電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)冷媒研究進(jìn)展

張 凱，歐陽(yáng)洪生，張董鑫，管祥添，管仲達(dá)，李 偉，吳 茜，郭智愷*

（1.浙江省化工研究院有限公司，浙江 杭州 310023；2.含氟溫室氣體替代及控制處理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310023；3.中化藍(lán)天集團(tuán)貿(mào)易有限公司，浙江 杭州 310051）

為了應(yīng)對(duì)石油能源不可再生、環(huán)境污染等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車(chē)成為汽車(chē)行業(yè)的必然趨勢(shì)。相較于傳統(tǒng)燃油動(dòng)力車(chē)，電動(dòng)汽車(chē)具有環(huán)境污染小、噪聲低、可回收制動(dòng)和下坡能量以提高能源利用率的優(yōu)點(diǎn)。由于電動(dòng)汽車(chē)沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)作為空調(diào)壓縮機(jī)的動(dòng)力源，也不能提供汽車(chē)空調(diào)冬天制熱用的熱源，需要利用車(chē)載蓄電池實(shí)現(xiàn)采暖，而純依靠PTC 電加熱會(huì)使電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)航里程減少35%以上[1]。因此，如何在保障電動(dòng)汽車(chē)舒適性的同時(shí)，利用熱泵空調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效熱管理成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

不同于普通家用熱泵空調(diào)，電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)常采用三換熱器的系統(tǒng)，以有效解決除霜除霧切換為制熱模式時(shí)帶來(lái)的車(chē)前窗“閃霧”問(wèn)題，在保證空調(diào)性能的基礎(chǔ)上，提高行駛的安全性，三換熱器的電動(dòng)汽車(chē)熱泵系統(tǒng)流程圖如圖1 所示。電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)的性能受到多種因素的影響，例如冷媒的選擇、冷媒充注量[2]、蒸發(fā)器和冷凝器選型、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速及排量[3-4]、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式[5-7]等。其中，冷媒的選擇對(duì)熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)和性能起到關(guān)鍵作用。

圖1 電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)原理圖

電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)最常用的冷媒為R134a[8]。2006 年，歐盟議會(huì)正式通過(guò)了淘汰含氟氣體的法規(guī)，規(guī)定自2011 年起新開(kāi)發(fā)車(chē)型停止使用R134a，2017 年起新生產(chǎn)車(chē)輛停止使用R134a[9]?；裟犴f爾、杜邦、英力士、山東東岳化工、蘇州聯(lián)氟化學(xué)等公司[10]和各高校均開(kāi)展了相應(yīng)研究。目前，各種替代制冷工質(zhì)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，美國(guó)主推HFO 類(lèi)物質(zhì)R1234yf，歐洲推崇天然制冷工質(zhì)CO2，雷諾-日產(chǎn)聯(lián)盟選擇將R445A作為汽車(chē)空調(diào)制冷工質(zhì)[11]，除此之外，汽車(chē)空調(diào)的替代冷媒還包括R152a、R290 等，表1 為常見(jiàn)電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)冷媒的基本物性。本文從冷媒特性及應(yīng)用于汽車(chē)熱泵空調(diào)的性能、存在的優(yōu)缺點(diǎn)及可行性等方面，介紹電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)冷媒的研究進(jìn)展。

表1 電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)冷媒基本物性

1 HFC 類(lèi)冷媒

1.1 R134a

R134a 具有無(wú)色、無(wú)毒、不可燃、粘度低、汽化潛熱高、比熱大等特點(diǎn)，是目前發(fā)展中國(guó)家汽車(chē)空調(diào)中最常用的冷媒。但其溫室效應(yīng)潛能值高（GWP=1300），正面臨削減，且不符合歐洲MAC指令中汽車(chē)空調(diào)冷媒GWP＜150 的要求。

Direk 等[12]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了以R134a 為工作流體的汽車(chē)熱泵（AHP）系統(tǒng)性能。研究結(jié)果顯示，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、環(huán)境溫度是影響系統(tǒng)性能的主要因素，見(jiàn)圖2 和圖3。冷凝器和蒸發(fā)器處破壞是由冷媒與空氣間的平均溫差引起的，應(yīng)在熱交換器上進(jìn)行改進(jìn)。

圖2 不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下R134a 熱泵的制熱能力[12]

圖3 不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下R134a 熱泵的能效[12]

Qin 等[13]設(shè)計(jì)了一種冷媒噴射空氣源熱泵系統(tǒng)，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，冷媒噴射系統(tǒng)的熱容量提高了27%。當(dāng)車(chē)內(nèi)進(jìn)風(fēng)溫度較高時(shí)，更大的噴油孔面積有利于提高車(chē)內(nèi)進(jìn)風(fēng)加熱能力。

