装备，具体涉及一种新能源汽车空气净化系统及控制方法。

背景技术

随着我国经济与科技的飞速发展，加速了汽车的普及，随之引发了两个亟待解决的问题：环境污染与能源危机。太阳能作为一种无污染的可再生能源，将其引入新能源汽车的研发领域成为解决上述问题的有效途径。每天有相当于2.5亿万桶石油的太阳能辐射到达地球表面，充分利用太阳能驱动汽车内部空气净化装备不仅能够实现能源的节约，也可以解决汽车停止运行时空调没有能量来源的问题。

随着人们对于驾驶与乘坐的感官体验要求越来越高，相应的温度、湿度、空气质量日益成为人们关注的焦点。在大气整体环境不容乐观的情况下，人们对日常活动空间内的空气质量格外关注。同样地，人们对于汽车内的空气质量的有效提升存在巨大需求。无论传统汽车还是新能源汽车，目前针对车厢空气污染、车内环境质量改善均缺乏行之有效的措施，并且在汽车中车载空调的使用上也存在控制质量不高的问题，不仅不能达到空调运行的理想状态，同时更会造成能源浪费。

本专利设计了一种基于新能源的新能源汽车空气净化系统，它能够根据环境质量、车内空气质量，进行实时监测判断，计算出最佳的调控所需的新风量，保证车内环境保持在人们预设的期望环境内，并不断改善与保持。同时，该系统兼顾能源的消耗，运用不同档位进行空气质量优化，尽可能的节约能源，并依靠太阳能为控制系统或新能源汽车持续提供能源，拥有较高的实用性与环保性。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种新能源汽车车载空气净化系统，其能够根据环境质量、车内空气质量，进行实时监测判断，将车内空气质量保持在较优范围内。

一种新能源汽车车载空气净化系统，其特征在于包括太阳能采集系统、太阳能调节与转化系统、蓄电池、传感器单元、含氧量计算与控制系统、通风阀新风量调节系统；

所述太阳能采集系统使用光伏板采集太阳能，通过所述太阳能调节与转化系统对产生的电能进行转化，转化后的电能以直流电形式储存在蓄电池中；所述太阳能调节与转化系统剩余电能与所述蓄电池共同为所述含氧量计算与控制系统供电；

所述含氧量计算与控制系统结合车外环境计算新风需求量，并根据车内外压强信息计算新风量控制数据，结合考虑外环境与能耗的分级空气质量优化策略生成新风阀调节命令；

所述通风阀新风量调节系统根据接收的新风阀调节命令调节新风阀。

进一步地，所述传感器单元提取包括车内氧气含量、车外氧气含量、车厢内压强以及新风阀出入端压强的数据。

进一步地，含氧量计算与控制系统根据以下公式计算新风需求量包括：

其中，α_t-1为当前时刻车内氧气含量，α_t为下一时刻车内氧气含量，β为车外环境氧气含量，Q₀为车厢空气量，Q为新风量。

进一步地，所述考虑外环境与能耗的分级空气质量优化策略包括：

当β-α_t-1<0时，车外空气质量差于车内空气质量，使新风量Q＝0，只采用内循环；

当β-α_t-1>0时，车外空气质量优于车内空气质量，采用内循环加外循环的分级模式：

当α<α₀时：采用紧急模式，以最大新风量Q_max进行空气优化；

当α₀<α<α₁时：采用优化一档，以新风量

进行空气优化；

当α₁<α<α₂时：采用优化二档，以新风量

进行空气优化；

当α₂<α<α₃时：采用优化三档，以新风量

进行空气优化；

其中，Q_s为含氧量为1的理想新风环境下预设的净新风量，Q_s1、Q_s2、Q_s3为根据实际环境计算预设的理想环境净新风量，α_i为基于设计者预期的档位临界值，k为调整系数。

