冷鏈運(yùn)輸車在生鮮物流中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

興寧市高級(jí)技工學(xué)校 賴亦環(huán) 林益宏

隨著生活水平的提高，如何最優(yōu)化對(duì)生鮮食品物流進(jìn)行分配，成為各大電商平臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵點(diǎn)。本文在傳統(tǒng)冷鏈運(yùn)輸車制冷技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合太陽(yáng)能發(fā)電裝置，對(duì)冷凍系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，加入雙壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)，包括機(jī)械制冷機(jī)和電動(dòng)制冷機(jī)。在冷鏈運(yùn)輸車運(yùn)行過程中只考慮機(jī)械制冷機(jī)，運(yùn)輸車停車搬運(yùn)貨物過程中只考慮電動(dòng)制冷機(jī)，并且電動(dòng)制冷機(jī)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)源為太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。在最大限度延長(zhǎng)冷凍時(shí)間的基礎(chǔ)上，構(gòu)建太陽(yáng)能雙制冷機(jī)模型，以減少運(yùn)輸車耗油量。通過仿真模型對(duì)生鮮物流進(jìn)行模擬，對(duì)比普通運(yùn)輸模式，比較耗油量和冷藏溫度，結(jié)果證明本文提出的生鮮物流模型具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和現(xiàn)代生活水平的不斷提升，人們逐漸提高了農(nóng)產(chǎn)品新鮮程度的標(biāo)準(zhǔn)。農(nóng)產(chǎn)品冷鏈運(yùn)輸（Cold Chain Transport），是將需要在冷凍保鮮環(huán)境下運(yùn)輸?shù)呢浳镞M(jìn)行保鮮處理并運(yùn)輸?shù)囊环N運(yùn)輸方式。在實(shí)際使用中，絕大多數(shù)產(chǎn)品，均是需要保持在較低溫度下進(jìn)行運(yùn)輸，故而多稱之為“冷鏈運(yùn)輸”。

農(nóng)產(chǎn)品在進(jìn)入冷鏈運(yùn)輸之前，由于傳統(tǒng)運(yùn)輸思維的影響，會(huì)直接將處于高溫下的產(chǎn)品搬運(yùn)到冷鏈運(yùn)輸車內(nèi)，這使得農(nóng)產(chǎn)品在初始采購(gòu)環(huán)節(jié)因車內(nèi)車外溫度差而導(dǎo)致運(yùn)輸前就可能綿連腐壞或變質(zhì)等問題。對(duì)于規(guī)范性的冷鏈來(lái)說(shuō)，冷鏈物資裝車運(yùn)輸之前均要經(jīng)歷在冷庫(kù)合格的預(yù)冷過程，要求預(yù)冷溫度能滿足冷藏運(yùn)輸車行車途中對(duì)制冷環(huán)境的需求，從而達(dá)到制冷的效率。所謂預(yù)冷便是在初始階段為減少農(nóng)產(chǎn)品的腐壞率，令農(nóng)產(chǎn)品加工和儲(chǔ)藏環(huán)節(jié)處于低溫控制下。

在食品領(lǐng)域，一些貨品運(yùn)輸途中，不僅要求保持恒溫，且環(huán)境濕度也應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。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(jìn)行一些催熟。在運(yùn)輸和貨物分發(fā)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(yùn)輸車提出了更高的技術(shù)要求。

本文以提高冷鏈運(yùn)輸車制冷技術(shù)為基礎(chǔ)，加入雙壓縮制冷機(jī)對(duì)冷鏈運(yùn)輸車進(jìn)行改進(jìn)，并采用太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，合理管理冷鏈運(yùn)輸車能量系統(tǒng)，以提高冷鏈運(yùn)輸車內(nèi)冷凍溫度減少耗油量。

1 冷鏈運(yùn)輸車運(yùn)輸原理及設(shè)計(jì)依據(jù)

在現(xiàn)實(shí)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(jìn)一步細(xì)分，可分為動(dòng)物性食材和植物性食材。動(dòng)物性、植物性的商品在保鮮過程中也是有較大區(qū)別的，故要達(dá)到保鮮效果，對(duì)車廂進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)是有必要的。

對(duì)于動(dòng)物性的生鮮產(chǎn)品，需要注意防范高溫帶來(lái)的微生物和分解酶帶來(lái)的食物變質(zhì)。絕大多數(shù)腐敗菌，在低溫下可以抑制其繁殖。這里需要區(qū)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(dāng)生鮮產(chǎn)品被放置于低溫下時(shí)，可以被較長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)存，盡可能保持鮮活度。

