何 仁，楊 柳

（江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江212013）

0 引 言

2014年底國(guó)家財(cái)政部 、發(fā)展改革委等10個(gè)部門聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于進(jìn)一步促進(jìn)冷鏈運(yùn)輸物流企業(yè)健康發(fā)展的指導(dǎo)意見》，2016年國(guó)家商務(wù)部官方網(wǎng)站公示了中國(guó)數(shù)十個(gè)省市的冷鏈物流發(fā)展將獲得數(shù)億元中央財(cái)政資金支持，同年，中共中央發(fā)布的一號(hào)文件《關(guān)于落實(shí)發(fā)展新理念加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)實(shí)現(xiàn)全面小康目標(biāo)的意見》中提到加快構(gòu)建跨區(qū)域冷鏈物流體系的建設(shè)。在政策鼓勵(lì)冷鏈物流快速發(fā)展的背景下，冷藏車市場(chǎng)需求日益增加。

冷藏車由于帶有制冷機(jī)組，其能耗和排放都比普通貨車大[1-5]，普通冷藏車仍依靠化石燃料提供動(dòng)力來源。太陽能近年來發(fā)展迅速，夏季太陽能資源豐富，而夏季冷藏車的需求也會(huì)增大，因此，將太陽能和冷藏車的結(jié)合應(yīng)用值得關(guān)注。目前針對(duì)太陽能應(yīng)用于冷藏車的研究比較少，葉劍鋒等[6]提出了一種太陽能輕型冷藏保溫車，并對(duì)整車結(jié)構(gòu)進(jìn)行了匹配設(shè)計(jì)；許兆棠等[7]提出了在果蔬冷藏車上應(yīng)用太陽能半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)，其通過太陽能電池板發(fā)電給半導(dǎo)體制冷器供電制冷；劉志強(qiáng)[8]設(shè)計(jì)了一種太陽能輕型冷藏車，仿真發(fā)現(xiàn)在ECE_EUDC路況下，該太陽能冷藏車只能行駛71 km，速度基本維持在30 km/h左右。

影響太陽能冷藏車商業(yè)化的主要因素有 2個(gè)：①光伏發(fā)電量不足；②制冷系統(tǒng)能耗過高。為解決以上問題，本文設(shè)計(jì)了一種冷藏車混合制冷系統(tǒng)，在試驗(yàn)驗(yàn)證混合制冷系統(tǒng)模型正確性的基礎(chǔ)上，提出了 2個(gè)適用于冷藏車混合制冷系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并將評(píng)價(jià)指標(biāo)統(tǒng)一為目標(biāo)函數(shù)，采用混沌蟻群算法進(jìn)行混合制冷系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)更加節(jié)能經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)。

1 冷藏車混合制冷系統(tǒng)

江蘇省汽車工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與鎮(zhèn)江飛馳汽車集團(tuán)有限責(zé)任公司合作開發(fā)的一種基于雙壓縮機(jī)的混合制冷系統(tǒng)的冷藏車如圖 1所示，整個(gè)系統(tǒng)主要由機(jī)械壓縮機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流閥、光伏發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)（包括太陽能電池板、光伏控制器、蓄電池、光伏逆變器）等組成，結(jié)構(gòu)原理如圖2，其中電動(dòng)壓縮機(jī)和機(jī)械壓縮機(jī)為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，共用一套冷凝器、蒸發(fā)器和節(jié)流閥。機(jī)械壓縮機(jī)是由發(fā)動(dòng)機(jī)通過皮帶輪驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)壓縮機(jī)由一套光伏發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，其中光伏控制器控制蓄電池的充放電過程，光伏逆變器將蓄電池的低壓直流電轉(zhuǎn)換成電動(dòng)壓縮機(jī)工作需要的高壓交流電。考慮到太陽能電池發(fā)電的實(shí)時(shí)性和局限性，將太陽能電池發(fā)電量存儲(chǔ)于蓄電池中，在晚上或者裝卸貨等長(zhǎng)時(shí)間停車時(shí)，由蓄電池驅(qū)動(dòng)電動(dòng)壓縮機(jī)工作制冷，機(jī)械壓縮機(jī)停止工作；而正常行駛時(shí)，使用發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)機(jī)械壓縮機(jī)工作制冷，電動(dòng)壓縮機(jī)停止工作。