进一步地，含氧量计算与控制系统根据以下公式调节新风管出口压强控制新风量：

ΔP＝P_o-P_j2＝λQ²+C

其中，

C＝P_o-P_i，P_o为车厢外压强，P_i为车厢内压强，ρ为空气密度，S₀为新风管前段阻抗，A为新风管截面积，S为阀门阻抗。

进一步地，所述系统还包括显示当前车内含氧量情况以及工作档位情况的显示模块以及选择显示预测得到的含氧量变化趋势以及相关数据的按键模块。

本发明的另一目的是提供一种基于上述系统的新能源汽车车载空气净化方法，其特征在于包括：

步骤1、将太阳能光伏板置于新能源汽车车体上，并与MPPT太阳能控制器连接；

步骤2、利用MPPT太阳能控制器调节太阳能光伏板的电能传输功率，使光伏板功率达到最大；

步骤3、将光伏板输出端连接于通蓄电池或负载进行供电；

步骤4、将传感器与含氧量计算与控制系统相连，采集含氧量与压强数据，检测车厢实时空气质量数据，计算空气优化所需新风量及控制档位；

步骤5、将含氧量计算与控制系统与通风阀调节装置连接，通过控制系统产生信号调节通风系统新风量。

进一步地，所述方法还包括：

步骤6、将LCD液晶显示屏、键盘与传感器和控制系统输出信号相连接，显示当前车内含氧量情况以及工作档位情况，通过键盘选择显示预测得到的含氧量变化趋势以及相关数据，从而为认为调节控制参数提供依据。

进一步地，所述方法还包括：

步骤7、以单片机为核心，搭建起连接各部分的控制中枢，实现新能源调节利用、空气优化计算控制、机械设备控制调度等功能。

本发明公开了一种基于新能源的新能源汽车空气净化系统，它能够根据环境质量、车内空气质量，进行实时监测判断，计算出最佳的调控所需的新风量，保证车内环境保持在人们预设的期望环境内，并不断改善与保持。同时，该系统兼顾能源的消耗，运用不同档位进行空气质量优化，尽可能的节约能源，并依靠太阳能为控制系统或新能源汽车持续提供能源，拥有较高的实用性与环保性。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为新能源汽车车载空气净化系统结构图；

图2为新能源汽车风循环系统的机械结构示意图；

图3为新能源汽车中新风、回风关系示意图；

图4为DC-DC斩波电路采用的Buck-Boost电路图；

图5为车载空气净化系统的硬件结构组成示意图；

图6为分档位优化车厢含氧量α变化趋势图；

图7为新能源汽车车载空气净化系统工作流程图；

图8为新能源汽车车载空气净化控制系统总体电路图。

具体实施方式

为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1所示：一种新能源汽车车载空气净化系统，其特征在于包括太阳能采集系统、太阳能调节与转化系统、蓄电池、传感器单元、含氧量计算与控制系统、通风阀新风量调节系统；所述太阳能采集系统使用光伏板采集太阳能，并运用电气方法使光伏板输出最大电能，通过太阳能调节与转化系统将产生的电能转化为合适的直流电储存在蓄电池中或释放剩余能量给控制系统供电。所述含氧量计算与控制系统结合车外环境计算新风需求量，并根据车内外压强信息计算新风量控制数据，结合考虑外环境与能耗的分级空气质量优化策略生成新风阀调节命令；所述通风阀新风量调节系统根据接收的新风阀调节命令调节新风阀。

传感器单元包括氧含量传感器、气体压力传感器，将采集车内外氧气含量、车厢内压强、新风阀出入端压强等信息，提供给含氧量计算与含氧量计算与控制系统。含氧量计算与控制系统将根据含氧量信息，计算车内空气优化所需含氧量，并根据不同情况分档位进行实时控制。通风阀新风量调节系统将根据控制系统输出的不同档位的控制信号，调节通风系统中各个阀门的开度大小，调节新风量大小，从而实现空气优化控制。

具体的，如图2-3所示，车载通风系统中有新风和回风两个通道，根据对车内空气环境的预期值，可以计算所需新风量的大小。传感器采集得到车内外含氧量数据α、β，计算得到车厢所需新风量与含氧量关系为：

(β-α_t-1)Q＝(α_t-α_t-1)Q₀

其中，α_t-1为当前时刻的车内含氧量，α_t为下一时刻的空气含氧量，其表示一个预期值，与我们设定的预期含氧量数值与净化速度有关，所需含氧量越大、期望净化速度越快，α_t数值越大。同时的，α_t-α_t-1也代表含氧量变化速率，其数值越大，空气净化速度越快。

由此可得新风需求量

其中，α_t-1为当前时刻车内氧气含量，α_t为下一时刻车内氧气含量，β为车外环境氧气含量，Q₀为车厢空气量，Q为新风量。

根据含氧量与新风量的关系，通过判断当前车内外空气质量状态，进行分档位空气净化调节。其中，在进行档位判断的过程中，应考虑如下几情况：

①大气空气质量差于车内空气质量，即车外含氧量低于车内含氧量，或大气环境中的有害物质超过我们预设的安全值，此时关闭通风系统的外循环，只利用车内循环进行空气流动，若此时车内含氧量低于安全值应发出警告。

