劉 濤 何寶石 高方正

（長(zhǎng)虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

車(chē)載冰箱按照技術(shù)原理分為半導(dǎo)體式車(chē)載冰箱和壓縮機(jī)式車(chē)載冰箱[1]。半導(dǎo)體式車(chē)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(chē)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(zhǎng)期制冷運(yùn)行，因此壓縮機(jī)式車(chē)載冰箱必將逐步替代半導(dǎo)體式車(chē)載冰箱[2]。

目前，市場(chǎng)上小型房車(chē)往往配置小容積（100～200 L）的直冷壓縮機(jī)式車(chē)載冰箱；中型房車(chē)則配置中等容積（200～400 L）的風(fēng)冷壓縮機(jī)式車(chē)載冰箱[3]；而對(duì)于大型房車(chē)而言，則需要配置更大容積（400～500 L）的風(fēng)冷壓縮機(jī)式車(chē)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(chē)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(chē)載冰箱電氣控制系統(tǒng)構(gòu)成

一種大容量風(fēng)冷車(chē)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(mén)燈信號(hào)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(mén)、化霜加熱器、防凝露加熱器和LED照明燈等冰箱各類(lèi)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(chē)載冰箱工作原理

壓縮機(jī)式車(chē)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(chē)載冰箱是利用太陽(yáng)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(guò)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(guò)串行通信來(lái)傳輸接收和反饋命令來(lái)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(guò)串行通信來(lái)進(jìn)行信號(hào)的傳輸，主控板不僅可以將車(chē)載冰箱各種負(fù)載運(yùn)行情況，以及傳感器正常與否通過(guò)顯示屏特殊代碼顯示出來(lái)，還可以將車(chē)載冰箱重要的電池用電情況顯示出來(lái)，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(mén)燈開(kāi)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(guò)計(jì)算處理控制各類(lèi)負(fù)載的運(yùn)行；門(mén)燈開(kāi)關(guān)直接反應(yīng)出用戶開(kāi)門(mén)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(mén)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(mén)轉(zhuǎn)梁內(nèi)，避免門(mén)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(chē)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(chē)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(wèn)題。采用DC-DC 開(kāi)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(guò)開(kāi)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(duì)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(wèn)題。

為了解決上述問(wèn)題，在壓縮機(jī)變頻板的設(shè)計(jì)上，電源模塊采用DC-DC開(kāi)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(hào)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，以及NCE40H12A型號(hào)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(duì)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(duì)于直流冰箱而言，長(zhǎng)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(shì)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(guò)高則會(huì)引起導(dǎo)線絕緣層護(hù)套的軟化，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)引起耐壓不足、破損起火等安全問(wèn)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(guò)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(guò)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(guò)加熱器非正常工作試驗(yàn)測(cè)試其溫升值為281.70 ℃，滿足不能超過(guò)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(duì)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(duì)于冷藏室為對(duì)開(kāi)門(mén)設(shè)計(jì)的大容量風(fēng)冷冰箱，為了防止門(mén)轉(zhuǎn)梁出現(xiàn)凝露現(xiàn)象，提升用戶體驗(yàn)感，在門(mén)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(zhǎng)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(zhǎng)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(jiàn)，線路分壓很大。因此，對(duì)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(wèn)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(shuō)明單純依靠加大線徑無(wú)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(cè)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(mén)轉(zhuǎn)梁無(wú)凝露現(xiàn)象，說(shuō)明上述理論計(jì)算與實(shí)際測(cè)試相符。

2.5 箱內(nèi)線束及插片端子選型設(shè)計(jì)

對(duì)于直流車(chē)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(kāi)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(chē)載冰箱在供電上是通過(guò)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(chē)停靠在野營(yíng)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(chē)冰箱瞬時(shí)最大電流去選擇合適的規(guī)格。對(duì)于大容量風(fēng)冷房車(chē)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(chē)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(zhǎng)度如表3所示，其中AWG14（截面積≈2.075 mm2）導(dǎo)線最長(zhǎng)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(zhǎng)度

3 結(jié)論

本文基于大容量風(fēng)冷車(chē)載冰箱的電氣控制系統(tǒng)的構(gòu)成和原理，通過(guò)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(wèn)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(wèn)題；

3）線束規(guī)格宜根據(jù)車(chē)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(wèn)題。