CN110764558B - 智能呼吸器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一款智能呼吸器，该智能呼吸器集防水透气、主动通风、智能加热、智能制冷及温湿度监控等多种功能于一体，根据电控箱内外所处环境，若智能呼吸器判断电控箱内部存在“凝露”风险，则根据实际情况分别执行风机运行指令、PTC型热敏电阻器加热指令或半导体制冷片制冷指令，起到良好的“除湿”、“抗凝露”效果。

Description

智能呼吸器及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种智能呼吸器及其控制方法，应用于新能源汽车领域。
背景技术
随着时代的进步，人们对于产品可靠性要求越来越高。新能源汽车作为新兴产业，相比于传统汽车产业，对其内部组件可靠性要求更为严苛。目前新能源汽车电控箱使用的防水透气阀，可以平衡箱体内外大气压力，但箱体内出现“凝露”现象尚未有效解决。“凝露”主要发生在湿度较高、温差较大环境下，电控箱器内“冷凝水”的产生，主要原因在于湿度过高的空气长期积聚于箱体内，未排出箱体外；遇温差较大的降温过程，箱体内壁会出现“冷凝水”，严重情况下，整个电控箱内空气处于“凝露”状态。电控箱内长期处于较高湿度环境，会造成内部元器件的锈蚀；若产生冷凝水，更会造成电控箱内电路板短路烧毁，后果十分严重。为此，有必要实时监测电控箱内外温度、湿度变化，且电控箱内湿度需通过有效手段加以控制。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一款智能呼吸器。该智能呼吸器集防水透气、主动通风、智能加热、智能制冷及温湿度监控等多种功能于一体。根据电控箱内外所处环境，若智能呼吸器判断电控箱内部存在“凝露”风险，则根据实际情况分别执行风机运行指令、PTC型热敏电阻器加热指令或半导体制冷片制冷指令，起到良好的“除湿”、“抗凝露”效果。
本发明的技术方案是：智能呼吸器，包括单片机控制器；
包括第一温湿度传感器，所述第一温湿度传感器设置于电控箱外部；
包括第二温湿度传感器，所述第二温湿度传感器设置于电控箱内部；
包括PTC型热敏电阻器，所述PTC型热敏电阻器贴于电控箱内侧壁上；
包括防水透气阀，所述防水透气阀包括阀体和阀盖，所述阀体沿中心轴线方向开设有贯通的中心腔体，阀体一端穿过电控箱侧壁并安装于电控箱侧壁上，且与电控箱的顶部和底部保持悬空，阀体另一端位于电控箱外侧，阀体另一端设置有防水透气膜并套有阀盖；
包括风机，所述风机嵌置于阀体内部的中心腔体内，且位于电控箱内部；
包括带有半导体制冷片的抽湿舱，所述抽湿舱依托电控箱侧壁罩于防水透气阀上，抽湿舱的舱体上密布有多个通气小孔。
进一步的，所述PTC型热敏电阻器为两只热敏电阻的组合模式，一只实时监测壁面温度的测温热敏电阻和一只加热壁面周围空气的发热热敏电阻。其具有实时监测壁面温度以及加热壁面周围空气双重作用；一只热敏电阻器加热同时，另一只热敏电阻器可同时监测箱体内壁面温度。众所周知，电流通过电阻体会产生热效应，电流通过发热体——PTC型热敏电阻器，热敏电阻器发热产生热量，以热传导方式加热箱体内壁面，内壁面温度升高，抑制冷凝现象产生。
进一步的，所述PTC型热敏电阻器贴于电控箱内侧壁上方区域。
进一步的，所述PTC型热敏电阻器有多个，分别贴于电控箱内各个壁面上。
进一步的，所述第二温湿度传感器设置于电控箱内部上方区域，保持悬空。因为干空气密度大于湿空气密度，湿空气悬浮于电控箱内上方区域，置于电控箱内上方的传感器能更快感应到空气湿度，单片机及时作出条件判定。
进一步的，所述第一温湿度传感器设置于电控箱外部悬空安装。
进一步的，所述抽湿舱呈半椭球体状。
进一步的，所述阀体另一端设置有格栅。采用格栅加以配合，起到气体整流的作用，将“水蒸气(汽)”快速排出体外。
本发明还提供一种智能呼吸器的智能呼吸控制方法，具体步骤如下：
步骤一、单片机控制器读取电控箱内第二温湿度传感器检测到的电控箱内温度Tin和电控箱内相对湿度Hin，PTC型热敏电阻器检测到的电控箱内壁面温度Tin_sur，以及电控箱外部第一温湿度传感器检测到的电控箱外温度Tout和电控箱外相对湿度Hout；