在4月某晴天進(jìn)行太陽能電池板給蓄電池充電測(cè)試，圖3為太陽能電池板充電功率曲線以及累積充電量曲線，太陽能電池板充電功率隨時(shí)間的推移先上升后減小，測(cè)試當(dāng)天太陽能電池板一共給蓄電池的充電量為 4.45 kW·h。將這些電量全部用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)壓縮機(jī)工作，在4.13 h后，蓄電池電壓達(dá)到 43.5 V，停止放電。因此，光伏發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)全天發(fā)電量?jī)H能供電動(dòng)壓縮機(jī)工作4.13 h左右，尤其在晚上司機(jī)休息時(shí)，不足以支撐制冷系統(tǒng)整晚工作，進(jìn)而必會(huì)影響車廂內(nèi)冷藏貨物的質(zhì)量，導(dǎo)致這個(gè)問題的原因有 2個(gè)：①樣車采購(gòu)的是市場(chǎng)上已經(jīng)封裝成型的電池板，受車頂形狀限制并不能將車頂鋪滿，余留了很多空間，導(dǎo)致光伏發(fā)電量較少；②樣車選用的是市場(chǎng)上已有的制冷機(jī)，沒有根據(jù)車廂實(shí)際情況定制制冷機(jī)，導(dǎo)致制冷系統(tǒng)能耗偏高。因此，在通過試驗(yàn)驗(yàn)證冷藏車混合制冷系統(tǒng)模型正確性的基礎(chǔ)上，有必要對(duì)冷藏車混合制冷系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低其能耗，增加光伏發(fā)電量，使其更加節(jié)能經(jīng)濟(jì)。

圖1 冷藏車混合制冷系統(tǒng)樣車Fig.1 Prototype of hybrid refrigeration system for refrigerator car

圖2 混合制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of hybrid refrigeration system

圖3 太陽能電池板充電功率和充電量曲線Fig.3 Curves of photovoltaic charging power and electricity

2 冷藏車混合制冷系統(tǒng)模型與試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 冷藏車混合制冷系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

太陽能電池通用模型如圖4所示：

圖4 太陽能電池模型Fig.4 Model of solar cell

在研究太陽能電池實(shí)際問題時(shí)，經(jīng)常用的是結(jié)果相對(duì)更準(zhǔn)確的工程數(shù)學(xué)模型[9-11]：

其中，中間變量C1和C2可以表示為：式中Voc為太陽能電池開路電壓，V；Vm為太陽能電池最大功率點(diǎn)工作電壓，V；Isc為太陽能電池短路電流，A；Im為太陽能電池最大功率點(diǎn)工作電流，A；Is為太陽能電池輸出電流，A；Vs為太陽能電池輸出電壓，V。

式（1）為標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)狀態(tài)（太陽輻射強(qiáng)度為1000 W/m2，環(huán)境溫度為25 ℃）下得出的太陽能電池輸出特性，而實(shí)際應(yīng)用中，太陽能電池的輸出特性受太陽輻射強(qiáng)度與電池溫度變化的影響，因此，對(duì)Voc、Vm、Isc、Im進(jìn)行修正[10-11]：

其中，

式中Ts為電池工作時(shí)的溫度，℃；Tref為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量條件下電池溫度，℃；S為太陽輻射強(qiáng)度，W/m2；Sref為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量條件下太陽輻射強(qiáng)度，W/m2；K為電池的溫度隨光強(qiáng)的變化系數(shù)；Tair為外界空氣溫度，℃；ΔT為溫度差，℃；ΔS為太陽輻射強(qiáng)度差，W/m2；a、b、c均為常數(shù)。

蓄電池作為系統(tǒng)儲(chǔ)能件，其三階動(dòng)態(tài)模型[12]如圖 5所示，模型參數(shù)不多但是能夠精確表達(dá)蓄電池充放電時(shí)的動(dòng)態(tài)特性。

圖5 蓄電池三階動(dòng)態(tài)模型Fig.5 Three order dynamic model of battery

注：v為理想電壓源；E為蓄電池端電壓，V；VPN為寄生支路電壓，V；Ip為寄生支路電流，A; R0, R1, R2為電阻，?；C1為電容，F(xiàn)。

Note: v is ideal voltage source; E is terminal voltage of battery, V; VPNis parasitic branch voltage, V; Ipis parasitic branch current, A; R0, R1, R2is resistance, ?; C1is capacitance, F.

