基于光伏混合制冷系統(tǒng)的冷藏運(yùn)輸車燃油經(jīng)濟(jì)性分析

李文超, 李 勇, 何 仁

(1.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2. 浙江省食品物流裝備技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310023)

0 引 言

中國是農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)大國，又是易腐食品的生產(chǎn)和消費(fèi)大國, 每年有超過億噸的食品需要通過冷藏運(yùn)輸滿足消費(fèi)者需求。然而目前國內(nèi)大量需要冷藏運(yùn)輸?shù)呢浳镞€是靠普通車輛運(yùn)輸，冷藏運(yùn)輸車的保有量僅有4萬輛，冷藏容量僅占貨物需求的20%～30%。2010年政府頒布的《農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流發(fā)展規(guī)劃》以及“十三五”規(guī)劃中明確指出要大力推進(jìn)農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流體系的建設(shè)。隨著政策的不斷落實(shí)以及市場需求的不斷提高，冷藏運(yùn)輸車將會(huì)迎來飛速發(fā)展[1-2]。

目前，市場上的冷藏運(yùn)輸車輛制冷方式主要采用機(jī)械壓縮式制冷，機(jī)械壓縮機(jī)由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，這勢必增加發(fā)動(dòng)機(jī)耗油量以及發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放量。針對(duì)這一問題，M. LIU等[3]提出一種結(jié)合相變材料的創(chuàng)新制冷系統(tǒng)，并經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)該創(chuàng)新制冷系統(tǒng)減少一半的能源消耗；高鵬等[4]考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣有較高的溫度和較大的熱量，從而設(shè)計(jì)一套利用汽車尾氣驅(qū)動(dòng)的兩級(jí)吸附式冷藏車制冷系統(tǒng)，進(jìn)行能量的循環(huán)利用；陳宜等[5]提出了一種低溫制冷結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的工作原理為采用余熱作為驅(qū)動(dòng)力，吸收壓縮復(fù)合。提高系統(tǒng)性能與工作效率。但經(jīng)過分析現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)研究局限于減少能源消耗，很少考慮現(xiàn)有制冷系統(tǒng)無法駐車制冷的問題。

針對(duì)目前冷藏運(yùn)輸車制冷系統(tǒng)能耗量大且停車后需發(fā)動(dòng)機(jī)保持怠速制冷的問題，筆者設(shè)計(jì)一種基于雙壓縮機(jī)的冷藏運(yùn)輸車光伏混合制冷系統(tǒng)，通過MATLAB/Simulink建立冷藏運(yùn)輸車光伏混合制冷系統(tǒng)模型，在NEDC工況下進(jìn)行仿真分析，與傳統(tǒng)冷藏運(yùn)輸車進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證所提基于光伏混合制冷系統(tǒng)的冷藏運(yùn)輸車的可行性。

1 光伏混合制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

基于光伏混合制冷系統(tǒng)的冷藏運(yùn)輸車包括三大部分，分別是太陽能光伏系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、汽車零部件系統(tǒng)。其中，光伏系統(tǒng)包含太陽能光伏板、鉛酸蓄電池、最大功率點(diǎn)跟蹤太陽能控制器、直流-交流逆變器；制冷系統(tǒng)包含純電動(dòng)壓縮機(jī)、純機(jī)械式壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、節(jié)流閥、冷凝器；汽車零部件系統(tǒng)包含發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電磁離合器，如圖1。整個(gè)系統(tǒng)的連接主要包括電氣連接與機(jī)械鏈接[6-8]。