步骤二、根据Ti查表确定电控箱内饱和水蒸气(汽)密度ρS_in，并计算出电控箱内绝对湿度ρS_in×Hin；根据Tout查表确定电控箱外饱和水蒸气(汽)密度ρS_out，并计算出电控箱外绝对湿度ρS_out×Hout；根据Tin和Hin查表确定电控箱内空气露点温度Td；
步骤三、当电控箱内绝对湿度高于电控箱外绝对湿度，即ρS_in×Hin＞ρS_out×Hout时，单片机控制器控制风机开启；其中，所述风机可选用轴流风机。
当ρS_in×Hin≤ρS_out×Hout时，单片机控制器控制风机关闭；
当电控箱内相对湿度Hin>65％RH或者电控箱内壁面温度与电控箱内空气露点温度相近即Tin_sur-Td≤3℃时，单片机控制器控制PTC型热敏电阻器加热；
当电控箱内相对湿度Hin≤65％RH且Tin_sur-Td＞3℃时，单片机控制器控制PTC型热敏电阻器停止加热；
当电控箱内相对湿度Hin>85％RH时，半导体制冷片通电降温，风机启动，抽湿舱工作；
当电控箱内相对湿度Hin≤85％RH时，半导体制冷片停止工作，抽湿舱停止工作。
进一步的，当电控箱内温度(第二温湿度传感器与PTC型热敏电阻器共同判定)大于85℃或小于-40℃，单片机控制器给予报警信号警报。避免环境温度异常致使电控箱发生故障，导致车辆事故发生。
本发明的有益效果是：智能呼吸器实现了“智能化”，传感器技术的应用实现了电控箱内外温度、湿度实时监控；贴于内壁面的PTC型热敏电阻器(包括测温热敏电阻和加热热敏电阻)发挥双重功效；半导体制冷片通电使抽湿舱产生“极干空气”，与箱体内“湿气”互换；嵌有风机的防水透气阀突破传统应用，在平衡电控箱内外压力同时，起到了增加箱体内外气体交换、促使“湿气”快速排出电控箱的效果。
智能呼吸器服务于电动汽车领域。其集传感器技术、加热应用、半导体制冷技术及防水透气阀新型设计于一体，以单片机为核心的实时控制与智能数据处理系统，根据不同条件判定，给予不同指令，通过风机运转、PTC型热敏电阻器加热或半导体制冷片除湿，控制电控箱内环境状态，起到“去湿”、“抗凝露”效果。智能控制系统以最低耗能达到最高效率工作状态，同时具备预警警报功能，大大提高了电控箱的可靠性和工作寿命。
附图说明
图1为智能呼吸器的结构框图；
图2为智能呼吸器的主体结构俯视剖面图；
图3为智能呼吸器的控制流程图。
图中：1为阀盖，2为防水透气膜，3为风机，4为阀体，5为电控箱，6为抽湿舱，7为半导体制冷片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
如图1所示，智能呼吸器主要由单片机控制系统(例如STM32F103ZET6)、置于电控箱外的温湿度传感器(例如博世BME280)、置于电控箱内的温湿度传感器(例如博世BME280)、PTC型热敏电阻器(测温/加热)(例如贺利氏M222系列)、嵌有风机(例如铭億鑫Mexn1504型)的防水透气阀及带有半导体制冷片(例如帕尔帖TES1-07101)的抽湿舱组成。
如图2所示，产品主要由阀盖1、阀体4、防水透气膜2、风机3、抽湿舱6及半导体制冷片7等主要部件组成。透气阀安装于电控箱5侧壁上，与底部、顶部保持悬空状态。带有半导体制冷片的抽湿舱依托电控箱侧壁罩于透气阀上，抽湿舱为不锈钢材质，呈半椭球体状，球体上方密集许多“小孔”，用于内外空气流通。
嵌于阀体内的风机具有高转速、低功耗、噪音小及使用温度范围广等特点。扇叶片角度与间距的合理布局，增加空气流量，达到最大风量；其转速不低于5000r/min；且使用寿命高达2万小时。风机巧妙嵌于阀体内，上方预留足够空间，加强了空气流通；阀体上方格栅加以配合，起到气体整流的作用，将“水蒸气(汽)”快速排出体外。智能呼吸器在风机开启状态下，其“除湿”能力可达到普通防水透气阀的2.6倍。
半导体制冷片具有抗震、无噪音、无泄漏及高可靠性等特点。半导体制冷片冷热端温差可达65℃，且其热惯性非常小，极速制冷，将舱内空气冷却到“极点”，实现快速“去湿”生成极干空气。
设备所使用的传感器为温度、湿度二合一的传感器，具有使用温湿度范围广、分辨率高、响应速度快及测量精度高等优点。一只第二温湿度传感器置于电控箱内上方区域，保持悬空状态，因为干空气密度大于湿空气密度，湿空气悬浮于电控箱内上方区域，置于电控箱内上方的传感器能更快感应到空气湿度，单片机及时作出条件判定。另一只第一温湿度传感器置于电控箱外，悬空安装。