蓄電池的容量表述如下：

式中C0為0°以參考電流If放電時(shí)的容量，A·h；T為電解液溫度，K；Tf為電解液冰點(diǎn)溫度，K；I為充放電電流，A；Ke, ε, δ為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

離網(wǎng)光伏三相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6，主要由直流電壓源、逆變橋、濾波電路及負(fù)載4部分組成。圖6中，S1～S6為全控型開關(guān)。

圖6 離網(wǎng)光伏三相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig6 Topology structure of off-grid photovoltaic three-phase inverter

根據(jù)圖 6可得離網(wǎng)光伏三相逆變器運(yùn)行模式下的數(shù)學(xué)模型[13]：

式中r為單相濾波電感的等效電阻，?；ILi為流過i相電感電流，A；Ioi為逆變器輸出的i相電流，A；Uoi為逆變器輸出的i相電壓，V； Si為i相橋臂上開關(guān)的狀態(tài)，i=a,b, c。

由于冷藏車車廂的長(zhǎng)寬高遠(yuǎn)大于其厚度，因此假設(shè)車廂傳熱為一維傳熱[14-16]，其動(dòng)態(tài)模型如圖 7。 基于熱力學(xué)第一定律，建立冷藏車廂降溫過程的熱平衡動(dòng)態(tài)方程[17]。

式中Q0為制冷量，W；ρ為空氣密度，kg/m3；Vc為車廂總體積，m3；Cp為空氣定壓比熱容，J/(kg·K)；t為車廂空氣溫度，K；τ為時(shí)間，s；Q為車廂熱負(fù)荷，W。

圖7 車廂制冷模型Fig.7 Model of refrigerated carriage

此外，從制冷系統(tǒng)原理圖 8中可以看出，冷凝器和蒸發(fā)器的原理都是通過內(nèi)部制冷劑相變來與外部空氣進(jìn)行熱交換。蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑液體吸收車廂內(nèi)空氣熱量而蒸發(fā)，以此達(dá)到制冷效果，冷凝器內(nèi)制冷劑蒸汽遇外界空氣發(fā)生冷凝，將熱量釋放出去。

圖8 制冷系統(tǒng)原理圖Fig.8 diagram of refrigeration system

由能量守恒定律可以得知，蒸發(fā)器/冷凝器內(nèi)制冷劑吸收/釋放的熱量與蒸發(fā)器/冷凝器外空氣釋放/吸收的熱量是相等的[18-19]，忽略制冷劑在蒸發(fā)器和冷凝器內(nèi)制冷劑熱阻和導(dǎo)熱熱阻，假設(shè)風(fēng)扇一直在一定功率下工作，即將空氣流速看成是定值，使用蒸發(fā)器和冷凝器空氣側(cè)換熱量表征蒸發(fā)器和冷凝器的換熱量，可得：

式中 K0為蒸發(fā)器平均對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Δtm0為空氣與蒸發(fā)器管壁之間的平均溫差，K；A0為蒸發(fā)器換熱面積，m2；Kk為冷凝器平均對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Δtmk為空氣與冷凝器管壁之間的平均溫差，K；Ak為冷凝器換熱面積，m2。

2.2 冷藏車混合制冷系統(tǒng)模型驗(yàn)證

課題組與江蘇晟朗電氣設(shè)備有限公司合作，為將光伏控制器和光伏逆變器集成封裝在一起，設(shè)計(jì)制作了SNS-4K20D光伏控制逆變一體機(jī)。該光伏控制逆變一體機(jī)顯示屏如圖 9所示，可直接從顯示屏中讀出太陽能電池板、蓄電池、逆變器、負(fù)載等相關(guān)參數(shù)，記錄所需測(cè)量參數(shù)，并將之與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模型的正確性，為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

