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电动汽车热泵空调冷媒研究进展
2021-09-15 22:48:55· 来源：AUTO行家
电动汽车具有高效利用能源和低碳排放的优点，近年来市场份额不断提升。目前电动车舱采暖多使用PTC 加热技术，会造成续航里程严重衰减，热泵技术由于具有较高的性
电动汽车具有高效利用能源和低碳排放的优点，近年来市场份额不断提升。目前电动车舱采暖多使用PTC 加热技术，会造成续航里程严重衰减，热泵技术由于具有较高的性能系数(COP) 而成为行业的研究热点。本文综述了近年来电动汽车热泵空调冷媒例如R134a、R1234yf、R744 和混合冷媒的研究进展，并对各种冷媒的前景和研发方向进行了探讨和展望。
关键词：电动汽车；热泵；冷媒；混合冷媒
作者：张凯， 欧阳洪生， 张董鑫， 管祥添， 管仲达， 李伟， 吴茜， 郭智恺
单位：1. 浙江省化工研究院有限公司；2. 含氟温室气体替代及控制处理国家重点实验室；3. 中化蓝天集团贸易有限公司
为了应对石油能源不可再生、环境污染等问题，开发电动汽车成为汽车行业的必然趋势。相较于传统燃油动力车，电动汽车具有环境污染小、噪声低、可回收制动和下坡能量以提高能源利用率的优点。由于电动汽车没有发动机作为空调压缩机的动力源，也不能提供汽车空调冬天制热用的热源，需要利用车载蓄电池实现采暖，而纯依靠PTC 电加热会使电动车续航里程减少35%以上。因此，如何在保障电动汽车舒适性的同时，利用热泵空调系统实现高效热管理成为一个亟待解决的问题。
不同于普通家用热泵空调，电动汽车热泵空调常采用三换热器的系统，以有效解决除霜除雾切换为制热模式时带来的车前窗“闪雾”问题，在保证空调性能的基础上，提高行驶的安全性，三换热器的电动汽车热泵系统流程图如图1所示。电动汽车热泵空调的性能受到多种因素的影响，例如冷媒的选择、冷媒充注量、蒸发器和冷凝器选型、压缩机转速及排量、系统结构形式等。其中，冷媒的选择对热泵系统设计和性能起到关键作用。
图1 电动汽车热泵空调系统原理图
电动汽车热泵空调系统最常用的冷媒为R134a。2006 年，欧盟议会正式通过了淘汰含氟气体的法规，规定自2011 年起新开发车型停止使用R134a，2017 年起新生产车辆停止使用R134a。霍尼韦尔、杜邦、英力士、山东东岳化工、苏州联氟化学等公司和各高校均开展了相应研究。目前，各种替代制冷工质各有其优缺点，美国主推HFO 类物质R1234yf，欧洲推崇天然制冷工质CO2，雷诺-日产联盟选择将R445A作为汽车空调制冷工质，除此之外，汽车空调的替代冷媒还包括R152a、R290 等，表1 为常见电动汽车热泵空调冷媒的基本物性。本文从冷媒特性及应用于汽车热泵空调的性能、存在的优缺点及可行性等方面，介绍电动汽车空调冷媒的研究进展。
01、HFC 类冷媒
R134a
R134a具有无色、无毒、不可燃、粘度低、汽化潜热高、比热大等特点，是目前发展中国家汽车空调中最常用的冷媒。但其温室效应潜能值高（GWP=1300），正面临削减，且不符合欧洲MAC指令中汽车空调冷媒GWP＜150的要求。
Direk 等通过实验研究了以R134a 为工作流体的汽车热泵（AHP）系统性能。研究结果显示，压缩机转速、环境温度是影响系统性能的主要因素，见图2和图3。冷凝器和蒸发器㶲处破坏是由冷媒与空气间的平均温差引起的，应在热交换器上进行改进。
图2 不同压缩机转速下R134a 热泵的制热能力
图3 不同压缩机转速下R134a热泵的能效
Qin 等设计了一种冷媒喷射空气源热泵系统，与传统系统相比，冷媒喷射系统的热容量提高了27%。当车内进风温度较高时，更大的喷油孔面积有利于提高车内进风加热能力。
由于R134a 存在比容随着环境温度降低而迅速增加、单位容积制热量较低的问题，环境温度降低会造成系统压缩机功率和COP 显著下降，因此使用R134a 热泵的电动汽车仍需配备辅助加热系统。
R152a
R152a 冷媒的临界温度略高于R134a，临界压力与R134a 接近。R152a 的优势在于GWP 值较低（138），其主要缺陷在于其安全等级为A2，存在可燃性。
Ghodbane对汽车空调中的部分冷媒进行了性能比较和热评价，结果表明，R152a 系统比R134a 系统具有更好的传热特性和更低的压降，压缩机排量相似，R152a 系统的压缩机放电温度更高。