而對(duì)于植物性的生鮮產(chǎn)品，一般指果蔬、鮮花等，具有一定的呼吸作用，貯藏環(huán)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(shè)置的過低。并且，不同種類瓜果的儲(chǔ)藏溫度也有些許不同。這就要求冷鏈物流車車廂內(nèi)應(yīng)盡量保持恒溫，溫度盡量低而又不至于導(dǎo)致果蔬凍壞。表1所示列舉一些常見的生鮮產(chǎn)品冷藏溫度。

表1 生鮮產(chǎn)品冷藏溫度一覽

2 冷鏈運(yùn)輸車主要構(gòu)成及設(shè)計(jì)

如圖1所示，本文所設(shè)計(jì)的冷鏈物流車是混合制冷系統(tǒng)的雙壓縮機(jī)冷藏運(yùn)輸車，主要包括汽車組件、蓄電池組件和制冷系統(tǒng)。汽車組件主要由發(fā)電機(jī)、電磁離合器組成從而控制機(jī)械壓縮機(jī)；蓄電池組件主要由蓄電池、逆變器組成用于控制電動(dòng)壓縮機(jī)；制冷系統(tǒng)由冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器組成。

圖1 冷鏈運(yùn)輸車車輛控制示意圖

冷鏈運(yùn)輸車運(yùn)輸過程中，采用車載發(fā)動(dòng)機(jī)為機(jī)械壓縮機(jī)提供制冷動(dòng)力，并通過電磁離合器的開合控制機(jī)械壓縮機(jī)運(yùn)行。冷鏈運(yùn)輸車停車過程中，采用蓄電池為電動(dòng)壓縮機(jī)提供制冷動(dòng)力，并通過逆變器實(shí)現(xiàn)電量直接的對(duì)接。車廂內(nèi)需要制冷時(shí)，將空氣和制冷劑同時(shí)加入壓縮機(jī)中，高溫高壓氣體經(jīng)冷凝器降溫成液態(tài)，高溫高壓液態(tài)物經(jīng)節(jié)流閥降溫降壓，低溫低壓液態(tài)物進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)吸熱冷制，從而達(dá)到降低車內(nèi)溫度的目的。

冷鏈物流車的電池組，采用并聯(lián)的方式分布在車架之上，每個(gè)電池組均配備電池管理單元，對(duì)電池進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)、電池健康度分析等，使車輛能保證安全運(yùn)行，避免火災(zāi)等事故發(fā)生，保護(hù)貨物安全。運(yùn)輸車整機(jī)的動(dòng)力核心是電機(jī)控制器，儀表、BMS、冷凍控制等信息，均通過控制器來(lái)進(jìn)行管理與協(xié)調(diào)。

圖2 制冷系統(tǒng)各模塊分布示意圖

本文提出的冷鏈物流車的制冷機(jī)組，采用分體式的設(shè)計(jì)，故而可以實(shí)現(xiàn)從車廂內(nèi)分離出多個(gè)溫區(qū)而獨(dú)立控制，以適應(yīng)不同品種生鮮產(chǎn)品的保鮮需求，類似于多聯(lián)式的空調(diào)機(jī)組，其示意圖如圖2所示。

3 冷鏈運(yùn)輸車各模塊模型

3.1 蓄電池模型

蓄電池能量由太陽(yáng)能發(fā)電對(duì)其進(jìn)行充電，這一部分能量在傳統(tǒng)冷鏈運(yùn)輸車能量管理中可節(jié)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(nèi)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(tài)；Cb為蓄電池容量，ΔT為溫度變換量。

3.2 壓縮機(jī)模型

以電動(dòng)壓縮機(jī)為例來(lái)介紹壓縮機(jī)主要工作機(jī)制，壓縮機(jī)輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩可表示為：

式中，T為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；Tr為電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩；Pr為電機(jī)額定功率；n為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速；p為電機(jī)磁極數(shù)；s為電機(jī)的轉(zhuǎn)差率。

