一種大容量風(fēng)冷車載冰箱電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shù)原理分為半導(dǎo)體式車載冰箱和壓縮機(jī)式車載冰箱[1]。半導(dǎo)體式車載冰箱容積小，儲(chǔ)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(jī)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(yùn)行，因此壓縮機(jī)式車載冰箱必將逐步替代半導(dǎo)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(jī)式車載冰箱；中型房車則配置中等容積（200～400 L）的風(fēng)冷壓縮機(jī)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(fēng)冷壓縮機(jī)式車載冰箱，該種冰箱相比于前兩者而言，控制系統(tǒng)更為復(fù)雜，需要更高的設(shè)計(jì)要求。

1 大容量風(fēng)冷車載冰箱電氣控制系統(tǒng)構(gòu)成及其工作原理

1.1 大容量風(fēng)冷車載冰箱電氣控制系統(tǒng)構(gòu)成

一種大容量風(fēng)冷車載冰箱電氣控制系統(tǒng)，包括中央控制單元主控板模塊、壓縮機(jī)變頻板模塊、DC 12 V電源供電模塊、冰箱負(fù)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(fù)載模塊包括風(fēng)扇電機(jī)、電動(dòng)風(fēng)門、化霜加熱器、防凝露加熱器和LED照明燈等冰箱各類負(fù)載，如圖1所示。

圖1 電氣控制系統(tǒng)構(gòu)成

1.2 大容量風(fēng)冷車載冰箱工作原理

壓縮機(jī)式車載冰箱配置的壓縮機(jī)通常為直流變頻壓縮機(jī)，其與家用電冰箱最大的不同點(diǎn)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(jī)式車載冰箱是利用太陽能或者蓄電池進(jìn)行供電的，電壓為直流電壓DC 12 V，因而需要通過設(shè)置一個(gè)DC 12 V電源模塊。

壓縮機(jī)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(jī)的運(yùn)行。壓縮機(jī)變頻板也具備獨(dú)自處理壓縮機(jī)異常運(yùn)行時(shí)需要降速或者停止運(yùn)行等命令。

為了增加用戶體驗(yàn)感，本控制系統(tǒng)中具有LED顯示屏模塊，其與主控板之間通過串行通信來進(jìn)行信號的傳輸，主控板不僅可以將車載冰箱各種負(fù)載運(yùn)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(shí)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(guān)一直是冰箱內(nèi)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(nèi)溫度實(shí)時(shí)反饋給主控板，通過計(jì)算處理控制各類負(fù)載的運(yùn)行；門燈開關(guān)直接反應(yīng)出用戶開門的頻率以及用戶使用冰箱的習(xí)慣，該信息反饋給主控板后進(jìn)行分析運(yùn)算后傳輸給壓縮機(jī)變頻板，進(jìn)而調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，做到耗電量的最優(yōu)化處理，節(jié)約能源。

作為執(zhí)行主控板命令的冰箱負(fù)載模塊，風(fēng)扇電機(jī)參與壓縮機(jī)的制冷運(yùn)行，將冷凍蒸發(fā)器的冷量強(qiáng)制傳輸?shù)嚼洳厥疫M(jìn)行制冷；電動(dòng)風(fēng)門用于控制風(fēng)道內(nèi)風(fēng)量的大小，調(diào)節(jié)冷藏室內(nèi)溫度；化霜加熱器用于給冷凍蒸發(fā)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(zhuǎn)梁內(nèi)，避免門轉(zhuǎn)梁的凝露流水；LED照明燈用于冰箱內(nèi)照明。

2 大容量風(fēng)冷車載冰箱關(guān)鍵電氣零部件設(shè)計(jì)

2.1 冰箱主控板設(shè)計(jì)

車載冰箱的供電系統(tǒng)通常是由電池進(jìn)行供電的，其電壓輸出具有一定的波動(dòng)性，因而直流主控板的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是解決電壓的波動(dòng)問題。采用DC-DC 開關(guān)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(guān)電源電路的設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定輸出的DC 12 V 電壓；設(shè)計(jì)示意如圖2 所示。

圖2 主控板DC-DC電源電路

2.2 壓縮機(jī)變頻板設(shè)計(jì)

對于壓縮機(jī)而言，直流電壓供電會(huì)造成壓縮機(jī)的運(yùn)行電流很大，一般達(dá)到7 A左右，上電初始狀態(tài)甚至可以達(dá)到10 A以上，因而壓縮機(jī)變頻板的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于解決電池供電電壓的波動(dòng)性以及壓縮機(jī)大電流的驅(qū)動(dòng)問題。

為了解決上述問題，在壓縮機(jī)變頻板的設(shè)計(jì)上，電源模塊采用DC-DC開關(guān)電源電路，將寬電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的DC 12 V和DC 5 V輸出；驅(qū)動(dòng)模塊采用PN7006A型號的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，以及NCE40H12A型號的MOSFET 管，可以做到帶載電流達(dá)到20 A以上，滿足驅(qū)動(dòng)直流變頻壓縮機(jī)的工作要求。變頻板電源電路、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)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(jī)驅(qū)動(dòng)電路

2.3 直流化霜加熱器設(shè)計(jì)