PTC型热敏电阻器(两只热敏电阻的组合模式，分别用来测温和发热)贴于电控箱内侧壁上方区域(可以根据需要使用多个。例如，电控箱内所有壁面均使用)，其具有实时监测壁面温度以及加热壁面周围空气双重作用；一只热敏电阻器加热的同时，另一只热敏电阻器可同时监测箱体内壁面温度。众所周知，电流通过电阻体会产生热效应，电流通过发热体——PTC型热敏电阻器，热敏电阻器发热产生热量，以热传导方式加热电控箱内壁面使其温度升高，抑制冷凝现象产生。PTC是Positive Temperature Coefficient的缩写，意思是正的温度系数，泛指正温度系数很大的半导体材料或元器件。
电动汽车所处状态，主要有车辆发动、行驶、停车、存放四大状态。针对不同状态，进行模拟试验，得出智能呼吸器风机启动、PTC型热敏电阻器加热以及半导体制冷片制冷控制条件判定，通过单片机编程实现，智能呼吸器的控制流程图见图3。
(1)当汽车发动，电机运转，传感器检测到电控箱内温度上升，电控箱内相对湿度Hin随着温度上升而下降，此时，由于电机工作时间较短(电控箱内升温不够高)或电控箱内相对湿度较高，依旧可能会产生“凝露”现象，作为预防措施，当电控箱内绝对湿度(电控箱内饱和水蒸气密度ρS_i×电控箱内相对湿度Hin)高于电控箱外绝对湿度，即ρS_in×Hin＞ρS_out×Hout，单片机给予指令，开启风机；反之，即ρS_in×Hin≤ρS_out×Hout，则关闭风机。若电控箱内相对湿度Hin>65％RH，单片机给予指令，PTC型热敏电阻器加热，直至电控箱内相对湿度Hin≤65％RH，指令停止(实际实施的时候，可以按照Hin≤55％RH或其它合适的数据来操作)。RH是相对湿度的缩写，相对湿度指水在空气中的蒸汽压与同温度同压强下水的饱和蒸汽压的比值。用百分数表达。
(2)长时间的行驶使得电控箱内外温度越来越高，相对湿度越来越小，一般情况下，不会存在“凝露”现象。如遇特殊情况，例如电控箱内相对湿度过大情况下，条件判定可参见(1)。
(3)车辆停车熄火，电机停止工作，此时处于降温阶段。若外界温度较低，造成降温过程存在较大温差，一旦电控箱内温度低于电控箱内空气露点温度，就会出现“凝露”现象。值得注意的是，在降温过程中，电控箱内壁面温度低于电控箱内空气温度，这是因为热传导具有“延时性”，为此电控箱内壁面较电控箱内部空气更易产生“凝露”现象。当电控箱内绝对湿度(电控箱内饱和水蒸气密度ρS_in×电控箱内相对湿度Hin)高于电控箱外绝对湿度，即ρS_in×Hin＞ρS_out×Hout，单片机给予指令，风机开启；一旦电控箱内壁面温度与电控箱内空气露点温度(Td)相近，即将出现“凝露”时，判定条件Tin_sur-Td≤3℃成立时，单片机给予指令，同时开启加热功能。
(4)车辆存放于室外，大气环境变幻莫测，极端恶劣气候环境，例如长期梅雨季、过大的昼夜温差会造成电控箱内空气湿度过大，出现“凝露”现象。当电控箱内传感器检测到相对湿度Hin>85％RH时，半导体制冷片发挥其功效。半导体制冷片通电后，抽湿舱内空气极速降温，降温后的空气绝对湿度非常小，空气含水汽量极低，可称作“极干空气”。“极干空气”类似于中国东北地区冬天的干燥气候。此时，开启风机，抽湿舱内“极干空气”跑入电控箱内，同时，电控箱内的“湿气”跑入抽湿舱，在半导体制冷片制冷作用下又变成“极干空气”，再次进行“干、湿”互换，如此循环降低了电控箱内空气含水量，气体处于干燥状态，电控箱内的冷凝水逐渐挥发并被排出电控箱，直至传感器检测到电控箱内相对湿度Hin≤85％RH(实际实施的时候，可以按照Hin≤65％RH或其它合适的数据来操作)，指令停止。
同时，智能呼吸器具有预警警报功能，避免环境温度异常致使电控箱发生故障，导致车辆事故发生。根据GB/T 18488.1-2015《电动汽车用驱动电机系统》标准中有关使用环境温度的要求，设定温度阈值，一旦当温度超过阈值，单片机控制器给予报警信号。温度设定阈值如下：当电控箱内温度(第二温湿度传感器与PTC型热敏电阻器共同判定)大于85℃或小于-40℃，给予警报。
智能呼吸器实现了“智能化”，传感器技术的应用实现了电控箱内外温度、湿度实时监控；贴于内壁面的PTC型热敏电阻器(包括测温热敏电阻和加热热敏电阻)发挥双重功效；半导体制冷片通电使抽湿舱产生“极干空气”，与电控箱内“湿气”互换；嵌有风机的防水透气阀突破传统应用，在平衡电控箱内外压力同时，起到了增加箱体内外气体交换、促使“湿气”快速排出电控箱的效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.智能呼吸器，其特征在于：包括单片机控制器；