Direk 等选用环保冷媒R152a 和R444A 作为R134a替代冷媒用于汽车空调时，对两者进行了制冷相关性能实验研究。结果表明，相同工况下，R152a 的制冷量和COP 均高于R444A 和R134a，R152a的破坏介于R134a和R444A之间。
综上所述，相较于R134a 系统，R152a 系统的COP 更高，具有更好的传热特性和更低的压降，但压缩机排气温度的提高也会影响压缩机耐久性和润滑油稳定性。目前的研究多采用二次回路系统（图4）来避免冷媒与乘客舱直接接触，以保证使用的安全。目前暂未有R152a 用于电动汽车热泵的报道。Scherer 等实验得出，使用R152a 热泵系统辅助加热可显著减少传统汽车客舱预热时间。
图4 二次回路设计
02、HFO 类冷媒（R1234yf）
R1234yf 的热物理性质与R134a 近似，经测试，其制冷量以及COP 等性能参数也与R134a 相近，可直接替代现有汽车空调中的R134a，且R1234yf毒性略低于R134a，存在微弱可燃性。
Vaghela对R1234yf 和其他几种工质进行了热力学仿真，R1234yf 排气温度比R134a 低16%，COP 比R134a低约6.3%，压力比R134a低7.4%。
Aral 等开发了一个实验性的汽车空调和热泵系统，对R134a 和R1234yf 冷媒热性能进行了测试。在热泵模式中，R1234yf 制热能力略高于R134a，COP 平均低3.6%，效率低于R134a。
Zou 等设计了带二次流体循环的R1234yf热泵测试系统。实验结果显示，R1234yf热泵系统的制热能力和COP 与R134a非常接近，提高电子膨胀阀开度有利于提高加热性能，低室外环境温度下R1234yf系统制热能力下降明显。
由于R1234yf与R134a性能接近，R1234yf替代R134a只需对系统作小的改变。但R1234yf与R134a都存在制热能力不足的问题，当环境温度等于或低于-10 ℃时，需要配备采用PTC加热。
03、自然工质
CO2
CO2（R744）冷媒环境性能优异、不燃无毒、运动粘度低、成本低。由于CO2在低环境温度下制热性能优异，近年来CO2热泵成为该领域的研究热点。
Kim等将CO2热泵系统用于燃料电池汽车的冷却和加热。通过对蒸发器和散热器进行改进，供暖能力增加了35%～54%，COP增加了16%～22%。
2018 年，王丹东等[23]在最低为-20 ℃的环境温度下研究了CO2汽车热泵的性能。蒸发温度每降低5 ℃，R134a 和CO2的吸气密度分别平均降低18%和15%，低温下，CO2工质的热泵系统流量、制热量均高于R134a，见图5。
图5 CO2 和R134a 的吸气密度与Te 的关系
通过对系统元件和循环模式进行设计，采用CO2工质的电动汽车热泵系统比传统采用R134a的系统性能更优异，但其不足之处在于临界温度低（仅31.1 ℃）、跨临界循环压力高（7.4 MPa）、压比小、节流损失大，其压缩机和热泵系统成本高。
R290
R290（丙烷）属于天然工质，无毒、价格低廉，具有优异的环保性能、热力学性能和电绝缘性能，化学性质稳定，对金属无腐蚀作用。其缺点是在空气中爆炸极限范围为2.1%～9.5%（体积百分比），存在燃爆可能。
Shi等[24]对电动汽车热泵系统中的冷媒R134a、R407C、R290进行了理论分析。仿真结果表明，与R134a 相比，R290 系统的制热能力显著提高了51.3%，COP提高了3.7%。
Liu 等研究了室外环境温度、室内循环空气比、压缩机转速、室内风量流量和室外风量对电动汽车丙烷移动式热泵系统性能的影响。结果显示，室外温度和室内风量流量对系统COP 影响较大。
综上所述，室外环境温度在-10 ℃以上时，从性能和成本方面考虑，R290热泵系统可能是电动汽车的最佳解决方案。仍存在的问题为R290 在R134a 压缩机中测试时压缩机耗功偏高，COP 略低，需要进一步设计降低耗功的R290 专用压缩机；R290 的工作压力略高于R134a，需要对连接橡胶软管的系统进行优化，以承受压力；R290 的点火温度一般在600 ℃以上，其辐射通量随着流量的增大而显著增加，为防止R290 燃爆，需要设计一系列的安全防范措施。
04、混合冷媒
R410A 工质研究进展
