雙壓縮機式的太陽能冷藏車制冷系統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的動力切換與控制。對于采用雙壓縮機的太陽能冷藏車來說，面對不同的條件和工況，制冷系統能夠切換不同的工作模式，以此實現太陽能的最大利用率和各動力來源協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電技術的發展前景，其次，闡述了采用雙壓縮機的太陽能冷藏車制冷系統的結構和工作原理，通過分析其制冷系統的直接動力來源，指出其存在的不足。最后，針對制冷系統的動力來源，提出4種切換模式和相應的控制流程。

關鍵詞：太陽能冷藏車；制冷系統；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

近幾年國內冷藏車擴容較快，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。據預測，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%。太陽能作為一種環保、清潔的可再生能源在光伏發電技術、發熱技術上的應用，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燃機或者電動機給制冷部件提供能量，非獨立式冷藏車則是通過發動機帶動制冷系統工作。

這兩種冷藏車在臨時停車時，需要外接電源或者由發動機怠速制冷來維持冷藏箱內恒定溫度，在帶來不便的同時，也會導致大氣污染。因此，將光伏發電技術引用到冷藏車制冷系統上，并對發動機、蓄電池、太陽能這3個制冷系統的能量來源進行合理的切換及控制，對于發展冷鏈、節約能源和保護環境有重要意義。

1.2 國內外研究現狀

在國內，冷藏車制冷系統的直接動力來源主要依靠外加的獨立電源或者發動機，為此很多學者在這方面做出改進與研究。西南交通大學的劉志強[1]設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給電機和制冷系統供能。江蘇大學的楊柳[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、逆變器和控制器進行了選型。淮陰工學院的許兆棠等[3]采用太陽能作為半導體制冷器的動力來源，為果蔬冷藏車的開發應用提供了理論基礎。另外，國內一些公司也在大力開發太陽能用于冷藏系統的相關技術[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太陽能移動車載冷庫系統，近年來該車載冷庫系統在食品、醫藥等行業的運輸中得到了廣泛應用。

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到12 h續航能力的太陽能冷藏車，不僅達到了零排放的環保要求，還滿足食品運輸要求。在美國田納西州NATDA拖車展上，由勁達集團美國公司聯合美國金標帶公司共同研發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于廂體頂部，廂內溫度維持在零下10 ℃，可以滿足各種食品及貨物的冷藏需求。另外，機組還具備可作為能源補充的外接市電接口，達到一機兩用的效果。

2 雙壓縮機式的太陽能冷藏車制冷系統介紹

2.1 結構及工作原理

一種雙壓縮機式的冷藏車混合制冷系統結構如圖1所示，光伏發電儲能部件包括光伏板、光伏控制器、蓄電池、逆變器；雙壓縮機制冷系統由機械壓縮機、電動壓縮機、冷凝器、節流閥、蒸發器組成；汽車組件包括發動機和電磁離合器。其工作原理為：冷藏車在行駛過程中，電磁離合器閉合，帶動機械壓縮機工作，機械壓縮機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冷凝成高壓液體，經節流閥節流后，以霧狀進入蒸發器，并吸收周圍的熱量，達到制冷效果。此時光伏陣列吸收太陽能通過光伏控制器對蓄電池充電。當冷藏車中途停車時，蓄電池將儲存的直流電通過逆變器轉化為交流電對電動壓縮機進行供能。電動壓縮機和機械壓縮機共用一個制冷循環。

2.2 制冷系統的不足

上述混合制冷系統中，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提供能量，本質上仍是由蓄電池帶動負載，屬于傳統充放電模式。發動機、蓄電池、太陽能這三者作為制冷系統的動力來源，良好的動力切換和控制策略對實現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 制冷系統動力切換及控制策略

3.1 切換路線

制冷系統的動力切換主要針對電動壓縮機的直接動力來源進行研究。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/電流信號發送到控制單元中，控制單元內部的算法會根據采集到的信號對單向DC/DC變換器和雙輸入DC/AC變換器中的開關管進行控制，實現以下模式的切換。

模式一：光伏板和蓄電池兩端的采樣電路將采集到的電壓/電流信號發送給控制單元，通過內部算法的運算，控制單元將輸出PWM信號關斷雙輸入DC/AC變換器中控制蓄電池放電的開關管，此時光伏板吸收太陽能產生直流電，經由DC/AC變換器轉變為交流電后送入電動壓縮機。

模式二：光伏板和蓄電池兩端的采樣電路將采集到的電壓/電流信號發送給控制單元，經過內部算法的運算，控制單元輸出PWM信號控制雙輸入DC/AC開關管的占空比來調節光伏板和蓄電池的輸出功率比例，此時光伏板和蓄電池協同放電，以此達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，經由內部算法的運算，輸出PWM信號關斷控制光伏板放電的開關管，此時由蓄電池單獨向電動壓縮機供能。

模式四：控制單元對采樣電路送入的電壓/電流信號進行運算分析后，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行充電。

3.2 控制流程

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

當太陽能充足、光伏陣列提供的功率大于電動壓縮機所需功率時，根據蓄電池SOC值來決定電動壓縮機的直接動力來源。若蓄電池SOC大于所設定的上限值，蓄電池停止充電，光伏板由轉換器DC/AC直接向電動壓縮機供電。若此時蓄電池SOC小于設定值，光伏板則以MPPT模式通過DC/DC轉換器對蓄電池進行充電，DC/DC轉換器有BUCK、BOOST、關斷3種模式，能夠實現對蓄電池合理充電。

當太陽能不足，即光伏陣列提供的功率小于電動壓縮機所需功率時，根據蓄電池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小于所設定的下限值時，切斷蓄電池放電電路，由發動機帶動機械壓縮機進行工作。

[參考文獻]

[1]劉志強.太陽能輕型冷藏車系統設計[D].成都：西南交通大學，2017.

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

[3]許兆棠，張恒.果蔬冷藏車太陽能半導體冷藏系統的設計[J].安徽農業科學，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.