圖1 光伏混合制冷系統(tǒng)Fig. 1 Photovoltaic hybrid refrigeration system

在冷藏運(yùn)輸車行駛過程中，主要還是以機(jī)械壓縮機(jī)工作為主，發(fā)動(dòng)機(jī)通過皮帶輪帶動(dòng)機(jī)械壓縮機(jī)工作，若電動(dòng)壓縮機(jī)與機(jī)械壓縮機(jī)需要切換工作，可以通過電磁離合器開閉進(jìn)行控制。當(dāng)車廂內(nèi)溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，此時(shí)制冷系統(tǒng)進(jìn)行工作，壓縮機(jī)將制冷劑氣體吸入腔體中，進(jìn)行高壓處理，處理后的高溫高壓制冷劑氣體進(jìn)入冷凝器中，風(fēng)扇將高溫氣體進(jìn)行冷卻，冷卻后的氣體將變成液態(tài)，通過膨脹閥的負(fù)壓處理后，以小顆粒霧狀流入蒸發(fā)器，吸收氣化熱量，通風(fēng)裝置將蒸發(fā)器周邊的冷氣吹入車廂中，車廂內(nèi)部達(dá)到制冷系統(tǒng)。電動(dòng)壓縮機(jī)工作時(shí)，原理與機(jī)械壓縮機(jī)類似，機(jī)械壓縮機(jī)與電動(dòng)壓縮機(jī)不停切換，完成制冷循環(huán)。工作原理如圖2。

圖2 工作原理Fig. 2 Operating principle

2 光伏混合制冷系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模

2.1 光伏板數(shù)學(xué)模型

光伏板是通過光電效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的一種器件。單體太陽能電池片(cell)，是太陽能電池的最基本單元。光伏板的等效電路模型如圖3。

圖3 光伏板等效電路模型Fig. 3 Equivalent circuit model of photovoltaic panels

根據(jù)基爾霍夫電流定律可得到：

I=Ipv-Id-Ish

(1)

式中：I為負(fù)載兩端的工作電流，A；Ipv為光生電流，A；Id為流過二極管的電流，A；Ish為流過并聯(lián)電阻Rp的電流。

(2)

式中：G為光照輻射強(qiáng)度，W/m2；Isc為太陽能電池板在標(biāo)準(zhǔn)條件下的短路電流；k為短路條件下的溫度系數(shù)；T為光伏板表面的絕對(duì)溫度值，K；I0為二極管反向飽和電流，A；K為玻耳茲曼常數(shù)，K=1.38×10-23J/K；A為二極管的曲線因子，無單位；q為電子電量，q=1.6×10-19C；Uoc為二極管輸出電壓，V；Rs為串聯(lián)電阻，Ω；Rp為并聯(lián)電阻，Ω。

考慮到Rs?Rp，將式(2)代入式(1)，計(jì)算得到負(fù)載工作電流為：

(3)

2.2 鉛酸蓄電池?cái)?shù)學(xué)模型

鉛酸蓄電池電壓和電流在充放電過程中的特性關(guān)系可表示為：

Vbat=Voc±IbatRbat

(4)

式中：Voc為開路電壓，V；Rbat為內(nèi)部電阻，Ω；Ibat為蓄電池的電流，A。

當(dāng)Ibat為正時(shí)，表示蓄電池為充電過程；相反，表示蓄電池為放電程。Rbat為可變參數(shù)，其數(shù)值大小與蓄電池容量、電流、蓄電池工作溫度有關(guān)。

2.3 電機(jī)數(shù)學(xué)模型

電機(jī)理想的轉(zhuǎn)矩特性為：在低轉(zhuǎn)速條件下，輸出為恒定扭矩；在高轉(zhuǎn)速條件下，輸出為恒定功率。則電機(jī)工作特性為：

(5)

式中：T為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；Te為電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，N·m；Pn為電機(jī)額定功率，kW；nn為電機(jī)基速，r/min；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

2.4 發(fā)動(dòng)機(jī)理論模型

發(fā)動(dòng)機(jī)建模主要分為發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)建模法和發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒、運(yùn)動(dòng)等理論建模法。筆者采用試驗(yàn)建模法建立發(fā)動(dòng)機(jī)模型。輸入端為噴油量α和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ne信號(hào)，輸出端為相對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩Te和燃油消耗量B。通過對(duì)速度特性曲線進(jìn)行一維插值可得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩：

Te=α·f(ne)

(6)

式中：Te為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；α為噴油量；ne為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；f(ne)為一維插值函數(shù)。

通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的萬有特性圖進(jìn)行二維插值運(yùn)算,可得燃油消耗量，如圖4，其計(jì)算如式(7)：

(7)

式中：B為發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量，g/s；be為發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率，g/(kW·h)；Pe為發(fā)動(dòng)機(jī)功率，kW；f(Te，ne)為二維插值函數(shù)。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性Fig. 4 Engine universal characteristics