由于R134a 存在比容隨著環(huán)境溫度降低而迅速增加、單位容積制熱量較低的問(wèn)題，環(huán)境溫度降低會(huì)造成系統(tǒng)壓縮機(jī)功率和COP 顯著下降，因此使用R134a 熱泵的電動(dòng)汽車(chē)仍需配備輔助加熱系統(tǒng)[13]。

1.2 R152a

R152a 冷媒的臨界溫度略高于R134a，臨界壓力與R134a 接近。R152a 的優(yōu)勢(shì)在于GWP 值較低（138），其主要缺陷在于其安全等級(jí)為A2，存在可燃性。

Ghodbane[14]對(duì)汽車(chē)空調(diào)中的部分冷媒進(jìn)行了性能比較和熱評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，R152a 系統(tǒng)比R134a 系統(tǒng)具有更好的傳熱特性和更低的壓降，壓縮機(jī)排量相似，R152a 系統(tǒng)的壓縮機(jī)放電溫度更高。

Direk 等[15]選用環(huán)保冷媒R152a 和R444A 作為R134a 替代冷媒用于汽車(chē)空調(diào)時(shí)，對(duì)兩者進(jìn)行了制冷相關(guān)性能實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，相同工況下，R152a 的制冷量和COP 均高于R444A 和R134a，R152a 的破壞介于R134a 和R444A 之間。

綜上所述，相較于R134a 系統(tǒng)，R152a 系統(tǒng)的COP 更高，具有更好的傳熱特性和更低的壓降，但壓縮機(jī)排氣溫度的提高也會(huì)影響壓縮機(jī)耐久性和潤(rùn)滑油穩(wěn)定性。目前的研究多采用二次回路系統(tǒng)（圖4）來(lái)避免冷媒與乘客艙直接接觸[14]，以保證使用的安全。目前暫未有R152a 用于電動(dòng)汽車(chē)熱泵的報(bào)道。Scherer 等[16]實(shí)驗(yàn)得出，使用R152a 熱泵系統(tǒng)輔助加熱可顯著減少傳統(tǒng)汽車(chē)客艙預(yù)熱時(shí)間。

圖4 二次回路設(shè)計(jì)[14]

2 HFO 類(lèi)冷媒（R1234yf）

R1234yf 的熱物理性質(zhì)與R134a 近似，經(jīng)測(cè)試，其制冷量以及COP 等性能參數(shù)也與R134a 相近，可直接替代現(xiàn)有汽車(chē)空調(diào)中的R134a[17]，且R1234yf 毒性略低于R134a[18]，存在微弱可燃性[19]。

Vaghela[19]對(duì)R1234yf 和其他幾種工質(zhì)進(jìn)行了熱力學(xué)仿真，R1234yf 排氣溫度比R134a 低16%，COP 比R134a 低約6.3%，壓力比R134a 低7.4%。

Aral 等[20]開(kāi)發(fā)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的汽車(chē)空調(diào)和熱泵系統(tǒng)，對(duì)R134a 和R1234yf 冷媒熱性能進(jìn)行了測(cè)試。在熱泵模式中，R1234yf 制熱能力略高于R134a，COP 平均低3.6%，效率低于R134a。

Zou 等[21]設(shè)計(jì)了帶二次流體循環(huán)的R1234yf熱泵測(cè)試系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，R1234yf 熱泵系統(tǒng)的制熱能力和COP 與R134a 非常接近，提高電子膨脹閥開(kāi)度有利于提高加熱性能，低室外環(huán)境溫度下R1234yf 系統(tǒng)制熱能力下降明顯。

由于R1234yf 與R134a 性能接近，R1234yf 替代R134a 只需對(duì)系統(tǒng)作小的改變。但R1234yf 與R134a 都存在制熱能力不足的問(wèn)題[20]，當(dāng)環(huán)境溫度等于或低于-10 ℃時(shí)，需要配備采用PTC 加熱[21]。

3 自然工質(zhì)

3.1 CO2

CO2（R744）冷媒環(huán)境性能優(yōu)異、不燃無(wú)毒、運(yùn)動(dòng)粘度低、成本低。由于CO2在低環(huán)境溫度下制熱性能優(yōu)異，近年來(lái)CO2熱泵成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

Kim 等[22]將CO2熱泵系統(tǒng)用于燃料電池汽車(chē)的冷卻和加熱。通過(guò)對(duì)蒸發(fā)器和散熱器進(jìn)行改進(jìn)，供暖能力增加了35%～54%，COP 增加了16%～22%。