②大气空气质量优于车内空气质量，但车内空气含氧量低于我们预先设定的安全含氧量范围，此时车内环境不利于司机与乘客的安全乘驾，应采用通风系统所允许的最大新风量进行空气净化，以便以尽量少的时间改善车内环境，此时应发出提示信号。

③大气空气质量优于车内空气质量，车内空气含氧量处于预设一级范围，此时车内环境处于安全范围，但含氧量较低，应以相对较大的新风量即较快的速度进行空气质量优化，改善环境。

④大气空气质量优于车内空气质量，车内空气含氧量处于预设二级范围，此时车内环境较好，处于空气优化的过渡阶段，考虑能源的消耗与新能源汽车的能量储备，此时应以相对较小的新风量进行优化，已达到最优的车内空气环境。

⑤大气空气质量优于车内空气质量，车内空气含氧量处于预设三级范围，此时车内环境处于最优含氧量环境，控制系统以低新风量、低能耗的模式进行环境的局部优化或维持，使车内环境处于一个最适合乘坐与驾驶的状态。

⑥若车内含氧量超过预设三级范围，表示车内含氧量超出理想范围，可能会造成身体不适或能源的无用损耗，此时关闭控制系统，不再进行空气优化。

上述环节中，各档位所需新风量为：

其中，Q_s为含氧量为1的理想新风环境下预设的净新风量，预设新风量的计算考虑不同档位范围的新风量差值与期望调节时间，Q_s越大，相应的调节时间越短；k为调整系数，他的数值与新能源汽车能源负载量有关，用来调节空气净化系统所占汽车系统的能耗比例。

通过计算得到的新风量值与当前环境状态有关，同时考虑汽车的能源储备，可以尽可能的降低能耗，保证系统的持续运行。在得到新风量的基础上，我们可以得到不同时刻的含氧量预计值：

如图6所示，不同的分档位空气优化策略图像呈减速上升趋势，满足逐步调节并节约能源的需求。

在计算出所需新风量之后，进一步通过通风阀新风量调节系统进行操作，通过调节新风阀入口压强及开度实现新风量的调节控制，被控物理量的数值按照如下公式计算：

其中，

C＝P_o-P_i，体现汽车系统的物理属性与环境因素，在特定环境下为定值。相应参数也可根据实际情况与预期效果计算得到。

进一步地，含氧量计算与控制系统根据以下公式调节新风管出口压强控制新风量：

ΔP＝P_o-P_j2＝λQ²+C

其中，

C＝P_i，P_o为车厢外压强，P_i为车厢内压强，ρ为空气密度，S₀为新风管前段阻抗，A为新风管截面积，S为阀门阻抗。

综上，考虑外环境与能耗的分级空气质量优化策略概括为：

当β-α_t-1<0时，车外空气质量差于车内空气质量，使新风量Q＝0，只采用内循环；

当β-α_t-1>0时，车外空气质量优于车内空气质量，采用内循环加外循环的分级模式：

当α<α₀时，采用紧急模式，以最大新风量Q_max进行空气优化；

当α₀<α<α₁时：采用优化一档，以新风量

进行空气优化；

当α₁<α<α₂时：采用优化二档，以新风量

进行空气优化；

当α₂<α<α₃时，采用优化三档，以新风量

进行空气优化；

其中，Q_s为含氧量为1的理想新风环境下预设的净新风量，k为调整系数。

进一步地，如图5所示为所述系统的硬件构成，包括单片机以及与单片机连接的传感器、显示/按键驱动、步进电机驱动以及PWM输出，所述显示/按键驱动连接有按键即LCD显示屏，所述步进电机驱动连接新风阀开动控制装置，所述PWM输出连接风机驱动。所述LCD显示屏显示当前车内含氧量情况以及工作档位情况，所述案件选择显示预测得到的含氧量变化趋势以及相关数据。

如图7所示，本发明的另一目的是提供一种基于上述系统的新能源汽车车载空气净化方法，其特征在于包括：

步骤1：将太阳能光伏板置于新能源汽车车体上，使其受光面积尽可能大，为了便于采光和扩大受光面积，可以使用柔性光伏板，例如采用GH-RXTYN100W型号柔性光伏板，输出电压22.4V，提供穿接触点，可串接使用。

步骤2：将MPPT太阳能控制器与光伏板连接，MPPT太阳能控制器具有对蓄电池组过充过放保护的功能，并且对整个系统有一定的电气保护作用；除此之外，MPPT太阳能控制器能够通过对太阳能光伏板到蓄电池组传输电能的功率的调节使得光伏板达到最大功率，为了实现最大功率点跟踪的目标，太阳能充电控制系统采用了干扰观测法来实现，这种方法是在一定的周期内改变太阳能电池输出电压，通过前一个太阳能电池输出功率值与后一个的输出功率值大小比较，最终在最大功率点处保持稳定。