2.5 整車動(dòng)力學(xué)模型

根據(jù)汽車動(dòng)力學(xué)方程，冷藏運(yùn)輸車的動(dòng)力學(xué)模型表達(dá)式為：

(8)

式中：Ft為汽車驅(qū)動(dòng)力，N；∑F為汽車所受阻力之和，N；Ff為滾動(dòng)阻力，N；Fw為空氣阻力，N；Fj為加速阻力，N。

在NEDC工況中，冷藏運(yùn)輸車行駛工況為水平路面，故可以忽略坡度阻力。其滾動(dòng)阻力Ff、空氣阻力Fw、加速阻力Fj表達(dá)式為：

(9)

式中：W為車輪所承受負(fù)荷，N；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積m2；ua為車速，km/h；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；m為整車質(zhì)量，kg；du/dt為汽車加速度，m/s2。

3 光伏混合制冷系統(tǒng)控制策略研究

混合儲(chǔ)能制冷系統(tǒng)主要采用基于規(guī)則的控制策略，其工作原理為設(shè)置相應(yīng)的臨界值，根據(jù)臨界值對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、蓄電池的工作狀態(tài)進(jìn)行劃分。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速n、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩T、電池SOC值設(shè)定具體臨界值。如表1，將其劃分為工作狀態(tài)與非工作狀態(tài)分別用0和1表示，冷藏運(yùn)輸車將被劃分為3種工作模式。

表1 制冷系統(tǒng)控制策略 Table 1 Refrigeration system control strategy

3.1 純電動(dòng)壓縮機(jī)工作模式

純電動(dòng)壓縮機(jī)工作模式為電動(dòng)壓縮機(jī)工作，發(fā)電機(jī)不工作，機(jī)械壓縮機(jī)不工作；工作臨界值設(shè)置為電池SOC設(shè)定為大于45%，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩為0且此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速需要、小于等于600 rpm；第二鐘工作臨界值為發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩大于240 Nm且此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大于等于2 300 rpm。當(dāng)在這兩種臨界值情況下時(shí)，冷藏運(yùn)輸車的工作模式為純電動(dòng)壓縮機(jī)工作模式。

臨界值中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩為0或發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速小于等于600 rpm是表示此時(shí)的冷藏運(yùn)輸車處于停車狀態(tài)或者發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)該切斷機(jī)械壓縮機(jī)工作狀態(tài)，轉(zhuǎn)為電動(dòng)壓縮機(jī)工作狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)第二種臨界值時(shí)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作載荷過大，為了減小發(fā)動(dòng)機(jī)載荷，此時(shí)需要切斷機(jī)械壓縮機(jī)工作狀態(tài)，從機(jī)械壓縮機(jī)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱?dòng)壓縮機(jī)工作狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳經(jīng)濟(jì)工作區(qū)間工作，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率，降低了冷藏運(yùn)輸車的燃油消耗。

3.2 純機(jī)械壓縮機(jī)工作模式

純機(jī)械壓縮機(jī)工作模式為電動(dòng)壓縮機(jī)不工作，發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，機(jī)械壓縮機(jī)工作；此時(shí)的臨界值設(shè)置為電池SOC小于45%，第二種臨界值為發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速區(qū)間為1 650～2 300 rpm。當(dāng)在這兩種臨界值情況下時(shí)，冷藏運(yùn)輸車的工作模式為純機(jī)械壓縮機(jī)工作模式。

臨界值中電池SOC值小于45%是表示此時(shí)的電池SOC是保證夜晚冷藏運(yùn)輸車所需電能的最小值，所以此時(shí)根據(jù)優(yōu)先原則，切斷電動(dòng)壓縮機(jī)工作狀態(tài)，改為機(jī)械壓縮機(jī)工作狀態(tài)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速處于1 650～2 300 rpm區(qū)間時(shí)，此時(shí)為發(fā)動(dòng)機(jī)處于最佳工作區(qū)間，無需切斷機(jī)械壓縮機(jī)工作狀態(tài)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)效率較高，冷藏運(yùn)輸車燃油消耗比較低。