2018 年，王丹東等[23]在最低為-20 ℃的環(huán)境溫度下研究了CO2汽車(chē)熱泵的性能。蒸發(fā)溫度每降低5 ℃，R134a 和CO2的吸氣密度分別平均降低18%和15%，低溫下，CO2工質(zhì)的熱泵系統(tǒng)流量、制熱量均高于R134a，見(jiàn)圖5。

圖5 CO2 和R134a 的吸氣密度與Te 的關(guān)系[23]

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)元件和循環(huán)模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用CO2工質(zhì)的電動(dòng)汽車(chē)熱泵系統(tǒng)比傳統(tǒng)采用R134a 的系統(tǒng)性能更優(yōu)異，但其不足之處在于臨界溫度低（僅31.1 ℃）、跨臨界循環(huán)壓力高（7.4 MPa）、壓比小、節(jié)流損失大[23]，其壓縮機(jī)和熱泵系統(tǒng)成本高。

3.2 R290

R290（丙烷）屬于天然工質(zhì)，無(wú)毒、價(jià)格低廉，具有優(yōu)異的環(huán)保性能、熱力學(xué)性能和電絕緣性能，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，對(duì)金屬無(wú)腐蝕作用。其缺點(diǎn)是在空氣中爆炸極限范圍為2.1%～9.5%（體積百分比），存在燃爆可能。

Shi 等[24]對(duì)電動(dòng)汽車(chē)熱泵系統(tǒng)中的冷媒R134a、R407C、R290 進(jìn)行了理論分析。仿真結(jié)果表明，與R134a 相比，R290 系統(tǒng)的制熱能力顯著提高了51.3%，COP 提高了3.7%。

Liu 等[25]研究了室外環(huán)境溫度、室內(nèi)循環(huán)空氣比、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、室內(nèi)風(fēng)量流量和室外風(fēng)量對(duì)電動(dòng)汽車(chē)丙烷移動(dòng)式熱泵系統(tǒng)性能的影響。結(jié)果顯示，室外溫度和室內(nèi)風(fēng)量流量對(duì)系統(tǒng)COP 影響較大。

綜上所述，室外環(huán)境溫度在-10 ℃以上時(shí)，從性能和成本方面考慮，R290 熱泵系統(tǒng)可能是電動(dòng)汽車(chē)的最佳解決方案。仍存在的問(wèn)題為R290 在R134a 壓縮機(jī)中測(cè)試時(shí)壓縮機(jī)耗功偏高，COP 略低，需要進(jìn)一步設(shè)計(jì)降低耗功的R290 專(zhuān)用壓縮機(jī)；R290 的工作壓力略高于R134a，需要對(duì)連接橡膠軟管的系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以承受壓力；R290 的點(diǎn)火溫度一般在600 ℃以上，其輻射通量隨著流量的增大而顯著增加[26]，為防止R290 燃爆，需要設(shè)計(jì)一系列的安全防范措施。

4 混合冷媒

4.1 R410A 工質(zhì)研究進(jìn)展

R410A 的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)為-51.6 ℃，相較于R134a（沸點(diǎn)為-26.2 ℃）更加適合應(yīng)用于低溫工況，常用于空調(diào)用截止閥、球閥等閥件，起密封作用的O形圈材料氫化丁腈橡膠（HNBR）與R410A 及其冷凍油兼容性良好[27]。

陳凱勝等[28]測(cè)試了R134a、R407C、R410A 對(duì)熱泵空調(diào)制熱性能的影響。在環(huán)境溫度為-15 ℃時(shí)，僅R410A 工質(zhì)能使車(chē)室內(nèi)溫度上升到18 ℃，見(jiàn)圖6。

圖6 不同工質(zhì)下車(chē)室內(nèi)升溫情況（環(huán)境溫度-15 ℃）[28]

吳會(huì)麗等[29]從理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試兩方面對(duì)比R410A 與R134a 的冷媒特性及低溫性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同兩器配置下，R410A 熱泵汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)可以減少壓縮機(jī)排量和冷媒灌注量，同時(shí)低溫制熱量有大幅度提升，見(jiàn)圖7。

圖7 R134a 與R410A 系統(tǒng)的制熱量、能效對(duì)比[29]

R410A 已有成熟的電動(dòng)汽車(chē)熱泵系統(tǒng)，制熱制冷性能均可滿足電動(dòng)汽車(chē)需求，但其GWP 值很高，為2088，面臨削減。R410A 作為冷媒時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行壓力略高，需要開(kāi)發(fā)相應(yīng)高耐壓的關(guān)鍵元器件，比如電磁閥、蒸發(fā)器、冷凝器等。

