提高新能源汽車(chē)熱泵空調(diào)能效比的策略分析

高紅波 聶光輝 王慶合

摘? 要：新能源汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)使用電能利用制冷劑作為 介質(zhì)將低位熱源中的熱量轉(zhuǎn)移到高位熱源的車(chē)室內(nèi)，在環(huán)境0℃以上時(shí)其COP大于1，能效比遠(yuǎn)高于采用PTC電加熱的采暖方式。然而在冬季環(huán)境溫度低于0 ℃且小于濕空氣露點(diǎn)溫度時(shí)，因?yàn)槭彝鈸Q熱器結(jié)霜堵塞換氣通道，影響吸熱，造成換熱效率低下，從而縮短了新能源汽車(chē)冬季的續(xù)航里程，為了消除換熱器結(jié)霜，國(guó)內(nèi)外對(duì)此在換熱器材料及結(jié)構(gòu)方面、空調(diào)管道控制及選用制冷劑等方面做了各種研究試驗(yàn)，該文結(jié)合試驗(yàn)測(cè)試主要在融霜控制策略及對(duì)使用的各類汽車(chē)制冷劑性能做對(duì)比分析。

關(guān)鍵詞：熱泵空調(diào);融霜;制冷劑;R1234yf;R410A;R744

中圖分類號(hào)： U4，TB61? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

電動(dòng)汽車(chē)采用熱泵空調(diào)系統(tǒng)取暖，是利用電能通過(guò)制冷劑將低位熱源中的熱量轉(zhuǎn)移到高位熱源的車(chē)室內(nèi)，所得到的熱量理論上為消耗的電能與吸收的低位熱能之和，因此其COP能效比大于1，在戶外0 ℃以上時(shí)，其能效遠(yuǎn)高于采用PTC電加熱。然而在冬季0 ℃尤其是-5 ℃以下時(shí)，由于室外換熱器結(jié)霜影響吸熱，從而造成換熱效率低下，為了消除換熱器結(jié)霜現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外對(duì)此陸續(xù)在空調(diào)融霜控制及制冷劑選用、換熱器結(jié)構(gòu)及材料改進(jìn)等方面做了相關(guān)的研究改進(jìn)，國(guó)外一些車(chē)型包括大眾、奧迪、雷諾、寶馬和日產(chǎn)等品牌均已量產(chǎn)裝車(chē)。近年來(lái)國(guó)產(chǎn)電動(dòng)汽車(chē)典型車(chē)型如長(zhǎng)安CS75 Plus、榮威Ei5、榮威MARVEL X等也已開(kāi)始裝用熱泵空調(diào)。

1 熱泵空調(diào)融霜策略

為了防止制熱時(shí)因室外換熱器結(jié)霜影響制冷劑從室外吸收熱能，降低乘坐舒適性，我們?cè)谠囼?yàn)中采用了熱氣旁通制熱除霜方式。

當(dāng)熱泵空調(diào)處于制熱模式時(shí)（圖1），電磁四通換向閥如圖1所示兩兩接通。壓縮機(jī)把制冷劑氣體壓縮后呈高溫高壓狀態(tài)壓送至室內(nèi)的換熱器（此時(shí)為冷凝器功能），制冷劑在冷凝器降溫冷凝釋放熱量（此時(shí)室內(nèi)空氣被加熱），冷凝后的制冷劑被壓送至單向閥1，通過(guò)制熱毛細(xì)管的節(jié)流降壓，氣液混合的制冷劑在室外換熱器逐步氣化蒸發(fā)，制冷劑在液氣相變的同時(shí)從外界吸收了熱量存為其內(nèi)能，氣化后的低溫低壓制冷劑經(jīng)過(guò)四通閥進(jìn)入氣液分離器，被壓縮機(jī)吸入進(jìn)入下一循環(huán)[1]。

當(dāng)熱泵空調(diào)處于制冷模式下，A/C ECU使電磁四通換向閥改換方向兩兩接通。完全氣化的制冷劑（干過(guò)熱氣）被壓縮機(jī)吸入，壓縮成為高溫高壓的氣體排出，經(jīng)過(guò)電磁四通換向閥進(jìn)入室外換熱器放熱，冷凝成為液態(tài)制冷劑，液態(tài)制冷劑經(jīng)過(guò)單向閥2及毛細(xì)管阻力降壓后成為低溫低壓的氣液混合體，進(jìn)入室內(nèi)換熱器蒸發(fā)吸熱，此時(shí)室內(nèi)空氣被降溫，低溫低壓的氣化的制冷劑經(jīng)過(guò)電磁四通換向閥進(jìn)入氣液分離器。經(jīng)過(guò)氣液分離的制冷劑氣體被吸入壓縮機(jī)進(jìn)入下一循環(huán)。

