冷鏈運輸車在生鮮物流中的設計應用

興寧市高級技工學校 賴亦環 林益宏

隨著生活水平的提高，如何最優化對生鮮食品物流進行分配，成為各大電商平臺競爭的關鍵點。本文在傳統冷鏈運輸車制冷技術基礎上，結合太陽能發電裝置，對冷凍系統進行改進，加入雙壓縮機制冷系統，包括機械制冷機和電動制冷機。在冷鏈運輸車運行過程中只考慮機械制冷機，運輸車停車搬運貨物過程中只考慮電動制冷機，并且電動制冷機的動力驅動源為太陽能發電系統。在最大限度延長冷凍時間的基礎上，構建太陽能雙制冷機模型，以減少運輸車耗油量。通過仿真模型對生鮮物流進行模擬，對比普通運輸模式，比較耗油量和冷藏溫度，結果證明本文提出的生鮮物流模型具有較高的經濟效益。

隨著經濟的不斷發展和現代生活水平的不斷提升，人們逐漸提高了農產品新鮮程度的標準。農產品冷鏈運輸（Cold Chain Transport），是將需要在冷凍保鮮環境下運輸的貨物進行保鮮處理并運輸的一種運輸方式。在實際使用中，絕大多數產品，均是需要保持在較低溫度下進行運輸，故而多稱之為“冷鏈運輸”。

農產品在進入冷鏈運輸之前，由于傳統運輸思維的影響，會直接將處于高溫下的產品搬運到冷鏈運輸車內，這使得農產品在初始采購環節因車內車外溫度差而導致運輸前就可能綿連腐壞或變質等問題。對于規范性的冷鏈來說，冷鏈物資裝車運輸之前均要經歷在冷庫合格的預冷過程，要求預冷溫度能滿足冷藏運輸車行車途中對制冷環境的需求，從而達到制冷的效率。所謂預冷便是在初始階段為減少農產品的腐壞率，令農產品加工和儲藏環節處于低溫控制下。

在食品領域，一些貨品運輸途中，不僅要求保持恒溫，且環境濕度也應控制在一定范圍內。有些譬如果蔬，還要保持一定的二氧化碳含量而保證果蔬存活，并且進行一些催熟。在運輸和貨物分發過程中，常伴隨較多的車廂漏熱，如何保持恒溫，這就給冷鏈運輸車提出了更高的技術要求。

本文以提高冷鏈運輸車制冷技術為基礎，加入雙壓縮制冷機對冷鏈運輸車進行改進，并采用太陽能發電系統對蓄電池進行充電，合理管理冷鏈運輸車能量系統，以提高冷鏈運輸車內冷凍溫度減少耗油量。

1 冷鏈運輸車運輸原理及設計依據

在現實情況下，需要保鮮的商品一般分為兩類：一是生鮮食材類，比如果蔬、海鮮、肉禽類等。二是冰凍冷飲、速凍便攜食品等。在進一步細分，可分為動物性食材和植物性食材。動物性、植物性的商品在保鮮過程中也是有較大區別的，故要達到保鮮效果，對車廂進行分區設計是有必要的。

對于動物性的生鮮產品，需要注意防范高溫帶來的微生物和分解酶帶來的食物變質。絕大多數腐敗菌，在低溫下可以抑制其繁殖。這里需要區分冷凍和冷藏，冷凍一般控制在-15℃左右，冷藏一般維持在5℃以下即可。當生鮮產品被放置于低溫下時，可以被較長時間的儲存，盡可能保持鮮活度。

而對于植物性的生鮮產品，一般指果蔬、鮮花等，具有一定的呼吸作用，貯藏環境需保持一定的濕度。低溫能夠減緩植物的呼吸，但為了保持果蔬存活，不被凍壞，溫度又不能設置的過低。并且，不同種類瓜果的儲藏溫度也有些許不同。這就要求冷鏈物流車車廂內應盡量保持恒溫，溫度盡量低而又不至于導致果蔬凍壞。表1所示列舉一些常見的生鮮產品冷藏溫度。

表1 生鮮產品冷藏溫度一覽

2 冷鏈運輸車主要構成及設計

如圖1所示，本文所設計的冷鏈物流車是混合制冷系統的雙壓縮機冷藏運輸車，主要包括汽車組件、蓄電池組件和制冷系統。汽車組件主要由發電機、電磁離合器組成從而控制機械壓縮機；蓄電池組件主要由蓄電池、逆變器組成用于控制電動壓縮機；制冷系統由冷凝器、節流閥、蒸發器組成。

圖1 冷鏈運輸車車輛控制示意圖

冷鏈運輸車運輸過程中，采用車載發動機為機械壓縮機提供制冷動力，并通過電磁離合器的開合控制機械壓縮機運行。冷鏈運輸車停車過程中，采用蓄電池為電動壓縮機提供制冷動力，并通過逆變器實現電量直接的對接。車廂內需要制冷時，將空氣和制冷劑同時加入壓縮機中，高溫高壓氣體經冷凝器降溫成液態，高溫高壓液態物經節流閥降溫降壓，低溫低壓液態物進入蒸發器蒸發吸熱冷制，從而達到降低車內溫度的目的。