R410A 的标准沸点为-51.6 ℃，相较于R134a（沸点为-26.2 ℃）更加适合应用于低温工况，常用于空调用截止阀、球阀等阀件，起密封作用的O形圈材料氢化丁腈橡胶（HNBR）与R410A 及其冷冻油兼容性良好。
陈凯胜等测试了R134a、R407C、R410A 对热泵空调制热性能的影响。在环境温度为-15 ℃时，仅R410A 工质能使车室内温度上升到18 ℃，见图6。
图6 不同工质下车室内升温情况（环境温度-15 ℃）
吴会丽等从理论分析和实验测试两方面对比R410A 与R134a 的冷媒特性及低温性能。实验结果表明，在相同两器配置下，R410A 热泵汽车空调系统可以减少压缩机排量和冷媒灌注量，同时低温制热量有大幅度提升，见图7。
图7 R134a 与R410A 系统的制热量、能效对比
R410A 已有成熟的电动汽车热泵系统，制热制冷性能均可满足电动汽车需求，但其GWP 值很高，为2088，面临削减。R410A 作为冷媒时系统运行压力略高，需要开发相应高耐压的关键元器件，比如电磁阀、蒸发器、冷凝器等。
R445A 工质研究进展
R445A的沸点为-21.5℃，燃烧性较弱，在-20℃工况下性能良好。Raabe[30]通过分子模拟对冷媒混合物R445A的气液平衡、密度和粘度进行了预测。
Devecio lu等[31]在蒸发温度分别为-5 ℃和5 ℃，冷凝温度分别为30 ℃和60 ℃的条件下，对R1234yf、R444A 和R445A 冷媒进行热力学评估。结果显示，R445A 的制冷量高于R1234yf，但COP低于R1234yf。
Musser 等[32]用混合冷媒R134a/R744(配比为94％/6％)代替R445A（R1234ze(E)/R134a/R744 配比为85%/9%/6%）开展实验。发现在室外环境温度为-20 ℃～-10 ℃时，R134a/R744 系统比R134a系统的制热量高15％～50%；在室外温度为-20 ℃时，R134a系统无法正常工作，而R134a/R744 系统还可以获得将近3.5 kW 的热量。结果见图8。
图8 R134a 与R134a/R744 混合冷媒制热性能对比
综上所述，目前R445A 电动汽车热泵综合性能不及R1234yf 和R744，但其燃烧性低、低温下制热性能优良以及对热泵系统部件要求较低，是一种潜在的替代工质。
其他混合冷媒研究进展
王秋实等开展了R1234yf/R134a配比为56/44（即R513A）和配比为89/11 的混配工质的制冷制热工况实验。制冷工况下，环境温度改变对最佳电子膨胀阀开度影响不大；制热工况下，随工况温度的降低，对应最佳膨胀阀开度降低。张耘等[8]研究了在不同压缩机转速、不同混合比例下R134a/R32混合冷媒在汽车空调中的制热性能。相对于R134a 系统，混合冷媒空调系统制热量增加约14.0％～17.1％，COP 提升4.3％～14％。
俞彬彬等对CO2、R41 和几种CO2-R41 共混物在汽车空调和热泵系统中的应用性能开展研究。结果表明，随CO2质量分数的增加，系统制热量逐渐增大，COP 逐渐减小，压缩机功率和冷媒质量流量均增大，结果见图9。
图9 压缩机转速和R41 质量分数对系统制热性能的影响
为满足电动汽车冷媒要求，近年来混合冷媒逐步成为研究热点，常用的组元有R134a、R1234yf、R32、R152a、R290、R744 等，通过采用优势互补的原则来弥补单工质的局限性，从而使混合工质兼顾热物性、环保和安全性。
05、结论与展望
理想的电动汽车热泵空调冷媒要求为：零ODP 值、低GWP 值、无毒、不可燃、制冷制热循环性能优异、原料易得且成本低廉。目前电动汽车热泵空调冷媒大多采用R134a，但由于其GWP 值为1300，远高于欧洲等主要国家对冷媒GWP 值的限定，在出口方面受限，同时当外界温度较低时，R134a系统制热量衰减明显，因此开发高效环保的电动汽车热泵冷媒迫在眉睫。目前研究热点集中在R1234yf 和CO2，这两种冷媒因基础物性特点，分别存在制热性能不足和排气压力过高等缺点，严重影响其大规模应用。
在政策法规的推动下，冷媒替代主流是使用天然冷媒、HFOs 及其混合冷媒，目前的电动汽车热泵冷媒仍存在局限性，无法满足理想冷媒的要求。鉴于单工质的开发难度大，以及专利限制等因素，通过优势互补开发新型环保混合冷媒是有效的应对措施，也是该领域的发展趋势之一。
来源：浙江化工
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