基于R410A的汽车热泵系统挑战-30℃的极端环境下加热客舱

摘    要

为了满足电动汽车(BEV)的低温环境挑战，有必要在HVAC系统上使用热泵（H/P）。然而，由于常规制冷剂R134A/ R1234YF的沸点限制，即使增加了蒸汽喷射循环(VI)，由于-26℃的沸腾温度(BT)限制，尽管蒸汽喷射热泵(VIH/P)可以在环境温度-18℃时达到COP≥1.7，但要满足-30℃或更低的环境温度下的使用需求时仍存在许多困难。一种低BT制冷剂—R410A组合蒸汽喷射循环，在极低环境(如-30℃)下有一定的泵热潜力。为了了解R410A+VI的实际加热性能，对由传统车辆(ICE燃气供暖)、带PTC水热系统的纯电动汽车(R134A)和带VI热泵系统的纯电动汽车(R410A)组成的三辆试验车进行道路测试，并进行比较。测试区域覆盖了中国最冷的城市，如哈尔滨(-20℃)、牙克石(-39℃)等。基于R410A的VIH/P客舱加热系统的道路测试有着不错的表现，基本上满足了乘客舒适度和除雾/除霜的要求。本文对实验的相关信息进行了阐述，包括车辆信息、热泵系统、使用的部件等。同时也揭示了在R410A车用暖通空调系统应用中引起的一些环境问题。

01  背    景

全球范围内正掀起一阵纯电动汽车取代传统内燃机汽车的大浪潮。然而，由于低温对电池输出性能的影响，在低温环境下，电动汽车即要保持足够巡航里程又要使客舱充分加热是一大技术考验。这意味着，虽然热泵系统起到了一定作用，但仍然不满足低温环境下的需求。给人的印象是，以R134a/R1234yf为制冷剂的常规热泵系统在低于10℃的环境条件下就很难运行。在纯电动汽车开发的早期阶段，汽车制造商通常采用常规的R134a制冷回路在炎热的天气为机舱降温，并在寒冷的天气使用PTC加热器为客舱加热。然而，PTC加热器会消耗相当多的能源。据2010年有关报道，在正常环境下，BEV的巡航距离达到160公里，但在0℃时，距离急剧下降到不到60公里，这是由于PTC加热器需要5000W的功率提供加热。近年来，世界上许多车企都在努力提升电车在寒冷环境下的表现。2016年，Zhai发表了“蒸汽喷射循环势能在BEV MAC系统上的潜在应用”，指出在热泵系统上采用蒸汽喷射循环可能是一个现实的解决方案，可以覆盖更大的BEV冬季运行工况，H/P+VI循环在环境-18℃时可达到COP≥1.7，并可产生高达40-70%的加热效率。之后，汽车制造商开始装配基于R134a的H/P系统，以提供更好的加热解决方案。2014年，为了提高冬季的巡航距离，BMW i3采用了H/P加热，因为H/P加热将使加热功率从5000W减少到2500W，减少了50%。然而值得注意的是，在环境-10℃时，H/P将被关闭，并切换到电加热器。2017年，Yoshiaki Harakawa等人报道了一款基于VI的ESBG27压缩机(HFC134a/HFO1234yf)，“可以安装在汽车上”，在10℃环境下“加热性能提高26%”，“在5℃时减少63%的能耗”，可以代替PTC加热。值得注意的是，“-10℃”似乎是目标操作环境条件。到目前为止，VI热回路的参与表明纯电动汽车的客舱加热方法已经达到了一个复杂的技术阶段。然而，车用暖通空调制冷剂的选择仍然受到传统选择的限制，即R134a/R1234yf和R744。R134a/R1234yf的一个关键问题是低温H/P环境下的高沸点(-26.4℃和-29.4℃)(表1)，即使采用VI也无法克服，这导致人们普遍认识到R134A/R1234YF的环境适用性实际仅在-18℃左右。另外，由于GWP 指数高达1430，R134a在未来可能会被禁用。有着超低GWP的R744，是低环境堆泵的理想制冷剂，但由于成本较高，迄今为止未能得到大多数汽车制造商的认可。

02  R410A热泵系统适用于-30℃极端工况

R410A是一种近沸点二元混合制冷剂，已在世界范围内广泛应用于住宅空调。R410A的沸点温度为-51.4℃，结合VI循环和H/P系统有着极大的潜力。然而，值得注意的是:传统上，汽车只使用纯质制冷剂，如R12、R134A、R1234YF和CO2等，从不使用混合制冷剂。R410A的GWP值高于R134A，这可能会引起人们对环境的担忧。(在本文后面的章节中，我们将讨论R410A H/P应用于汽车的环境问题)。比亚迪和北汽一直在合作开展基于R410A的纯电动汽车H/P+VI加热研究，以应对极端环境的挑战。