為了防止制熱時(shí)因室外換熱器（此時(shí)為蒸發(fā)器）結(jié)霜結(jié)冰，進(jìn)而影響制冷劑通過(guò)換熱器表面的吸熱效率，從而導(dǎo)致?lián)Q熱效率降低，目前的解決方案是采用熱氣旁通制熱除霜的方式，如圖2所示。置于蒸發(fā)器表面的NTC溫度傳感器將信號(hào)傳遞給空調(diào)控制ECU，當(dāng)ECU通過(guò)傳感器判斷到-7℃信號(hào)時(shí)，A/C ECU將融霜電磁閥線路接通使閥開(kāi)啟。從壓縮機(jī)出來(lái)的高溫高壓制冷劑有一部分經(jīng)融霜電磁閥被分流到室外換熱器的入口，迅速提高室外換熱器的溫度到0℃以上，將室外換熱器上的霜層熱融掉，使換熱器可以保持較高的換熱效率。

這種方法由于檢測(cè)設(shè)備限制，還不易精確判斷融霜及結(jié)霜的速率、厚度等情況，導(dǎo)致融霜雖有效果，但不能準(zhǔn)確判斷，隨著時(shí)間增加，霜層依然逐漸增厚，COP明顯下降，甚至低于1。目前主要在于系統(tǒng)能準(zhǔn)確判斷融霜的切入點(diǎn)和退出點(diǎn)，避免出現(xiàn)誤除霜，有霜不除，除霜未盡等現(xiàn)象[2]。

2 用于汽車(chē)熱泵空調(diào)的制冷劑性能比較

目前世界各國(guó)汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)制冷劑的種類繁多，主要有混合型R407c型、R410a及R134a型和R744（即CO2）型、R1234yf等。

2.1 混合型制冷劑R410A和R407c

R410A是由2種準(zhǔn)共沸制冷劑分別是50%的R32（二氟甲烷）和50%的R125（五氟乙烷）混合而成。R410A沸點(diǎn)低至-51.6 ℃，沸點(diǎn)差小于0.2 K，易揮發(fā)，運(yùn)行溫度范圍寬廣，具有良好的導(dǎo)熱和流動(dòng)特性，比R134a滲透性低、不易產(chǎn)生滲漏，對(duì)于系統(tǒng)干燥性也沒(méi)有R134a要求高。R410A系統(tǒng)的運(yùn)行壓力：低壓端約0.8 MPa，高壓端為2.2 MPa～2.4 MPa。因其運(yùn)行壓力較高，氣體密度較大，比 R134a 更容易適配更小流量的壓縮機(jī)，采用更細(xì)的管路，制造成本也會(huì)降低?？偟膩?lái)說(shuō)R410A相較于R134a更加適合應(yīng)用于熱泵空調(diào)[3]。

R407c是由R32、R125和R134a 3種非共沸點(diǎn)工質(zhì)混合而成的。R407c的臭氧層破壞潛能值（ODP）為0，因含有R134a，全球變暖潛能值（GWP）較R410A高。在一個(gè)大氣壓下，其沸點(diǎn)是-43.4 ℃～-36.1 ℃。其運(yùn)行壓力：低壓為 0.4 MPa～0.7 MPa，高壓為1.5 MPa～1.8 MPa，和R134a接近。但是，R407C由非共沸點(diǎn)工質(zhì)混合而成，使得R407C在蒸發(fā)或者冷凝時(shí)，不但要克服冷凝液層的熱阻，還要克服相變溫度梯度和汽液濃度差對(duì)傳熱帶來(lái)的負(fù)面影響，導(dǎo)致其傳熱系數(shù)比R410A低[4]。

R410A與R407C性能比較：R410A的蒸發(fā)傳熱系數(shù)和冷凝傳熱系數(shù)均高于R407C。蒸發(fā)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，R410A在光滑水平管及肋管內(nèi)的傳熱系數(shù)均比R407C高50%左右[4]。R410A及R407C的ODP值均為零，R410A的GWP小于0.2。

R407c在發(fā)生泄漏時(shí)或修理?yè)Q件時(shí)管道內(nèi)的制冷劑無(wú)法回收，全部排放到大氣中，這樣一方面會(huì)增加維護(hù)成本;另一方面大量的排放這些氣體，也將提高全球變暖的潛能總值。