將太陽輻射傳感器檢測(cè)到的試驗(yàn)當(dāng)天的太陽輻射強(qiáng)度值擬合成圖10a所示的太陽輻射強(qiáng)度變化曲線，為節(jié)省仿真時(shí)間，將每10 min內(nèi)的太陽輻射強(qiáng)度視作定值，如圖10a中的階躍曲線。

圖9 光伏控制逆變一體機(jī)顯示屏Fig.9 Display screen of photovoltaic controller and inverter

圖10 光伏發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)試驗(yàn)與仿真對(duì)比結(jié)果Fig.10 Comparison between test and simulation results of photovoltaic energy storage system

基于測(cè)得的太陽輻射強(qiáng)度得出光伏發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電電流和充電功率的試驗(yàn)與仿真值對(duì)比，如圖 10b和圖10c所示，從這2個(gè)圖中不難看出，試驗(yàn)測(cè)得的太陽能電池板在不同太陽輻射強(qiáng)度下的實(shí)時(shí)輸出電流值有91.7%在仿真得到的電流曲線擾動(dòng)范圍以內(nèi)，試驗(yàn)測(cè)得的太陽能電池板實(shí)時(shí)輸出功率值有 95.8%在仿真得到的功率曲線擾動(dòng)范圍以內(nèi)，說明本文光伏發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)模型具有較高的精確性，為后續(xù)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

此外，在車廂內(nèi)頂部安裝了 2個(gè)溫度傳感器測(cè)量制冷過程中車廂內(nèi)溫度變化，如圖11，取2個(gè)溫度傳感器平均溫度值并記錄，與仿真得到的蒸發(fā)器出風(fēng)口溫度進(jìn)行對(duì)比，如圖 12，由于實(shí)際降溫過程中，受車廂內(nèi)部冷熱流體對(duì)流換熱以及溫度傳感器安裝位置的影響，其降溫速度是由快變慢的，而仿真中降溫速度為一個(gè)定值。

圖11 溫度傳感器Fig.11 Temperature sensor

車廂溫度降溫曲線最重要的特征是降溫時(shí)間、溫度波動(dòng)幅度和周期，試驗(yàn)時(shí)車廂溫度花費(fèi)了620 s從初始溫度降低到指定溫度，而仿真中花費(fèi)590 s降低到指定溫度；當(dāng)車廂溫度降低到指定溫度后，試驗(yàn)中平均溫度波動(dòng)周期為 80 s，平均溫度幅度為[4.82，6.50]℃，而仿真中平均溫度波動(dòng)周期為75 s，平均溫度波動(dòng)幅度為[4.80，5.87]℃，若定義誤差率為試驗(yàn)值與仿真值差的絕對(duì)值與試驗(yàn)值的比值，則降溫時(shí)間的誤差率為4.83%，溫度波動(dòng)周期的誤差率為6.25%。從以上數(shù)據(jù)可以看出，試驗(yàn)與仿真得到的車廂溫度降溫曲線特征是相近的，可見本文車廂制冷模型能夠較為準(zhǔn)確地分析制冷效果。

圖12 車廂溫度試驗(yàn)與仿真對(duì)比Fig.12 Comparison between test and simulation results of carriage temperature

3 冷藏車混合制冷系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 冷藏車混合制冷系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.1.1 制冷效能系數(shù)

制冷量是決定車廂降溫性能的主要因素，只有當(dāng)制冷系統(tǒng)產(chǎn)生的制冷量大于車廂熱負(fù)荷，車廂內(nèi)溫度才會(huì)降低，并且制冷量越大，降溫速度越快，車廂最終溫度越低。