對于風(fēng)冷冰箱加熱器，材質(zhì)上行業(yè)內(nèi)往往以鋼管加熱器設(shè)計(jì)為主。為了確保冷凍蒸發(fā)器除霜可靠性，加熱器功率設(shè)計(jì)尤為關(guān)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(nèi)加熱絲發(fā)熱致使阻值升高，加熱器功率下降，勢必會(huì)影響除霜效果；而且加熱器導(dǎo)線本身的發(fā)熱不僅會(huì)引起輸入電壓下降，而且發(fā)熱量過高則會(huì)引起導(dǎo)線絕緣層護(hù)套的軟化，長期運(yùn)行會(huì)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(shè)計(jì)關(guān)鍵在于功率上做到滿足產(chǎn)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(jié)構(gòu)上可以采取雙管并聯(lián)設(shè)計(jì)，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(lián)（設(shè)計(jì)示意圖如圖5所示），這與單根加熱管設(shè)計(jì)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(lián)結(jié)構(gòu)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(zhì)量上可以降低加熱絲阻值偏差引起的功率影響。經(jīng)過整機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證，選取加熱絲功率為150 W可以滿足化霜性能需求；同時(shí)根據(jù)IEC 60335-1-2016、IEC 60335-2-24-2010標(biāo)準(zhǔn)，通過加熱器非正常工作試驗(yàn)測試其溫升值為281.70 ℃，滿足不能超過360 ℃的標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)，為了減小導(dǎo)線發(fā)熱量引起的壓降造成加熱絲功率的影響，宜選取AWG 12規(guī)格的導(dǎo)線，實(shí)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(guī)格的芯片。

圖5 化霜加熱器設(shè)計(jì)示意圖

2.4 直流防凝露加熱器設(shè)計(jì)

對于冷藏室為對開門設(shè)計(jì)的大容量風(fēng)冷冰箱，為了防止門轉(zhuǎn)梁出現(xiàn)凝露現(xiàn)象，提升用戶體驗(yàn)感，在門轉(zhuǎn)梁處往往設(shè)置一個(gè)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(shè)計(jì)，其額定電壓為DC 12 V，電阻阻值為18 Ω，導(dǎo)線線規(guī)按照常規(guī)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(yuǎn)，導(dǎo)線長度約為10 m，根據(jù)導(dǎo)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(shù)，0.003 93/℃；

t—溫度。

可以算出，常溫25 ℃時(shí)，ρ25=0.203 2 Ω·mm2/m，其電阻為4.064 Ω，根據(jù)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(jù)電功率公式：

式中：

I—電流；

R—電阻。

可以算出，防凝露加熱器實(shí)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(shè)計(jì)關(guān)鍵在于解決導(dǎo)線電阻產(chǎn)生的線路分壓引起防凝露加熱器功率下降的問題。

若將導(dǎo)線規(guī)格改為AWG18（截面積≈0.822 mm2），則可推算出防凝露加熱器實(shí)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(dāng)增大防凝露加熱器的額定功率。其匹配關(guān)系如表1所示。

從表1可知，當(dāng)防凝露加熱器功率設(shè)計(jì)為12 W，導(dǎo)線線徑規(guī)格為AWG18時(shí)，其實(shí)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(dǎo)線線徑匹配關(guān)系表

在環(huán)溫為25 ℃的耗電量測試中，采集到防凝露加熱器的實(shí)際功率在7.86～8.35 W之間，觀察門轉(zhuǎn)梁無凝露現(xiàn)象，說明上述理論計(jì)算與實(shí)際測試相符。

2.5 箱內(nèi)線束及插片端子選型設(shè)計(jì)

對于直流車載冰箱，線束規(guī)格需根據(jù)其可承載電流去選配。根據(jù)壓縮機(jī)開機(jī)瞬時(shí)最大電流可達(dá)到20 A，常規(guī)電流10 A以上，壓縮機(jī)線束和電源端線束宜選取AWG12（截面積≈3.332 mm2）規(guī)格的導(dǎo)線。

為了匹配大線徑線束，插片端子的選型也應(yīng)根據(jù)其可承載電流去選取，其壓接應(yīng)與線束規(guī)格相匹配。表2為250插片、環(huán)形端子、叉形端子選型規(guī)格一覽表。

表2 250插片、環(huán)形端子、叉形端子選型規(guī)格

2.6 DC 12 V電源供電模塊設(shè)計(jì)

車載冰箱在供電上是通過一個(gè)接線端子臺(tái)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(dāng)房車?？吭谝盃I地時(shí)，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(tái)規(guī)格選取上，需根據(jù)房車冰箱瞬時(shí)最大電流去選擇合適的規(guī)格。對于大容量風(fēng)冷房車冰箱而言其最大瞬時(shí)電流往往可以達(dá)到20 A，結(jié)合一定余量，宜選取額定電流為30 A，額定電壓為250 V規(guī)格的接線端子臺(tái)。

圖6 接線端子臺(tái)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(wěn)定性，外部設(shè)備導(dǎo)線必須做到其壓降足夠小，根據(jù)不同線徑規(guī)格推薦其導(dǎo)線最大長度如表3所示，其中AWG14（截面積≈2.075 mm2）導(dǎo)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(guī)格的導(dǎo)線。

表3 外部設(shè)備不同線徑規(guī)格導(dǎo)線最大長度

3 結(jié)論

本文基于大容量風(fēng)冷車載冰箱的電氣控制系統(tǒng)的構(gòu)成和原理，通過系統(tǒng)關(guān)鍵電氣零部件的設(shè)計(jì)分析，可以得出以下結(jié)論：

1）主控板和變頻板電源模塊設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵，均需解決電壓波動(dòng)問題，同時(shí)應(yīng)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(shè)計(jì)除了根據(jù)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(guī)格宜根據(jù)車載冰箱實(shí)際運(yùn)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(yīng)該盡量減小線路分壓引起的壓降問題。