步骤3：将光伏板输出端与DC-DC斩波电路相连，并接通蓄电池或负载进行供电。

如图4所示，DC-DC斩波电路采用Buck-Boost电路，电路中用GTR作为全控器件开关Q，当Q导通时，输入端经Q和电感构成电流通道，给电感提供能量，二极管反向偏置，电感电流增大，负载电流由电容器上存储的能量提供。当Q断开时，电感中的自感电势使二极管导通，存储在电感中的能量经二极管传递给电容和输出负载。Buck-Boost电路工作在占空比控制工作方式时，会有电流连续和断续两种工作方式。

工作时，通过STC12C5A60S2单片机与定时/计数器构成脉宽调制系统输出PWM信号，将PWM信号接入Buck-Boost电路的晶闸管两端，根据脉宽调制信号的占空比D进行电压的升降调节，使光伏板发出的电能转化为电压值合适的直流电能提供给控制系统或通过蓄电池存储起来。此部分工作的特点是：当控制系统工作时，太阳能采集系统产生的电能将作为能源供给提供给系统，保证系统运行所需的电能，若系统未工作或产生的电能多于系统所需能量，则电能将通过连接电路储存进蓄电池，从而使新能源汽车的能源储备得到补充，有利于持续工作。

步骤4：将传感器与控制系统相连，采集含氧量与压强数据，检测车厢实时空气质量数据，计算空气优化所需新风量及控制档位。

传感器采集的数据包括：车外空气质量β、当前车内空气质量α_t-1、车内压强P_i、车外压强P_o，同时我们可以根据实际情况得到所用车型的管道阻抗S、管道截面积A等固有属性数据，进一步可以计算各档位所需新风量以及含氧量，计算公式如下：

(β-α_t-1)Q＝(α_t-α_t-1)Q₀

同时，为了进行多档位优化调节，我们根据计算得到的新风量需要之以及预期效果提出各档位的新风量规定值，其数值可按如下公式计算：

步骤5：将含氧量计算与控制系统与通风阀调节装置连接，通过控制系统产生信号调节通风系统新风量。

如图5所示，车载空气净化系统的硬件组成包括单片机处理器、步进电机驱动器、PWM输出，其中我们通过计算得到的新风量数值使单片机产生相应控制信号，控制步进电机驱动器工作，调节新风阀的开度，从而改变新风阀入口处的压强，实现分档位的空气优化策略。

步骤6：将LCD液晶显示屏、键盘与传感器和控制系统输出信号相连接，显示当前车内含氧量情况以及工作档位情况，通过键盘选择显示预测得到的含氧量变化趋势以及相关数据，从而为认为调节控制参数提供依据。

步骤7：以单片机为核心，搭建起连接各部分的控制中枢，实现新能源调节利用、空气优化计算控制、机械设备控制调度等功能。

如图8所示为新能源汽车车载空气净化系统整体电路图，其中，STC12C5A60S2单片机I/O接口P0.0-0.7引脚接LCD1602显示输出，I/O接口P1.0/ADC0引脚接太阳能电压信号采集输入，I/O接口P1.1/ADC1接蓄电池电压信号采集输入，I/O接口P1.2/ADC2接系统电流信号采集输入，I/O接口P1.4/ADC4接继电器控制，I/O接口P1.5/ADC5接PWM输出，-INTO接口P3.2接含氧量探测器，XTAL2接外部晶振输出，XTAL1接外部晶振输入，RST为复位电路接口。

在控制系统的显示模块中采用LCD1602进行数据信息可视化，芯片LCD1602工作电压为5V，有16个引脚，其中1引脚接地，2引脚接电源VCC，3引脚接可调电阻RW2，一般默认其调节在最大对比值，4—6引脚接入单片机P10-12，4引脚控制RS，5引脚为R/W，是可进行写入或读取的信号线，6引脚E是使能端，用来确定芯片工作状态。7—14引脚是并行数据总线P0接口，15、16引脚是工作电压为5V的背光灯电源。

太阳能电压信号与蓄电池电压信号是运用电阻分压的方式检测电压后产生的，对于太阳能部分，用电阻R2、R3串联将电压转换成较小的电压信号传至单片机引脚；对于蓄电池部分，用R5、R6进行分压，将其电压信号送至单片机引脚。电流信号采样则运用电磁平衡式霍尔电流传感器测得。