壓縮機(jī)作為制冷系統(tǒng)的動(dòng)力源，不斷從蒸發(fā)器吸入過熱制冷劑蒸汽，壓縮成高溫高壓氣體排入冷凝器，制冷劑蒸汽在冷凝器中降溫冷凝，變成過冷液體經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流降壓，而后流進(jìn)蒸發(fā)器，此時(shí)低溫制冷劑液體吸收車廂內(nèi)空氣的熱量蒸發(fā)，達(dá)到制冷的目的，隨后再次被壓縮機(jī)吸入，如此循環(huán)往復(fù)[20-24]。因此，壓縮機(jī)排氣量越大，制冷劑質(zhì)量流量越大，整個(gè)系統(tǒng)制冷量也就會(huì)越大，使用制冷劑換熱量表示制冷量[25-26]，可得

式中λ為壓縮機(jī)輸氣系數(shù)；Vth為壓縮機(jī)理論排氣量，m3/s；v1為壓縮機(jī)吸入制冷劑蒸汽比體積，m3/kg；h1為蒸發(fā)器出口制冷劑蒸汽焓值，J/kg；h4為蒸發(fā)器入口制冷劑液體焓值，J/kg。

制冷系統(tǒng)能耗高低決定了用來驅(qū)動(dòng)它的能量大小[25]，能耗越小則所需驅(qū)動(dòng)能量越小。壓縮機(jī)是整個(gè)制冷系統(tǒng)的主要耗能部件，因此可將壓縮機(jī)能耗近似等于整個(gè)制冷系統(tǒng)能耗。忽略摩擦損耗，根據(jù)制冷系統(tǒng)能量守恒定理，制冷循環(huán)中制冷劑獲得的能量（在壓縮機(jī)中獲得功和在蒸發(fā)器中蒸發(fā)吸熱量）應(yīng)該等于制冷劑釋放的能量（在冷凝器中冷凝放熱量），經(jīng)過數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換得到壓縮機(jī)功率為：

為了衡量制冷系統(tǒng)產(chǎn)生單位制冷量所消耗的能量，將壓縮機(jī)功率與制冷量的比值定義為制冷效能系數(shù)δ。

從以上分析可以看出，制冷效能系數(shù)越小，制冷系統(tǒng)越節(jié)能。

3.1.2 光伏發(fā)電經(jīng)濟(jì)系數(shù)

冷藏車混合制冷系統(tǒng)中制冷系統(tǒng)有 2個(gè)能量源：太陽能電池和蓄電池。考慮到太陽能電池發(fā)電性能受外界環(huán)境因素影響較大，將太陽能電池發(fā)電量存儲(chǔ)在蓄電池中，用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)壓縮機(jī)工作制冷。因此，為了延長(zhǎng)電動(dòng)壓縮機(jī)工作時(shí)間，在降低制冷系統(tǒng)能耗的同時(shí)，還要增加光伏發(fā)電量，同時(shí)也不能忽視目前市場(chǎng)上儲(chǔ)能電池的高價(jià)格成本。

目前市場(chǎng)上出售的已經(jīng)封裝成型的太陽能電池板是許多單個(gè)電池片串、并聯(lián)起來形成大電壓大電流的模組，本文選用寧波矽源達(dá)太陽能電池片，其參數(shù)如表1，然后要求廠商根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果定制太陽能電池板。

表1 太陽能電池片參數(shù)Table 1 Parameters of solar cell

因此，為了衡量單位成本的光伏發(fā)電量大小，將太陽能電池板全天發(fā)電量Etot和蓄電池成本Mbat的比值定義為光伏發(fā)電經(jīng)濟(jì)系數(shù)η。

為使光伏發(fā)電經(jīng)濟(jì)系數(shù)無量綱化，由于目前市場(chǎng)上蓄電池的價(jià)格與其功率容量是成正比的，因此，采用蓄電池的功率容量Qtot來表征蓄電池的成本，Qtot表達(dá)式為

式中U為蓄電池電壓，V；QB為蓄電池容量，A·h。而太陽能電池板的全天發(fā)電量Etot的表達(dá)式為

式中Etot為太陽能電池板全天發(fā)電量，W；t1為光照開始時(shí)間；t2為光照結(jié)束時(shí)間；n為太陽能電池片并聯(lián)個(gè)數(shù)；m為太陽能電池片串聯(lián)個(gè)數(shù)；Is(t)為太陽能電池實(shí)時(shí)輸出電流，A；Vs(t)為太陽能電池實(shí)時(shí)輸出電壓，V。

