雙壓縮機(jī)式的太陽能冷藏車制冷系統(tǒng)動力切換與控制策略

徐勝楠　袁欣

摘 要：文章主要研究太陽能冷藏車制冷系統(tǒng)的動力切換與控制。對于采用雙壓縮機(jī)的太陽能冷藏車來說，面對不同的條件和工況，制冷系統(tǒng)能夠切換不同的工作模式，以此實現(xiàn)太陽能的最大利用率和各動力來源協(xié)同工作的策略研究是非常有必要的。文章首先，介紹了冷藏車和光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展前景，其次，闡述了采用雙壓縮機(jī)的太陽能冷藏車制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，通過分析其制冷系統(tǒng)的直接動力來源，指出其存在的不足。最后，針對制冷系統(tǒng)的動力來源，提出4種切換模式和相應(yīng)的控制流程。

關(guān)鍵詞：太陽能冷藏車；制冷系統(tǒng)；切換；控制

1 太陽能冷藏車概況

1.1 研究背景及意義

1.1.1 研究背景

近幾年國內(nèi)冷藏車擴(kuò)容較快，每年以15%～20%的速度增長，其帶來的能源消耗問題也不容小覷。據(jù)預(yù)測，到2050年，世界能源需求將是目前的3倍，而可再生能源要占到能源供給量的50%。太陽能作為一種環(huán)保、清潔的可再生能源在光伏發(fā)電技術(shù)、發(fā)熱技術(shù)上的應(yīng)用，將在一定程度上減少煤炭、石油的巨量消耗，同時也將緩和由傳統(tǒng)燃料所帶來的大氣污染問題。

1.1.2 研究意義

目前市面上的冷藏車分為獨立式和非獨立式，獨立式冷藏車自帶內(nèi)燃機(jī)或者電動機(jī)給制冷部件提供能量，非獨立式冷藏車則是通過發(fā)動機(jī)帶動制冷系統(tǒng)工作。

這兩種冷藏車在臨時停車時，需要外接電源或者由發(fā)動機(jī)怠速制冷來維持冷藏箱內(nèi)恒定溫度，在帶來不便的同時，也會導(dǎo)致大氣污染。因此，將光伏發(fā)電技術(shù)引用到冷藏車制冷系統(tǒng)上，并對發(fā)動機(jī)、蓄電池、太陽能這3個制冷系統(tǒng)的能量來源進(jìn)行合理的切換及控制，對于發(fā)展冷鏈、節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境有重要意義。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在國內(nèi)，冷藏車制冷系統(tǒng)的直接動力來源主要依靠外加的獨立電源或者發(fā)動機(jī)，為此很多學(xué)者在這方面做出改進(jìn)與研究。西南交通大學(xué)的劉志強[1]設(shè)計了一款太陽能輕型冷藏車，選擇用儲能蓄電池和光伏電池的雙供能系統(tǒng)給電機(jī)和制冷系統(tǒng)供能。江蘇大學(xué)的楊柳[2]采用太陽能作為冷藏車的輔助電源，并通過計算，對蓄電池、太陽能光伏板、逆變器和控制器進(jìn)行了選型。淮陰工學(xué)院的許兆棠等[3]采用太陽能作為半導(dǎo)體制冷器的動力來源，為果蔬冷藏車的開發(fā)應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。另外，國內(nèi)一些公司也在大力開發(fā)太陽能用于冷藏系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)[4]，上海新國際博覽中心舉辦的亞洲生鮮配送展上展示了盈達(dá)太陽能移動車載冷庫系統(tǒng)，近年來該車載冷庫系統(tǒng)在食品、醫(yī)藥等行業(yè)的運輸中得到了廣泛應(yīng)用。

在國外，美國ENow公司、Johnson卡車上裝公司、Challenge Dairy乳液公司合作推出一款能夠達(dá)到12 h續(xù)航能力的太陽能冷藏車，不僅達(dá)到了零排放的環(huán)保要求，還滿足食品運輸要求。在美國田納西州NATDA拖車展上，由勁達(dá)集團(tuán)美國公司聯(lián)合美國金標(biāo)帶公司共同研發(fā)推出了全球首臺純太陽能冷藏拖車，該款拖車將太陽能光伏集熱板鋪設(shè)于廂體頂部，廂內(nèi)溫度維持在零下10 ℃，可以滿足各種食品及貨物的冷藏需求。另外，機(jī)組還具備可作為能源補充的外接市電接口，達(dá)到一機(jī)兩用的效果。

2 雙壓縮機(jī)式的太陽能冷藏車制冷系統(tǒng)介紹

2.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

一種雙壓縮機(jī)式的冷藏車混合制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，光伏發(fā)電儲能部件包括光伏板、光伏控制器、蓄電池、逆變器；雙壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)由機(jī)械壓縮機(jī)、電動壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器組成；汽車組件包括發(fā)動機(jī)和電磁離合器。其工作原理為：冷藏車在行駛過程中，電磁離合器閉合，帶動機(jī)械壓縮機(jī)工作，機(jī)械壓縮機(jī)吸入壓力較低的制冷蒸汽，壓縮成高溫高壓氣體送入冷凝器，在冷凝器中受到外界強制通風(fēng)冷凝成高壓液體，經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流后，以霧狀進(jìn)入蒸發(fā)器，并吸收周圍的熱量，達(dá)到制冷效果。此時光伏陣列吸收太陽能通過光伏控制器對蓄電池充電。當(dāng)冷藏車中途停車時，蓄電池將儲存的直流電通過逆變器轉(zhuǎn)化為交流電對電動壓縮機(jī)進(jìn)行供能。電動壓縮機(jī)和機(jī)械壓縮機(jī)共用一個制冷循環(huán)。