3.3 冷鏈運(yùn)輸車動(dòng)力學(xué)模型

由汽車動(dòng)力學(xué)原理可得出冷鏈運(yùn)輸處動(dòng)力學(xué)模型表達(dá)為：

式中：Ft為汽車驅(qū)動(dòng)動(dòng)力；Ff、Fw、Fj分別為滾動(dòng)阻力、空氣阻力和加速阻力。

4 冷鏈運(yùn)輸車能量管理策略優(yōu)化

雙壓縮機(jī)混合制冷系統(tǒng)的冷鏈運(yùn)輸車，針對(duì)不同工作狀態(tài)的切換優(yōu)化冷鏈運(yùn)輸車能量管理模式。冷鏈運(yùn)輸車內(nèi)不同冷凍物品區(qū)域溫度由理論分析和工作經(jīng)驗(yàn)聯(lián)合得出，其冷鏈運(yùn)輸車在保證物品冷凍溫度合格范圍內(nèi)，最大限度降低油耗。冷鏈運(yùn)輸車發(fā)電機(jī)和壓縮機(jī)的控制如表2所示。

圖3 冷鏈運(yùn)輸車動(dòng)力simulink模型

表2 冷鏈運(yùn)輸車發(fā)電機(jī)和壓縮機(jī)工作條件

由表2可得，當(dāng)只有機(jī)械壓縮機(jī)工作時(shí)，蓄電池容量SOC值應(yīng)小于SOC最小值的45%，或者發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速需在1650轉(zhuǎn)～2300轉(zhuǎn)范圍內(nèi)。當(dāng)只有電動(dòng)壓縮機(jī)工作時(shí)，蓄電池容量SOC值應(yīng)大于SOC最小值的45%，且發(fā)動(dòng)局轉(zhuǎn)速需在600轉(zhuǎn)～1650轉(zhuǎn)范圍內(nèi)。當(dāng)機(jī)械壓縮機(jī)和發(fā)電機(jī)同時(shí)工作時(shí)，蓄電池容量應(yīng)小于最大值的95%，以減少對(duì)蓄電池的損耗。

5 仿真實(shí)驗(yàn)

Simulink是常用的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真模型，在simulink仿真平臺(tái)的基礎(chǔ)上對(duì)冷鏈運(yùn)輸車?yán)鋬鱿到y(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，仿真圖形如圖3所示。

針對(duì)冷鏈運(yùn)輸車某次運(yùn)輸進(jìn)行模擬，其中行駛時(shí)長(zhǎng)共計(jì)4 h，最高車速50 km/h，行駛里程數(shù)為100 km。通過計(jì)算并對(duì)比燃油量得出太陽(yáng)能雙壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)比雙壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)耗油量減少1.2L，比傳統(tǒng)單壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)耗油量減少1.5L。燃油消耗量對(duì)比如圖3所示。

針對(duì)本文所涉及的冷鏈運(yùn)輸車，在增加控制系統(tǒng)并調(diào)整參數(shù)后，模擬日常運(yùn)輸和卸貨分發(fā)過程，得到記錄的溫度以及時(shí)間變化的情況并記錄。在溫區(qū)2降溫的過程中，連續(xù)的卸貨過程打斷導(dǎo)致停機(jī)，溫區(qū)從關(guān)門到降溫至設(shè)定溫度，一共用時(shí)26 min，優(yōu)于現(xiàn)有同類產(chǎn)品，其溫度恢復(fù)時(shí)間很短。

本文根據(jù)現(xiàn)階段生鮮零售的特點(diǎn)，提出了一種新型冷鏈物流車，并對(duì)其關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，主要工作如下：一是對(duì)冷鏈運(yùn)輸車?yán)鋬瞿Ｊ竭M(jìn)行改進(jìn)，采用雙壓縮冷凍機(jī)模型對(duì)車內(nèi)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)；二是加入太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，利用新能源的同時(shí)減少環(huán)境污染。三是采用雙溫區(qū)設(shè)計(jì)思路，對(duì)于不同生鮮產(chǎn)品，針對(duì)果蔬、禽肉、水產(chǎn)、速凍食品等的不同特性設(shè)計(jì)不同溫區(qū)，溫區(qū)溫度可調(diào)節(jié)，滿足不同保鮮需求。

圖4 燃油消耗量對(duì)比

隨著冷鏈物流車不斷進(jìn)軍生鮮電商領(lǐng)域，不僅具有更高的時(shí)間效率，對(duì)生鮮產(chǎn)品的品質(zhì)保證相比其他方式也具有更大優(yōu)勢(shì)，其帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。本文所設(shè)計(jì)的冷鏈物流車成本可控，節(jié)能環(huán)保，可以看到物流商家、生鮮電商、購(gòu)買客戶均能受益。對(duì)于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和電商零售模式均是有利的，為冷鏈物流車設(shè)計(jì)提供了新思路。