因此，光伏發(fā)電經(jīng)濟(jì)系數(shù)η可總結(jié)為

從以上分析可知，光伏發(fā)電經(jīng)濟(jì)系數(shù)越大，那么單位成本的光伏發(fā)電量越大，整個(gè)光伏發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性越好。

3.2 目標(biāo)函數(shù)

根據(jù)本文對(duì) 2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的分析，要實(shí)現(xiàn)冷藏車混合制冷系統(tǒng)節(jié)能經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)，則希望制冷效能系數(shù) δ盡量小、光伏發(fā)電經(jīng)濟(jì)系數(shù) η盡量大，因此，采用乘除法統(tǒng)一這2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，整理成目標(biāo)函數(shù)。

3.3 優(yōu)化變量

冷藏車混合制冷系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)變量有：壓縮機(jī)理論輸氣量Vth、冷凝器換熱面積Ak、蒸發(fā)器換熱面積A0、太陽能電池片并聯(lián)個(gè)數(shù)n、太陽能電池片串聯(lián)個(gè)數(shù)m、蓄電池容量QB。

3.4 約束條件

1）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《道路運(yùn)輸、食品與生物制品冷藏車安全要求及試驗(yàn)方法》[27]表明冷藏車所配備制冷系統(tǒng)產(chǎn)生的制冷量至少為車廂總熱負(fù)荷的1.75倍，即

2）制冷量與蒸發(fā)器換熱面積成正比的，因此蒸發(fā)器換熱面積必須為非負(fù)數(shù)，即

3）冷凝器換熱量是隨著換熱面積的增大而增大的，因此冷凝器換熱面積必須為非負(fù)數(shù)，即

4）壓縮機(jī)理論輸氣量是由壓縮機(jī)氣缸體積大小決定，其氣缸體積與氣缸直徑、活塞行程、轉(zhuǎn)速和氣缸數(shù)量有關(guān)，因此其必為非負(fù)數(shù)，即

5）考慮到冷凝器和蒸發(fā)器的換熱面積決定了它們的體積和成本，因此冷凝器和蒸發(fā)器的換熱面積之和的最大值不應(yīng)大于樣車現(xiàn)在安裝的制冷系統(tǒng)換熱面積之和，即

6）鋪放的太陽能電池板的長(zhǎng)和寬都不應(yīng)大于車廂頂部的長(zhǎng)和寬，以防太陽能電池板凸出，這樣不僅影響美觀，還會(huì)降低冷藏車行駛時(shí)太陽能電池板的穩(wěn)定性，根據(jù)車廂頂部尺寸，不難算出車廂頂部長(zhǎng)度方向上至多放26塊，寬度方向上至多放13塊太陽能電池片，即

7）由于外界環(huán)境因素使得太陽能電池給蓄電池充電時(shí)會(huì)有少許功率波動(dòng)，為了使太陽能電池順利給蓄電池充電，其工作電壓應(yīng)為蓄電池額定電壓的 1.2～1.5倍，即

8）考慮到夜晚需由蓄電池驅(qū)動(dòng)制冷系統(tǒng)工作，蓄電池容量應(yīng)該能維持制冷機(jī)工作10 h以上，因此

以上各式中 QL為制冷系統(tǒng)每小時(shí)耗電量，A·h；A為蓄電池安全系數(shù)；T0為蓄電池溫度修正系數(shù)；Cc為蓄電池放電深度。

3.5 優(yōu)化結(jié)果分析

本文根據(jù)混沌蟻群優(yōu)化算法[28-30]優(yōu)化函數(shù)的思路：首先，采用蟻群算法進(jìn)行全局搜索得到最優(yōu)解的大致范圍；其次，在最優(yōu)解附近采用混沌算法進(jìn)行精細(xì)搜索，在Matlab中編寫M文件算法程序，得到目標(biāo)函數(shù)Fk的仿真曲線如圖13，從圖13中可以看出，在550 s左右目標(biāo)函數(shù)Fk達(dá)到最小值，此刻相對(duì)應(yīng)的優(yōu)化變量的值為：壓縮機(jī)理論輸氣量Vth為0.001 98 m3/s、冷凝器換熱面積Ak為6.408 m2、蒸發(fā)器換熱面積A0為3.379 m2、太陽能電池片串聯(lián)個(gè)數(shù)m取整后為108塊，并聯(lián)個(gè)數(shù)n為3塊，蓄電池容量為Qb為144.37 A·h。