表1 制冷剂性能比较

图1 住宅空调系统常用制冷剂R404A、R407A

实验车队由3辆车组成，目的是进行道路试验。具体如下:

1、传统车辆（ICE、水加热)

道路测试于2018年1月在中国牙克石(-39℃)进行。此外，还在中国哈尔滨(-24℃)、中国长春(-18℃)进行了道路测试。从试验结果来看，R410A VI客舱加热系统基本满足了所有乘客的舒适性要求，并且除霜除雾效果良好。R410A VIH/P系统似乎能够满足-30℃的极端工况需求。

纯电动汽车比亚迪e5测试信息

选择比亚迪电动车e5作为搭载三种车载加热的平台。e5的基本信息见表2。图2是这辆车的照片。测试车队由三辆e5汽车组成，分别配备不同的加热系统。

表2  试验电动车BYD-e5详情

图2 BYD-e5样车实拍

03 客舱舒适性加热方法研究

目前，车用暖通空调系统有三种采暖模式:PTC空气加热器、PTC热水器(图3)和H/P采暖(表3)。在对每种采暖模式的优缺点进行筛选后，从采暖能力、人体舒适度、能效等方面进行比较，得出H/P采暖模式胜出，总得分为+4(表4)。

图3 试验车所用PTC空气加热器（上）和水加热器（下）

表3 三种加热方式比较

表4 环境仓内试验结果

04 关于准双级压缩热泵系统-蒸汽注入循环

作为经典双级压缩H/P系统的替代设计，安装H/P原理图如图4所示。与图[6]中使用两台压缩机形成双级压缩相比，为了降低成本，只使用一台压缩机，通过优化元件布置和电路，形成准双级压缩回路。在图4中，闪蒸中间冷却器5用于分离液汽，并将EXV A后的蒸汽引导至端口6进行第一级压缩;5处的液体将由EXV B进行节流，然后进入蒸发器并返回端口1的压缩机进行进一步压缩。此外，为了合理控制蒸发温度，还安装了两个电子热膨胀阀(EXV A、EXV B)。

图4 双级压缩热泵原理图

05 H/P系统加热性能环境室验证试验比较

常规热泵和水加热器进行比较

在进行机载试验之前，需要进行实验室实验，以确认H/P系统的实际性能(图5)。评价实验在环境箱中进行，在环境温度为7℃、2℃和15℃的条件下，比较基础水加热系统与对比H/P系统的差异(表4)。对比试验结果(表4)表明，与常规水加热相比，H/P在COP和供热能力上均具有显著优势。例如，在15℃条件下，与水加热系统相比，H/P总体提高了33.3%。

常规热泵和双级压缩热泵进行比较

此外，还进行了一组对比测试，以评估单级压缩H/P和双级压缩H/P(也称为闪蒸系统)之间的差异，以选择哪一种应用于机载以实现最大效益。通过评价实验发现，结果如图6所示，表明双压缩H/P在容量和COP上都有相当大的优势。在25℃蒸发工况下，VI H/P的制热能力比H/P高30%左右，COP比H/P好20%。测试结果帮助我们决定下一步的车载道路测试，并为双压缩H/P的应用铺平道路。VI H/P最终安装在汽车上，将以最佳性能突破-30℃的极寒屏障。

图5 环境仓内热系统评价试验

图6 双级压缩热泵在容量和COP方面具有显著优势

在道路试验之前，已经完成了实验室性能对比试验，以发掘VI循环可能带来的好处。如图6所示，展示了常规系统和VI系统的热容量和COP并进行比较。在25℃的条件下，VI在加热方面的优势增加了40%，在COP方面的优势增加了18%，这对于鼓励开发人员将VI改装到车上以进行进一步的道路测试非常有意义。

06  “挑战极寒”道路对比测试

本文将部分报道路试细节。牙克石是中国的一个非常寒冷的地区(经度120.73/纬度49.28)，1月份平均最低气温和最高气温为-33℃/-21℃。于牙克石来研究系统在环境温度下的驾驶情况（-30℃左右）。一般来说，车辆在路上行驶时都是同一工况，一辆接着一辆;在同一时间，以相同的速度，相同的负载，并设置24℃为客舱舒适控制。