冷鏈物流車的電池組，采用并聯的方式分布在車架之上，每個電池組均配備電池管理單元，對電池進行故障監測、電池健康度分析等，使車輛能保證安全運行，避免火災等事故發生，保護貨物安全。運輸車整機的動力核心是電機控制器，儀表、BMS、冷凍控制等信息，均通過控制器來進行管理與協調。

圖2 制冷系統各模塊分布示意圖

本文提出的冷鏈物流車的制冷機組，采用分體式的設計，故而可以實現從車廂內分離出多個溫區而獨立控制，以適應不同品種生鮮產品的保鮮需求，類似于多聯式的空調機組，其示意圖如圖2所示。

3 冷鏈運輸車各模塊模型

3.1 蓄電池模型

蓄電池能量由太陽能發電對其進行充電，這一部分能量在傳統冷鏈運輸車能量管理中可節省耗油量，蓄電池充放電模型可表示為：

式中，Voc為開路電壓；Rb為電池組內部電阻；Ib和Vb分別為蓄電池電流和電壓。

電池充電充電電壓和放電電壓分別表示為：

式中，SOCb為蓄電池荷電狀態；Cb為蓄電池容量，ΔT為溫度變換量。

3.2 壓縮機模型

以電動壓縮機為例來介紹壓縮機主要工作機制，壓縮機輸出功率和輸出轉矩可表示為：

式中，T為電機輸出轉矩；Tr為電機額定轉矩；Pr為電機額定功率；n為壓縮機轉速；p為電機磁極數；s為電機的轉差率。

3.3 冷鏈運輸車動力學模型

由汽車動力學原理可得出冷鏈運輸處動力學模型表達為：

式中：Ft為汽車驅動動力；Ff、Fw、Fj分別為滾動阻力、空氣阻力和加速阻力。

4 冷鏈運輸車能量管理策略優化

雙壓縮機混合制冷系統的冷鏈運輸車，針對不同工作狀態的切換優化冷鏈運輸車能量管理模式。冷鏈運輸車內不同冷凍物品區域溫度由理論分析和工作經驗聯合得出，其冷鏈運輸車在保證物品冷凍溫度合格范圍內，最大限度降低油耗。冷鏈運輸車發電機和壓縮機的控制如表2所示。

圖3 冷鏈運輸車動力simulink模型

表2 冷鏈運輸車發電機和壓縮機工作條件

由表2可得，當只有機械壓縮機工作時，蓄電池容量SOC值應小于SOC最小值的45%，或者發動機轉速需在1650轉～2300轉范圍內。當只有電動壓縮機工作時，蓄電池容量SOC值應大于SOC最小值的45%，且發動局轉速需在600轉～1650轉范圍內。當機械壓縮機和發電機同時工作時，蓄電池容量應小于最大值的95%，以減少對蓄電池的損耗。

5 仿真實驗

Simulink是常用的動態系統仿真模型，在simulink仿真平臺的基礎上對冷鏈運輸車冷凍系統進行仿真模擬，仿真圖形如圖3所示。

針對冷鏈運輸車某次運輸進行模擬，其中行駛時長共計4 h，最高車速50 km/h，行駛里程數為100 km。通過計算并對比燃油量得出太陽能雙壓縮機制冷系統比雙壓縮機制冷系統耗油量減少1.2L，比傳統單壓縮機制冷系統耗油量減少1.5L。燃油消耗量對比如圖3所示。

針對本文所涉及的冷鏈運輸車，在增加控制系統并調整參數后，模擬日常運輸和卸貨分發過程，得到記錄的溫度以及時間變化的情況并記錄。在溫區2降溫的過程中，連續的卸貨過程打斷導致停機，溫區從關門到降溫至設定溫度，一共用時26 min，優于現有同類產品，其溫度恢復時間很短。

本文根據現階段生鮮零售的特點，提出了一種新型冷鏈物流車，并對其關鍵性能參數進行了設計分析，主要工作如下：一是對冷鏈運輸車冷凍模式進行改進，采用雙壓縮冷凍機模型對車內溫度進行調節；二是加入太陽能發電系統對蓄電池進行充電，利用新能源的同時減少環境污染。三是采用雙溫區設計思路，對于不同生鮮產品，針對果蔬、禽肉、水產、速凍食品等的不同特性設計不同溫區，溫區溫度可調節，滿足不同保鮮需求。

圖4 燃油消耗量對比

隨著冷鏈物流車不斷進軍生鮮電商領域，不僅具有更高的時間效率，對生鮮產品的品質保證相比其他方式也具有更大優勢，其帶來的經濟效益十分可觀。本文所設計的冷鏈物流車成本可控，節能環保，可以看到物流商家、生鮮電商、購買客戶均能受益。對于經濟發展和電商零售模式均是有利的，為冷鏈物流車設計提供了新思路。