4.2 R445A 工質(zhì)研究進(jìn)展

R445A 的沸點(diǎn)為-21.5 ℃，燃燒性較弱，在-20 ℃工況下性能良好。Raabe[30]通過(guò)分子模擬對(duì)冷媒混合物R445A 的氣液平衡、密度和粘度進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

Devecio lu 等[31]在蒸發(fā)溫度分別為-5 ℃和5 ℃，冷凝溫度分別為30 ℃和60 ℃的條件下，對(duì)R1234yf、R444A 和R445A 冷媒進(jìn)行熱力學(xué)評(píng)估。結(jié)果顯示，R445A 的制冷量高于R1234yf，但COP低于R1234yf。

Musser 等[32]用混合冷媒R134a/R744(配比為94%/6%)代替R445A（R1234ze(E)/R134a/R744 配比為85%/9%/6%）開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)在室外環(huán)境溫度為-20 ℃～-10 ℃時(shí)，R134a/R744 系統(tǒng)比R134a系統(tǒng)的制熱量高15%～50%；在室外溫度為-20 ℃時(shí)，R134a 系統(tǒng)無(wú)法正常工作，而R134a/R744 系統(tǒng)還可以獲得將近3.5 kW 的熱量。結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 R134a 與R134a/R744 混合冷媒制熱性能對(duì)比[32]

綜上所述，目前R445A 電動(dòng)汽車(chē)熱泵綜合性能不及R1234yf 和R744，但其燃燒性低、低溫下制熱性能優(yōu)良以及對(duì)熱泵系統(tǒng)部件要求較低，是一種潛在的替代工質(zhì)。

4.3 其他混合冷媒研究進(jìn)展

王秋實(shí)等[33]開(kāi)展了R1234yf/R134a 配比為56/44（即R513A）和配比為89/11 的混配工質(zhì)的制冷制熱工況實(shí)驗(yàn)。制冷工況下，環(huán)境溫度改變對(duì)最佳電子膨脹閥開(kāi)度影響不大；制熱工況下，隨工況溫度的降低，對(duì)應(yīng)最佳膨脹閥開(kāi)度降低。張?jiān)诺萚8]研究了在不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、不同混合比例下R134a/R32 混合冷媒在汽車(chē)空調(diào)中的制熱性能。相對(duì)于R134a 系統(tǒng)，混合冷媒空調(diào)系統(tǒng)制熱量增加約14.0%～17.1%，COP 提升4.3%～14%。

俞彬彬等[34]對(duì)CO2、R41 和幾種CO2-R41 共混物在汽車(chē)空調(diào)和熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用性能開(kāi)展研究。結(jié)果表明，隨CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，系統(tǒng)制熱量逐漸增大，COP 逐漸減小，壓縮機(jī)功率和冷媒質(zhì)量流量均增大，結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和R41 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)系統(tǒng)制熱性能的影響[34]

為滿足電動(dòng)汽車(chē)?yán)涿揭?，近年?lái)混合冷媒逐步成為研究熱點(diǎn)，常用的組元有R134a、R1234yf、R32、R152a、R290、R744 等[35]，通過(guò)采用優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的原則來(lái)彌補(bǔ)單工質(zhì)的局限性，從而使混合工質(zhì)兼顧熱物性、環(huán)保和安全性。

5 結(jié)論與展望

理想的電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)冷媒要求為：零ODP 值、低GWP 值、無(wú)毒、不可燃、制冷制熱循環(huán)性能優(yōu)異、原料易得且成本低廉。目前電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)冷媒大多采用R134a，但由于其GWP 值為1300，遠(yuǎn)高于歐洲等主要國(guó)家對(duì)冷媒GWP 值的限定，在出口方面受限，同時(shí)當(dāng)外界溫度較低時(shí)，R134a 系統(tǒng)制熱量衰減明顯，因此開(kāi)發(fā)高效環(huán)保的電動(dòng)汽車(chē)熱泵冷媒迫在眉睫。目前研究熱點(diǎn)集中在R1234yf 和CO2，這兩種冷媒因基礎(chǔ)物性特點(diǎn)，分別存在制熱性能不足和排氣壓力過(guò)高等缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響其大規(guī)模應(yīng)用。

在政策法規(guī)的推動(dòng)下，冷媒替代主流是使用天然冷媒、HFOs 及其混合冷媒[36-37]，目前的電動(dòng)汽車(chē)熱泵冷媒仍存在局限性，無(wú)法滿足理想冷媒的要求。鑒于單工質(zhì)的開(kāi)發(fā)難度大，以及專(zhuān)利限制等因素，通過(guò)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)開(kāi)發(fā)新型環(huán)?；旌侠涿绞怯行У膽?yīng)對(duì)措施，也是該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)之一。