继电器控制电路控制电能由太阳能供电或蓄电池供电之间的转换，其工作原理为：单片机P14输出高低电平经R11连接三极管B级，控制三极管Q4的导通或截止，从而决定继电器开关的吸合、断开状态。低电平时Q4导通，继电器J通电吸合，电流流经R12使状态指示灯点亮。若高电平时，状态相反。从而实现太阳能供电与蓄电池供电两种模式之间的转换。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种新能源汽车车载空气净化系统，其特征在于包括太阳能采集系统、太阳能调节与转化系统、蓄电池、传感器单元、含氧量计算与控制系统、通风阀新风量调节系统；

所述太阳能采集系统使用光伏板采集太阳能，通过所述太阳能调节与转化系统对产生的电能进行转化，转化后的电能以直流电形式储存在蓄电池中；所述太阳能调节与转化系统剩余电能与所述蓄电池共同为所述含氧量计算与控制系统供电；

所述含氧量计算与控制系统结合车外环境计算新风需求量，并根据车内外压强信息计算新风量控制数据，结合考虑外环境与能耗的分级空气质量优化策略生成通风阀调节命令，所述含氧量计算与控制系统根据以下公式调节新风管出口压强控制新风量：

ΔP＝P_o-P_j2＝λQ²+C

其中，

C＝P_o-P_i，P_o为车厢外压强，P_j2为通风阀出口压强，P_i为车厢内压强，ρ为空气密度，S₀为新风管前段阻抗，A为新风管截面积，S为阀门阻抗，Q为新风量，

所述考虑外环境与能耗的分级空气质量优化策略包括：

当β-α_t-1＜0时，车外空气质量差于车内空气质量，使新风量Q＝0，只采用内循环；

当β-α_t-1＞0时，车外空气质量优于车内空气质量，采用内循环加外循环的分级模式：

当α_t-1＜α₀时，采用紧急模式，以最大新风量Q_max进行空气优化；

当α₀＜α_t-1＜α₁时：采用优化一档，以新风量

进行空气优化；

当α₁＜α_t-1＜α₂时：采用优化二档，以新风量

进行空气优化；

当α₂＜α_t-1＜α₃时，采用优化三档，以新风量

进行空气优化；

其中，Q_s1、Q_s2、Q_s3为根据实际环境计算预设的三档理想环境净新风量，α_i为基于设计者预期的档位临界值，根据现设计分为三档，k为调整系数，α_t-1为当前时刻车内氧气含量，α_t为一个预期值，与设定的预期含氧量数值与净化速度有关，β为车外环境氧气含量，且

其中，Q₀为车厢空气量，i＝1,2,3；

所述通风阀新风量调节系统根据接收的通风阀调节命令调节通风阀。

2.根据权利要求1所述的新能源汽车车载空气净化系统，其特征在于所述传感器单元提取包括车内氧气含量、车外氧气含量、车厢内压强以及通风阀出入端压强的数据。

3.根据权利要求1所述的新能源汽车车载空气净化系统，其特征在于所述系统还包括显示当前车内含氧量情况以及工作档位情况的显示模块以及选择显示预测得到的含氧量变化趋势以及相关数据的按键模块。

4.一种基于权利要求1所述系统的新能源汽车车载空气净化方法，其特征在于包括：

步骤1、将太阳能光伏板置于新能源汽车车体上，并与MPPT太阳能控制器连接；

步骤2、利用MPPT太阳能控制器调节太阳能光伏板的电能传输功率，使光伏板功率达到最大；

步骤3、将光伏板输出端连接于通蓄电池或负载进行供电；

步骤4、将传感器单元与含氧量计算与控制系统相连，采集含氧量与压强数据，检测车厢实时空气质量数据，计算空气优化所需新风量及控制档位；

步骤5、将含氧量计算与控制系统与通风阀新风量调节系统连接，通过含氧量计算与控制系统产生信号调节通风系统新风量。

5.根据权利要求4所述的新能源汽车车载空气净化方法，其特征在于还包括：步骤6、将LCD液晶显示屏、键盘与传感器单元和含氧量计算与控制系统输出信号相连接，显示当前车内含氧量情况以及工作档位情况，通过键盘选择显示预测得到的含氧量变化趋势以及相关数据，从而为人为调节控制参数提供依据。

6.根据权利要求5所述的新能源汽车车载空气净化方法，其特征在于还包括：步骤7、以单片机为核心，搭建起连接各部分的控制中枢，实现新能源调节利用、空气优化计算控制、机械设备控制调度功能。

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