3.3 充電工作模式

充電工作模式為電動(dòng)壓縮機(jī)不工作，發(fā)電機(jī)工作，機(jī)械壓縮機(jī)工作；此時(shí)的臨界值設(shè)置為電池SOC小于95%并且發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在600～1 650 rpm區(qū)間。當(dāng)在這種臨界值情況下時(shí)，冷藏運(yùn)輸車的工作模式為充電工作模式。

臨界值中電池SOC小于95%且發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在600～1 650 rpm區(qū)間表示SOC并未達(dá)到最大值還有容量進(jìn)行充電，此時(shí)由于發(fā)動(dòng)機(jī)的工作載荷較小，所以需要增加發(fā)動(dòng)機(jī)的工作載荷，所以需要發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行工作，此種工作狀態(tài)下可以使得發(fā)動(dòng)機(jī)處于最佳工作區(qū)間進(jìn)行工作，并且為蓄電池提供能量，保證整個(gè)冷藏運(yùn)輸車的能量效率。

4 光伏混合制冷系統(tǒng)性能分析

4.1 仿真模型建立

為了驗(yàn)證所提基于光伏混合制冷系統(tǒng)的冷藏運(yùn)輸車的可行性，在MATLAB/Simulink中建立整車模型，采用NEDC工況對(duì)其進(jìn)行仿真，得到其燃油消耗量，并與傳統(tǒng)冷藏運(yùn)輸車進(jìn)行分析比較。整車模型主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)模塊，離合器系統(tǒng)模塊、傳動(dòng)系統(tǒng)模塊、雙壓縮機(jī)混合制冷系統(tǒng)模塊，整車動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模塊，如圖5所示，整車參數(shù)如表2所示。

圖5 整車模型Fig. 5 Vehicle model

參 數(shù)數(shù) 值參 數(shù)數(shù) 值整車質(zhì)量/kg4 490發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速/rpm4 500車輪半徑/m0.203 2太陽能板短路電流/A9.21發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率/kW92太陽能板開路電壓/V38.1發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩/(N·m)340

燃油消耗量需要通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)原有數(shù)據(jù)進(jìn)行插值得到，由式(7)可知，燃油消耗量與轉(zhuǎn)速和扭矩有關(guān)。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)萬有曲線圖，設(shè)置最佳經(jīng)濟(jì)工作區(qū)間為1 650～2 300 rpm。蓄電池模塊設(shè)置初始SOC值為70%，標(biāo)稱電壓為48 V。光伏板設(shè)置短路電流Isc=9.21 A，開路電壓Uoc=38.1 V，溫度設(shè)置為25 ℃，光照強(qiáng)度設(shè)置為1 000 W/m2。

對(duì)于油耗測試，中國工業(yè)信息化部參照2000年所頒布的歐洲循環(huán)駕駛法，其工況主要包括市區(qū)工況和郊區(qū)工況。NEDC工況中，市區(qū)部分占30%，郊區(qū)部分占70%，整個(gè)NEDC工況循環(huán)時(shí)間為1 180 s，包括4個(gè)循環(huán)市區(qū)小工況和1個(gè)郊區(qū)工況。在市區(qū)工況中最高車速為50 km/h，在郊區(qū)工況中最高車速為120 km/h。NEDC工況如圖6。

圖6 NEDC工況Fig. 6 NEDC condition

4.2 仿真結(jié)果分析

NEDC工況車速仿真曲線如圖7，其中實(shí)線為NEDC工況目標(biāo)車速，虛線為NEDC工況實(shí)際車速，實(shí)際車速與目標(biāo)車速基本吻合，達(dá)到仿真要求。

圖7 車速曲線Fig. 7 Vehicle speed curve

NEDC工況下實(shí)時(shí)燃油消耗量如圖8，燃油消耗量逐漸增加，在市區(qū)循環(huán)工況階段，燃油消耗增加比較緩慢，在郊區(qū)循環(huán)工況燃油消耗極速增加，其原因?yàn)檐囁購?加速至120 km/h時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)需求功率增加，所以此時(shí)的燃料消耗會(huì)極速上升。在整個(gè)NEDC工況中冷藏運(yùn)輸車消耗燃油為820 g，行駛總路程為11.007 km，可計(jì)算得出冷藏運(yùn)輸車的燃油消耗為9.07 L/百公里。