包括第一温湿度传感器，所述第一温湿度传感器设置于电控箱外部；
包括第二温湿度传感器，所述第二温湿度传感器设置于电控箱内部；
包括PTC型热敏电阻器，所述PTC型热敏电阻器贴于电控箱内侧壁上；所述PTC型热敏电阻器为两只热敏电阻的组合模式，一只实时监测壁面温度的测温热敏电阻和一只加热壁面周围空气的发热热敏电阻；
包括防水透气阀，所述防水透气阀包括阀体和阀盖，所述阀体沿中心轴线方向开设有贯通的中心腔体，阀体一端穿过电控箱侧壁并安装于电控箱侧壁上，且与电控箱的顶部和底部保持悬空，阀体另一端位于电控箱外侧，阀体另一端设置有防水透气膜并套有阀盖；
包括风机，所述风机嵌置于阀体内部的中心腔体内，且位于电控箱内部；
包括带有半导体制冷片的抽湿舱，所述抽湿舱依托电控箱侧壁罩于防水透气阀上，抽湿舱的舱体上密布有多个通气小孔。
2.根据权利要求1所述的智能呼吸器，其特征在于：所述PTC型热敏电阻器贴于电控箱内侧壁上方区域。
3.根据权利要求1所述的智能呼吸器，其特征在于：所述PTC型热敏电阻器有多个，分别贴于电控箱内各个壁面上。
4.根据权利要求1所述的智能呼吸器，其特征在于：所述第二温湿度传感器设置于电控箱内部上方区域，保持悬空。
5.根据权利要求1所述的智能呼吸器，其特征在于：所述第一温湿度传感器设置于电控箱外部悬空安装。
6.根据权利要求1所述的智能呼吸器，其特征在于：所述抽湿舱呈半椭球体状。
7.根据权利要求1所述的智能呼吸器，其特征在于：所述阀体另一端设置有格栅。
8.一种权利要求1-7任一所述的智能呼吸器的智能呼吸控制方法，其特征在于:具体步骤如下：
步骤一、单片机控制器读取电控箱内第二温湿度传感器检测到的电控箱内温度Tin和电控箱内相对湿度Hin，PTC型热敏电阻器检测到的电控箱内壁面温度Tin_sur，以及电控箱外部第一温湿度传感器检测到的电控箱外温度Tout和电控箱外相对湿度Hout；
步骤二、根据Ti查表确定电控箱内饱和水蒸气密度ρS_in，并计算出电控箱内绝对湿度ρS_in×Hin；根据Tout查表确定电控箱外饱和水蒸气密度ρS_out，并计算出电控箱外绝对湿度ρS_out×Hout；根据Tin和Hin查表确定电控箱内空气露点温度Td；
步骤三、当电控箱内绝对湿度高于电控箱外绝对湿度，即ρS_in×Hin＞ρS_out×Hout时，单片机控制器控制风机启动；
当ρS_in×Hin≤ρS_out×Hout时，单片机控制器控制风机关闭；
当电控箱内相对湿度Hin>65％RH或者电控箱内壁面温度与电控箱内空气露点温度相近即Tin_sur-Td≤3℃时，单片机控制器控制PTC型热敏电阻器加热；
当电控箱内相对湿度Hin≤65％RH且Tin_sur-Td＞3℃时，单片机控制器控制PTC型热敏电阻器停止加热；
当电控箱内相对湿度Hin>85％RH时，半导体制冷片通电降温，风机启动，抽湿舱工作；
当电控箱内相对湿度Hin≤85％RH时，半导体制冷片停止工作，风机关闭，抽湿舱停止工作。
9.根据权利要求8所述的智能呼吸器的智能呼吸控制方法，其特征在于:当电控箱内温度大于85℃或小于-40℃，单片机控制器给予报警信号警报。
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Denomination of invention: Intelligent Respirator and Its Control Method

Effective date of registration: 20230724

Granted publication date: 20211210

Pledgee: Industrial Bank Co.,Ltd. Shanghai Pilot Free Trade Zone Branch

Pledgor: SHANGHAI FOUND AUTOMATIC EQUIPMENT Co.,Ltd.

Registration number: Y2023310000391

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