一種大容量風冷車載冰箱電氣控制系統設計淺析

劉 濤 何寶石 高方正

（長虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

車載冰箱按照技術原理分為半導體式車載冰箱和壓縮機式車載冰箱[1]。半導體式車載冰箱容積小，儲存食品有限，制冷效果差，最多到-5 ℃，在夏季，基本不能滿足制冷需求；而壓縮機式車載冰箱容積范圍廣，從100 L到500 L等容積均可做到，且制冷效果好，可以長期制冷運行，因此壓縮機式車載冰箱必將逐步替代半導體式車載冰箱[2]。

目前，市場上小型房車往往配置小容積（100～200 L）的直冷壓縮機式車載冰箱；中型房車則配置中等容積（200～400 L）的風冷壓縮機式車載冰箱[3]；而對于大型房車而言，則需要配置更大容積（400～500 L）的風冷壓縮機式車載冰箱，該種冰箱相比于前兩者而言，控制系統更為復雜，需要更高的設計要求。

1 大容量風冷車載冰箱電氣控制系統構成及其工作原理

1.1 大容量風冷車載冰箱電氣控制系統構成

一種大容量風冷車載冰箱電氣控制系統，包括中央控制單元主控板模塊、壓縮機變頻板模塊、DC 12 V電源供電模塊、冰箱負載模塊、傳感器門燈信號輸入模塊以及LED顯示模塊；其中冰箱負載模塊包括風扇電機、電動風門、化霜加熱器、防凝露加熱器和LED照明燈等冰箱各類負載，如圖1所示。

圖1 電氣控制系統構成

1.2 大容量風冷車載冰箱工作原理

壓縮機式車載冰箱配置的壓縮機通常為直流變頻壓縮機，其與家用電冰箱最大的不同點在于其供電電壓不同，家用電冰箱供電電壓為交流220 V，而壓縮機式車載冰箱是利用太陽能或者蓄電池進行供電的，電壓為直流電壓DC 12 V，因而需要通過設置一個DC 12 V電源模塊。

壓縮機變頻板和主控板之間通過串行通信來傳輸接收和反饋命令來控制變頻壓縮機的運行。壓縮機變頻板也具備獨自處理壓縮機異常運行時需要降速或者停止運行等命令。

為了增加用戶體驗感，本控制系統中具有LED顯示屏模塊，其與主控板之間通過串行通信來進行信號的傳輸，主控板不僅可以將車載冰箱各種負載運行情況，以及傳感器正常與否通過顯示屏特殊代碼顯示出來，還可以將車載冰箱重要的電池用電情況顯示出來，便于用戶及時獲知電池電量信息。

作為冰箱的感官器官，傳感器和門燈開關一直是冰箱內不可或缺的零部件，傳感器可以將冰箱冷藏室、冷凍室等箱內溫度實時反饋給主控板，通過計算處理控制各類負載的運行；門燈開關直接反應出用戶開門的頻率以及用戶使用冰箱的習慣，該信息反饋給主控板后進行分析運算后傳輸給壓縮機變頻板，進而調節壓縮機的轉速，做到耗電量的最優化處理，節約能源。

作為執行主控板命令的冰箱負載模塊，風扇電機參與壓縮機的制冷運行，將冷凍蒸發器的冷量強制傳輸到冷藏室進行制冷；電動風門用于控制風道內風量的大小，調節冷藏室內溫度；化霜加熱器用于給冷凍蒸發器加熱除霜，避免霜堵或者冰堵；防凝露加熱器位于冰箱門轉梁內，避免門轉梁的凝露流水；LED照明燈用于冰箱內照明。

2 大容量風冷車載冰箱關鍵電氣零部件設計

2.1 冰箱主控板設計

車載冰箱的供電系統通常是由電池進行供電的，其電壓輸出具有一定的波動性，因而直流主控板的設計關鍵是解決電壓的波動問題。采用DC-DC 開關電源電路，可將輸入范圍在DC 8.5 V 到DC 31.5 V 之間的直流電源電壓通過開關電源電路的設計，轉換為穩定輸出的DC 12 V 電壓；設計示意如圖2 所示。

圖2 主控板DC-DC電源電路

2.2 壓縮機變頻板設計

對于壓縮機而言，直流電壓供電會造成壓縮機的運行電流很大，一般達到7 A左右，上電初始狀態甚至可以達到10 A以上，因而壓縮機變頻板的設計關鍵在于解決電池供電電壓的波動性以及壓縮機大電流的驅動問題。

為了解決上述問題，在壓縮機變頻板的設計上，電源模塊采用DC-DC開關電源電路，將寬電壓轉變為穩定的DC 12 V和DC 5 V輸出；驅動模塊采用PN7006A型號的電機驅動芯片，以及NCE40H12A型號的MOSFET 管，可以做到帶載電流達到20 A以上，滿足驅動直流變頻壓縮機的工作要求。變頻板電源電路、驅動電路設計示意圖如圖3、圖4 所示。

圖3 變頻板DC-DC電源電路

圖4 變頻板壓縮機驅動電路

2.3 直流化霜加熱器設計

對于風冷冰箱加熱器，材質上行業內往往以鋼管加熱器設計為主。為了確保冷凍蒸發器除霜可靠性，加熱器功率設計尤為關鍵。而且對于直流冰箱而言，長期工作在大電流工況下，加熱管內加熱絲發熱致使阻值升高，加熱器功率下降，勢必會影響除霜效果；而且加熱器導線本身的發熱不僅會引起輸入電壓下降，而且發熱量過高則會引起導線絕緣層護套的軟化，長期運行會引起耐壓不足、破損起火等安全問題。因此，直流化霜加熱器的設計關鍵在于功率上做到滿足產品化霜性能可靠性，安全上做到在大電流工況下，加熱器滿足安全使用可靠性。