圖8 燃油消耗量Fig. 8 Fuel consumption

冷藏運(yùn)輸車的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速曲線如圖9，4個(gè)市區(qū)小循環(huán)工況轉(zhuǎn)速曲線分布相似，在郊區(qū)階段由于車速極速上升，所以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也極速上升，符合NEDC的工況分布。

圖9 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速曲線Fig. 9 Engine speed curve

冷藏運(yùn)輸車的電池SOC值變化曲線如圖10，由于在冷藏運(yùn)輸車工作過程中，存在電動(dòng)壓縮機(jī)工作的情況，所以SOC值整體下降，在局部階段存在充電工作狀態(tài)，故存在SOC值上升情況。計(jì)算混合動(dòng)力汽車燃油消耗量時(shí)，須將電池電量換算成燃油消耗，根據(jù)《重型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車能量消耗量試驗(yàn)方法》對(duì)其進(jìn)行換算。取柴油的密度為0.83 g/cm3，燃料燃燒低熱值為43 000 J/g，柴油機(jī)的工作效率為35%，計(jì)算得出3.47 kW·h的電能消耗等于1 L燃油消耗。從NEDC循環(huán)工況測試開始到測試過程結(jié)束，蓄電池SOC值總體下降10%，根據(jù)如上所述，換算得到當(dāng)量燃油消耗為2.72 L/百公里。冷藏運(yùn)輸車總的當(dāng)量燃油消耗為11.79 L/百公里，傳統(tǒng)冷藏運(yùn)輸車的燃油消耗為12.76 L/ 百公里，與傳統(tǒng)冷藏運(yùn)輸車相比，基于光伏混合制冷系統(tǒng)的冷藏運(yùn)輸車百公里油耗減少大約7.06%。

圖10 蓄電池SOC值Fig. 10 Battery SOC value

5 光伏混合制冷系統(tǒng)成本分析

光伏混合制冷系統(tǒng)新增加的部件主要包括光伏板、控制器、蓄電池、電動(dòng)壓縮機(jī)。新增部件成本如表3。

表3 光伏混合制冷系統(tǒng)新增部件成本 Table 3 Costs of new components of photovoltaic hybrid refrigeration system

經(jīng)過計(jì)算，傳統(tǒng)冷藏運(yùn)輸車安裝光伏混合制冷系統(tǒng)的成本為28 254元。傳統(tǒng)冷藏運(yùn)輸車在夜間需要接市電使用；基于光伏混合制冷系統(tǒng)的冷藏運(yùn)輸車的百公里油耗相對(duì)于傳統(tǒng)冷藏運(yùn)輸車降低7.06%。一年內(nèi)，冷藏運(yùn)輸車光伏混合制冷系統(tǒng)的成本能夠收回，符合經(jīng)濟(jì)性原則。

6 結(jié) 論

筆者提出一種基于雙壓縮機(jī)的冷藏運(yùn)輸車光伏混合制冷系統(tǒng)，通過MATLAB/Simulink建立冷藏運(yùn)輸車光伏混合制冷系統(tǒng)模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行NEDC工況下仿真分析，得到如下結(jié)論：

1)筆者所提出的基于雙壓縮機(jī)的冷藏運(yùn)輸車光伏混合制冷系統(tǒng)，能夠在駐車情況下由蓄電池驅(qū)動(dòng)電動(dòng)壓縮機(jī)進(jìn)行制冷，解決了冷藏運(yùn)輸車停車后仍需要發(fā)動(dòng)機(jī)保持怠速制冷的問題。

2)在冷藏運(yùn)輸車行車過程中，冷藏運(yùn)輸車總的當(dāng)量燃油消耗為11.79 L/百公里，傳統(tǒng)冷藏運(yùn)輸車的燃油消耗為12.76 L/百公里，相對(duì)于傳統(tǒng)冷藏運(yùn)輸車而言，基于光伏混合制冷系統(tǒng)的冷藏運(yùn)輸車百公里油耗減少大約7.06%。