2.2 制冷系統(tǒng)的不足

上述混合制冷系統(tǒng)中，光伏控制器僅是太陽能充電器，只是將光伏陣列所吸收的太陽能以MPPT輸給蓄電池，然后再由蓄電池向電動壓縮機(jī)提供能量，本質(zhì)上仍是由蓄電池帶動負(fù)載，屬于傳統(tǒng)充放電模式。發(fā)動機(jī)、蓄電池、太陽能這三者作為制冷系統(tǒng)的動力來源，良好的動力切換和控制策略對實現(xiàn)太陽能的最大利用率和太陽能冷藏車的改良和升級有重大意義。

3 制冷系統(tǒng)動力切換及控制策略

3.1 切換路線

制冷系統(tǒng)的動力切換主要針對電動壓縮機(jī)的直接動力來源進(jìn)行研究。光伏板和蓄電池兩端都接有電壓/電流采樣電路，所采集到的電壓/電流信號發(fā)送到控制單元中，控制單元內(nèi)部的算法會根據(jù)采集到的信號對單向DC/DC變換器和雙輸入DC/AC變換器中的開關(guān)管進(jìn)行控制，實現(xiàn)以下模式的切換。

模式一：光伏板和蓄電池兩端的采樣電路將采集到的電壓/電流信號發(fā)送給控制單元，通過內(nèi)部算法的運算，控制單元將輸出PWM信號關(guān)斷雙輸入DC/AC變換器中控制蓄電池放電的開關(guān)管，此時光伏板吸收太陽能產(chǎn)生直流電，經(jīng)由DC/AC變換器轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姾笏腿腚妱訅嚎s機(jī)。

模式二：光伏板和蓄電池兩端的采樣電路將采集到的電壓/電流信號發(fā)送給控制單元，經(jīng)過內(nèi)部算法的運算，控制單元輸出PWM信號控制雙輸入DC/AC開關(guān)管的占空比來調(diào)節(jié)光伏板和蓄電池的輸出功率比例，此時光伏板和蓄電池協(xié)同放電，以此達(dá)到充分利用太陽能的目的。

模式三：采樣電路將采集到的電信號送入控制單元，經(jīng)由內(nèi)部算法的運算，輸出PWM信號關(guān)斷控制光伏板放電的開關(guān)管，此時由蓄電池單獨向電動壓縮機(jī)供能。

模式四：控制單元對采樣電路送入的電壓/電流信號進(jìn)行運算分析后，控制單向DC/DC變換器在MPPT模式下工作，此時光伏板對蓄電池進(jìn)行充電。

3.2 控制流程

制冷系統(tǒng)控制流程如圖2所示，光伏板可提供的功率PPV與用電負(fù)載容量Pload的大小關(guān)系決定蓄電池是否投入供電，蓄電池SOC決定制冷系統(tǒng)的直接動力來源。

當(dāng)太陽能充足、光伏陣列提供的功率大于電動壓縮機(jī)所需功率時，根據(jù)蓄電池SOC值來決定電動壓縮機(jī)的直接動力來源。若蓄電池SOC大于所設(shè)定的上限值，蓄電池停止充電，光伏板由轉(zhuǎn)換器DC/AC直接向電動壓縮機(jī)供電。若此時蓄電池SOC小于設(shè)定值，光伏板則以MPPT模式通過DC/DC轉(zhuǎn)換器對蓄電池進(jìn)行充電，DC/DC轉(zhuǎn)換器有BUCK、BOOST、關(guān)斷3種模式，能夠?qū)崿F(xiàn)對蓄電池合理充電。

當(dāng)太陽能不足，即光伏陣列提供的功率小于電動壓縮機(jī)所需功率時，根據(jù)蓄電池SOC值來決定蓄電池放電電路的開斷。若蓄電池SOC大于所設(shè)定的下限值，蓄電池作為輔助電源和光伏陣列一起供電，若蓄電池SOC小于所設(shè)定的下限值時，切斷蓄電池放電電路，由發(fā)動機(jī)帶動機(jī)械壓縮機(jī)進(jìn)行工作。

[參考文獻(xiàn)]

[1]劉志強.太陽能輕型冷藏車系統(tǒng)設(shè)計[D].成都：西南交通大學(xué)，2017.

[2]楊柳.冷藏車太陽能輔助電源系統(tǒng)的設(shè)計與研究[J].輕型汽車技術(shù)，2016（Z3）：36-40.

[3]許兆棠，張恒.果蔬冷藏車太陽能半導(dǎo)體冷藏系統(tǒng)的設(shè)計[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009（16）：7666-7667，7675.

[4]佚名.太陽能冷藏車或成新趨勢[J].專用汽車，2015（5）：92.