為了滿足上述要求，加熱器結構上可以采取雙管并聯設計，即加熱管部分使用兩根鋼管，分別硫化以后再通過溫度熔斷器并聯（設計示意圖如圖5所示），這與單根加熱管設計相比，單根功率可以減小一倍，其電流也減小一倍，其阻值增大一倍，總功率保持不變。雙管并聯結構不但有效降低了加熱管的溫升，而且加熱絲成型工藝制造上更為容易，質量上可以降低加熱絲阻值偏差引起的功率影響。經過整機試驗驗證，選取加熱絲功率為150 W可以滿足化霜性能需求；同時根據IEC 60335-1-2016、IEC 60335-2-24-2010標準，通過加熱器非正常工作試驗測試其溫升值為281.70 ℃，滿足不能超過360 ℃的標準要求。同時，為了減小導線發熱量引起的壓降造成加熱絲功率的影響，宜選取AWG 12規格的導線，實際可承載電流在13.1 A。對于溫度熔斷器，宜選取為工作溫度為72～77 ℃，可承載電流為16 A規格的芯片。

圖5 化霜加熱器設計示意圖

2.4 直流防凝露加熱器設計

對于冷藏室為對開門設計的大容量風冷冰箱，為了防止門轉梁出現凝露現象，提升用戶體驗感，在門轉梁處往往設置一個防凝露加熱器。倘若仿照交流冰箱防凝露加熱器額定功率8 W設計，其額定電壓為DC 12 V，電阻阻值為18 Ω，導線線規按照常規選擇AWG 20（截面積≈0.519 mm2），因其位置距離冰箱后背處的主控板位置較遠，導線長度約為10 m，根據導線電阻公式：

式中：

ρ—電阻率；

l—電阻長度；

s—與電流垂直的電阻截面積。

以及電阻率公式：

式中：

ρ0—純銅線在0 ℃的電阻率，約為0.175 Ω·mm2/m；

a—電阻溫度系數，0.003 93/℃；

t—溫度。

可以算出，常溫25 ℃時，ρ25=0.203 2 Ω·mm2/m，其電阻為4.064 Ω，根據歐姆定律：

式中：

U—電壓；

I—電流；

R—電阻。

可以算出電流I=U/R=12/(4.064+18)=0.544 A，又根據電功率公式：

式中：

I—電流；

R—電阻。

可以算出，防凝露加熱器實際功率為5.33 W，與額定值8 W相比，下降了2.67 W，下降率33 %，可見，線路分壓很大。因此，對于直流防凝露加熱器而言，其設計關鍵在于解決導線電阻產生的線路分壓引起防凝露加熱器功率下降的問題。

若將導線規格改為AWG18（截面積≈0.822 mm2），則可推算出防凝露加熱器實際功率約為6.19 W，仍然與額定值8 W有差距，說明單純依靠加大線徑無法得到解決，還需要適當增大防凝露加熱器的額定功率。其匹配關系如表1所示。

從表1可知，當防凝露加熱器功率設計為12 W，導線線徑規格為AWG18時，其實際功率為8.27 W，可以滿足防凝露加熱器使用功率的性能需求。

表1 防凝露加熱器功率和導線線徑匹配關系表

在環溫為25 ℃的耗電量測試中，采集到防凝露加熱器的實際功率在7.86～8.35 W之間，觀察門轉梁無凝露現象，說明上述理論計算與實際測試相符。

2.5 箱內線束及插片端子選型設計

對于直流車載冰箱，線束規格需根據其可承載電流去選配。根據壓縮機開機瞬時最大電流可達到20 A，常規電流10 A以上，壓縮機線束和電源端線束宜選取AWG12（截面積≈3.332 mm2）規格的導線。

為了匹配大線徑線束，插片端子的選型也應根據其可承載電流去選取，其壓接應與線束規格相匹配。表2為250插片、環形端子、叉形端子選型規格一覽表。

表2 250插片、環形端子、叉形端子選型規格

2.6 DC 12 V電源供電模塊設計

車載冰箱在供電上是通過一個接線端子臺和外部電池電源相連接的，冰箱的+、-極分別和外部電源+、-極相連，當房車停靠在野營地時，冰箱GND可直連到基地處的公共接地，如圖6所示。在接線端子臺規格選取上，需根據房車冰箱瞬時最大電流去選擇合適的規格。對于大容量風冷房車冰箱而言其最大瞬時電流往往可以達到20 A，結合一定余量，宜選取額定電流為30 A，額定電壓為250 V規格的接線端子臺。

圖6 接線端子臺接線示意圖

除了電源接線以外，為了確保車載冰箱供電電壓的穩定性，外部設備導線必須做到其壓降足夠小，根據不同線徑規格推薦其導線最大長度如表3所示，其中AWG14（截面積≈2.075 mm2）導線最長只能是1 m，因而推薦使用AWG13（截面積≈2.627 mm2）或者更大規格的導線。

表3 外部設備不同線徑規格導線最大長度

3 結論

本文基于大容量風冷車載冰箱的電氣控制系統的構成和原理，通過系統關鍵電氣零部件的設計分析，可以得出以下結論：

1）主控板和變頻板電源模塊設計最為關鍵，均需解決電壓波動問題，同時應能承受較大電流的沖擊；

2）直流化霜加熱器和防凝露加熱器功率設計除了根據性能需求外，還需解決線束分壓以及安全可靠性問題；

3）線束規格宜根據車載冰箱實際運行最大電流去選取，并留有充分余量，插片需和線束線徑壓接相匹配；供電線路同樣應該盡量減小線路分壓引起的壓降問題。