總體比較結(jié)果R410A優(yōu)于R407c。只是R410A系統(tǒng)在空調(diào)部件及管道設(shè)置方面要注意提高耐壓性。

2.2 R744（CO2）

CO2熱物理性能良好，具有高密度和低黏度的特性，其流動(dòng)能量損失小、導(dǎo)熱系數(shù)高，適用于低溫工況的空調(diào)系統(tǒng)。同時(shí)二氧化碳原料易得、價(jià)廉、對(duì)環(huán)境表現(xiàn)友好，安全方面二氧化碳性能穩(wěn)定、不可燃、無(wú)毒安全性高。CO2的全球變暖潛能值GWP為1，是R134a的1‰，但CO2臨界壓力高、臨界溫度低。CO2制冷系統(tǒng)的臨界循環(huán)運(yùn)行壓力高達(dá)7.38 MPa以上，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的制冷空調(diào)系統(tǒng)，因此對(duì)系統(tǒng)及部件的設(shè)計(jì)要求極高，工作噪聲較大，但是裝置體積可以減小了，可以節(jié)省車(chē)上的空間。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的空調(diào)壓縮機(jī)及膨脹閥、換熱器等能否具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度等技術(shù)難關(guān)尚需突破，距離大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的生產(chǎn)使用還有相當(dāng)一段路程。

2.3 R134a

R134a屬于HFC（氫氟烴類）物質(zhì)，不會(huì)對(duì)臭氧層造成破壞，工質(zhì)單一穩(wěn)定性好，可以回收再循環(huán)使用，目前依然是被大多數(shù)國(guó)家肯定的制冷劑類型，也是我國(guó)目前的 主流制冷劑之一。但是R134a的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)為-26.2 ℃，R134a系統(tǒng)在超低溫制熱時(shí)蒸發(fā)器一側(cè)換熱溫差小，吸氣比容大，制熱量不足，不適合用于超低溫?zé)岜?在低溫工況下排氣溫度高、制熱性能衰減嚴(yán)重。因此不適用于嚴(yán)寒地區(qū)使用的熱泵空調(diào)。另外，R134a的GWP高達(dá)1 430，超過(guò)歐盟F-gas規(guī)定的GWP<150的標(biāo)準(zhǔn)。這意味著主流制冷劑R134a今后將逐步淡出市場(chǎng)。

2.4 R1234yf

根據(jù)柴玉鵬等的試驗(yàn)，在蒸發(fā)溫度-20 ℃以上時(shí)， R1234yf的制熱量比R134a系統(tǒng)的制熱量小0.75%～27.08%， 制熱COP小1.50%～29.96%[5]。整體上在不改變?cè)薪Y(jié)構(gòu)情況下，低溫下R1234yf的制熱方面比R134a性能略差。R1234yf的蒸發(fā)潛熱為180.2KJ/kg，大約是R134a的0.83倍，因此其傳熱性能并不比R134a好。通過(guò)改變膨脹閥的開(kāi)度、增加制冷劑充注量、提高壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速后可提高系統(tǒng)制熱性能。R1234yf的優(yōu)勢(shì)在于其各項(xiàng)性能與R134a接近，系統(tǒng)不需要大的改進(jìn)，且R1234yf的ODP同樣為0，GWP為4，遠(yuǎn)低于R134a，作為R134a的替代制冷劑之一，滿足人們對(duì)制冷劑環(huán)境友好性的要求。

只是R1234yf的安全等級(jí)為A2L，具有弱可燃性[6]。安全性方面影響了其推廣使用。

3 結(jié)語(yǔ)

從能量轉(zhuǎn)移途徑看，采用PTC加熱無(wú)論如何改進(jìn)，其得到的熱能總是小于消耗的電能，COP一定小于1;相比之下，低溫工況下的汽車(chē)熱泵空調(diào)雖然問(wèn)題很多，但COP總是有希望得到提高，融霜控制模式的改進(jìn)、制冷劑的探索改良結(jié)合換熱器的結(jié)構(gòu)改良等，都將逐步提高低溫工況下的COP。

參考文獻(xiàn)

[1]李延鋒，石靜，程勛，等.純電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[J].制冷，2016，35（2）：18-22 .

[2]梁志豪，巫江虹，金鵬，等.電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)結(jié)霜特性及除霜策略[J].兵工學(xué)報(bào)，2017，38（1）：168-176.

[3]吳會(huì)麗，李俊峰.R410A制冷劑在電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)中的應(yīng)用研究[J].家電科技，2018（7）：51-53.

[4]陳九法，楊辰.環(huán)保制冷劑R410A和R407C的性能比較[J].流體機(jī)械，2005（7）：78-81.

[5]柴玉鵬，馬國(guó)遠(yuǎn)，許樹(shù)學(xué)，等.R1234yf和R134a制冷及制熱性能實(shí)驗(yàn)研究[J].制冷與空調(diào)（四川），2017，31（4）：435-440.

[6]BH Minor， D Herrmann， R Gravell. Flammability characteristics of HFO-1234yf[J].Process Safety Progress， 2010， 29（2）：150-154.