圖13 目標(biāo)函數(shù)Fk仿真曲線Fig.13 Simulation curve of objective function Fk

表 2給出了優(yōu)化前后的冷藏車混合制冷系統(tǒng)參數(shù)，優(yōu)化前壓縮機(jī)能耗為 1 084 W，優(yōu)化后壓縮機(jī)能耗為845.37 W，降低了238.63 W，但是制冷量從2 000 W提高了103.11 W，變成了2103.11 W，因此總體制冷效能系數(shù)從0.542降低到了0.402，使得制冷系統(tǒng)更加節(jié)能。冷凝器和蒸發(fā)器的成本和體積是隨著換熱面積的增大而增大的，由于制冷系統(tǒng)安裝在冷藏車上，其體積不宜過大，從表 2可看出，優(yōu)化后冷凝器和蒸發(fā)器的換熱面積總和減少了0.267 m2。

表2 優(yōu)化前后系統(tǒng)參數(shù)比較Table 2 Parameter comparison of system before and after optimization

根據(jù)式（14）計(jì)算蓄電池的功率容量在優(yōu)化前后分別是9.60和6.93 kW·h，且根據(jù)表1中太陽能電池片參數(shù)，計(jì)算優(yōu)化后得到的太陽能電池板的開路電壓為69.12 V、工作電壓為58.32 V、短路電流為25.71 A、工作電流為25.08 A?；趫D10a中太陽輻照強(qiáng)度變化曲線得到優(yōu)化前后太陽能電池板實(shí)際輸出功率，如圖14所示，可以看出優(yōu)化后的太陽能電池板輸出功率比優(yōu)化前明顯升高，太陽輻射強(qiáng)度越高的時(shí)段，優(yōu)化后的太陽能電池板輸出功率升高幅度越大。將太陽電池板輸出功率對(duì)時(shí)間積分則可得到太陽電池板全天發(fā)電量，如圖15所示，優(yōu)化前太陽能電池板全天發(fā)電量約4.45 kW·h，優(yōu)化后太陽能電池板全天發(fā)電量則達(dá)到了5.82 kW·h。根據(jù)公式（16）可得光伏發(fā)電經(jīng)濟(jì)系數(shù)從0.464升高到了0.840。

圖14 優(yōu)化前后的太陽能電池板輸出功率Fig.14 Output power of solar panel before and after optimization

圖15 優(yōu)化前后的太陽能電池板全天發(fā)電量Fig.15 All day power generation of solar panel before and after optimization

4 結(jié)論

本文針對(duì)目前冷藏車上車載光伏發(fā)電量不足和制冷系統(tǒng)能耗過高的問題，以江蘇省汽車工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與鎮(zhèn)江飛馳汽車集團(tuán)有限責(zé)任公司合作開發(fā)的冷藏車混合制冷系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證所建模型的正確性，在此基礎(chǔ)上提出了 2個(gè)適用于冷藏車混合制冷系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)：制冷效能系數(shù)和光伏發(fā)電經(jīng)濟(jì)系數(shù)，并將這 2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)統(tǒng)一為目標(biāo)函數(shù)，基于混沌蟻群算法對(duì)冷藏車混合制冷系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化結(jié)果表明優(yōu)化后的制冷量提高103.11 W，制冷系統(tǒng)能耗降低了238.63 W，制冷效能系數(shù)從0.542降低到了0.402，使得制冷系統(tǒng)更加節(jié)能。蓄電池總功率容量降低了2.67 kW·h，太陽能電池板全天發(fā)電量從4.45 kW·h升高到了5.82 kW·h，光伏發(fā)電經(jīng)濟(jì)系數(shù)從0.464升高到了0.840。由此可見，優(yōu)化后的冷藏車混合制冷系統(tǒng)更加節(jié)能經(jīng)濟(jì)。