表5 在牙克石进行的道路试验结果

表5是比较水加热和VI H/P的道路试验总结。从表中可以看出，与常规供暖相比，VI热泵系统在节能31.1% (5.064 vs 7.374 kwh)和平均节能31.6% (2523 vs 3687 w)方面明显胜出。在图7中，在20℃的环境温度下，可以发现H/P接近足部空气温度下的PTC(蓝色与浅蓝色线)。同时，采用的H/P平均功率在2500瓦左右，与PTC的4000瓦形成对比，持续时间约为2小时。看起来，VI H/P能够保持与PTC相似的舒适度，但显著降低了37.5%的功耗。在图8中，在-30℃的环境温度下(蓝色粗线)，我们发现，在PTC加热，发动机水加热和VI H/P(绿色粗线)之间，H/P的足部温度更好或接近发动机加和水加热。在机舱空气温度对比中，前十分钟，PTC表现最好，发动机水加热次之，H/P略差。直到大约在驾驶40分钟时，H/P达到了与其他相似的水平。虽然还不够完美，但在-30℃的温度下，舱内的热舒适性是可以接受的，值得在组件或系统回路上进一步优化。从技术角度来看，在-30℃的极端环境下，VI H/P加热回路似乎基本上达到了客舱加热目标。

图7 双级压缩热泵道路试验验证

表6 除霜比较：双级压缩热泵vs发动机vs水暖

07  除霜和除雾测试:热泵Vs PTC Vs水加热

除了加热性能外，作为客舱护理的重要组成部分，有必要了解VI H/P在极端寒冷环境下的除霜和除霜性能。在同一行程的道路试验中，这些工程已在雅克石完成。对比试验的评价条件见表6。

在图8中，上面的两张照片显示了除雾后左侧窗户和挡风玻璃左前侧的结果视图。H / P加热与下面两张照片相反，这两张照片显示的是常规方式除雾的情况。结果表明，H/P除雾效果良好，甚至优于水加热。

图8 热泵系统除雾效果明显好于水暖

在冬季，挡风玻璃除霜是非常重要的，使车辆可以从停放状态尽快行驶。特别是发动机怠速时的除霜速度受到更多的关注，因为发动机低速旋转往往导致供热不足，与车辆运行状态相比，除霜速度较慢。因此，除霜测试通常在车辆空转进行。在图9中，左图两张是H/P车，右图两张是发动机加热车。除霜15分钟后，H/P风挡玻璃清晰度明显优于发动机(HAC)，说明H/P系统除霜效果较好。

图9 热泵除霜效果好于发动机

08  R410A环境问题的讨论

如前所述，R410A的GWP值为2088，高于R134A和R1234YF，但低于应用R404A和R407A的住宅H/P产品。此外，事实上，R410A从未用于汽车应用。与此同时，事实也是，到目前为止，EPA并没有明确的信息在一定的时间表内禁止R410A。为了找出R-410A的LCCP环境特征，人们做了大量的工作，从GREEN-MAC-LCCP (V3)中找出CO2-eq值。不幸的是，由于R410A从未在汽车应用中使用，因此到目前为止，在短时间内分配答案似乎非常困难。相反，我们从ASHRAE和Purdue e-publication等其他资源中集中检索了与R410A CO2-eq相关的一些有用的技术线索，引文已列在本文的参考文献列表中。例如， Pham, Hung等人发现，R410A与R32相比，除了GWP之外还有许多优点。与CO2相比，在成本、效率和系统成本上有三个优势。还发现，在3吨H/P系统上，R410A的LCCP与R1234YF相似，为100%至100.1%(图11)。另一篇发现R410A的总寿命排放量接近R1234YF，为112.568 ~ 104.935 kg CO2-eq(图12)，这可能表明R410A具有被汽车行业接受的潜力。

图10 R410A与其他制冷剂优劣对比

图11 R410A与R1234YF具有相似的LCCP

图12 R410A全生命周期排放量接近R1234YF

结论与展望

1. 本文报道了基于R410A的VI H/P系统在极寒地区的一系列实验室和道路试验的实验工作和结果。

2. 道路测试基本上证明了VI H/P系统能够在-30℃的环境中实现为乘客提供舒适和安全的供暖目标，包括除雾和除霜功能。

3. 热泵系统比普通的空调系统复杂，特别是在控制逻辑、耐久性和系统校准方面，值得未来进行更多的优化工作。

4. 下一步，为了获得更好的COP，有必要同时提高热交换器容量和压缩机效率。

5. 由于更高的GWP值，值得讨论R410A的环境问题。值得注意的是，世界上已经有很多厂家在其系列产品上使用了R404A、R407A等类似的制冷剂。

6. R410A似乎值得在汽车应用上进行可行性研究。

7. R32 +VI可作为汽车HVAC应用的替代制冷剂。

ZHAI K, CHEN X. R410A based Automotive Heat Pump System That Hits Cabin Heating Goal Successfully in -30 °C Extreme Ambient [Z].SAE International. 2019.https://doi.org/10.4271/2019-01-0910