双碳背景下的汽车空调及能源管理

李安然,俞彬彬,陈江平. 双碳背景下的汽车空调及能源管理[C]//中国制冷学会.“2022年双碳背景下中国制冷技术研究及应用进展论坛”会议论文集.,2023:11

摘要：

基于我国双碳目标和基加利修正案履约背景，梳理汽车空调研究与应用进展，分析新能源汽车热泵空调发展趋势，从研究进展，关键技术和优秀案例三个层面展开，涉及CO2, R290, HFOs等环保制冷剂替代应用、新型车用制冷剂开发、HFCs管控排放政策、新能源汽车低温热泵系统拓扑结构、整车能源管理、零部件创新和研发进展。在此基础上介绍传统和新能源汽车空调碳排放核算方法学，支撑全生命周期排放分析及测算，为未来政策制定和行业技术选择提供理论依据。

新能源汽车是实现双碳目标的有效手段之一。根据国际能源署（IEA）公布的《世界能源展望》研究表明，到2040年时3亿辆上路的电动轿车每天可替代300万桶的石油需求[1]，并且届时中国的石油需求量可因此削减250万桶/天[2]。根据严君华等[3]基于生命周期评价方法，对电动汽车能耗与气体排放的分析，在全生命周期内纯电动汽车的环境成本仅为燃油汽车的36.04%，所以发展电动汽车可以极大的减小环境污染物的排放，降低环境治理成本。因此，新能源驱动的技术转型战略成为中国“十三五”产业规划的重要目标之一[4]。虽然电动汽车发展势头迅猛，但其本身的缺陷如冬季续航问题等也不可忽视。随着人们对汽车舒适性要求的提高，目前全球生产的汽车均已配备空调系统[5]。汽车空调作为电动汽车上除电机外最大的耗能设施，其能源转换效率对电动车续航里程的影响十分巨大，新能源汽车热泵空调因此成为目前主流的技术解决方案。然而汽车空调行业仍面临较大的减排压力和环保问题，一方面是如何实现环保制冷剂替代以减少直接排放量的不确定性，另一方面是如何提高热泵能效、优化整车热管理及能量管理以减少间接排放的挑战。

首先，传统的R134a热泵系统性能会随着环境温度降低而剧烈的降低，且在全球范围内，由于R134a的温室效应指数极高，其GWP（Global Warming Potential）达到1430，对HFC类制冷剂的限制使现有汽车空调制冷剂R134a的替代形势迫在眉睫。按照一辆乘用车热管理系统充注R134a约 0.7 kg计算, 全国乘用车的当量碳含量约为2.8亿吨[6]，因此新能源车辆采用CO2、R290、HFOs等环保制冷剂进行替代具有重要减排意义。在此背景下，2021年9月15日中国正式宣布加入《基加利修正案》，制定了一系列政策加强氢氟碳化物等非二氧化碳温室气体管控，如表1所示。生态环境部、发展改革委、工业和信息化部联合发布了《关于严格控制第一批氢氟碳化物化工生产建设项目的通知》，规定自2022年1月1日起，各地不得新建、扩建附件所列用作制冷剂、发泡剂等受控用途的氢氟碳化物化工生产设施。己建成的附件所列氢氟碳化物化工生产设施，需要进行改建或异址建设的，不得增加原有氢氟碳化物生产能力或新增附件所列氢氟碳化物产品种类。我国对氢氟碳化物类制冷剂的替代已势在必行。

其次，随着我国新能源汽车产业的发展，汽车空调系统与车用驱动(发动机、电机以及电池)系统的供热与综合管理将进一步深度融合，热泵空调系统成为新能源汽车的技术方案，汽车空调企业也正在积极地研究和开发车用热泵空调相关的零部件与整车系统。新能源汽车热泵系统与传统内燃机汽车空调相比，在制冷、制热模式和主要部件方面都产生了较大变革，如图1所示。在能量管理方面，从传统燃油车到电动车，能源的使用也逐渐发生变化，尤其是整车热管理的重要性逐步增强，热管理单车价值量相比传统系统大幅提高，热系统成为保障电动汽车安全、缓解里程焦虑、保证电动汽车又快又好发展的关键。新能源汽车的热管理除了空调系统外，增加了电机电控冷却和电池温度控制两个系统，主要零部件增量为电动压缩机、高压PTC、水泵、管路等。新型新能源汽车构架下的整车热管理设计将空调、电池、驱动等各个系统之间的冷热管理联系进一步加强，形成整体热管理系统工程概念，热管理系统由空调系统、电机和电池及功率电子冷却系统连接构成，将多个换热器、电子控制阀、电子水泵和贮罐的复杂系统连接以满足空调和设备的冷却。此外，随着汽车向电动化和智能化方向发展，整车能量管理内容增多，对汽车综合能量管理的要求也越来越高，从整车层面对各子系统进行能量统筹管理已经成为电动汽车的未来发展趋势。

1 研究进展

随着我国“双碳”目标的提出和《<蒙特利尔议定书>基加利修正案》的正式生效[7]，新能源汽车热泵的绿色高效发展成为必需的技术路线[8]。汽车空调行业要想实现碳中和目标，一方面，迫切需要将目前广泛应用的HFC(hydrofluorocarbon)制冷剂R134a向低温室效应工质转换，减少直接排放；另一方面，需要不断提高热泵能效以减少间接排放。

首先，制冷剂的替代可减少直接排放，汽车空调采用环保制冷剂进行替代具有重要减排意义，然而制冷剂行业减排路线的制定尚存在一系列问题，如新工质筛选难度大、新型制冷剂受知识产权制约严重以及新能源车热管理的热泵系统运行范围宽（-30~45 ℃）、切换模式多、系统集成度高和控制要求高等挑战。此外，传统燃油车的汽车空调制冷剂多采用R134a，但R134a热泵系统性能会随着环境温度降低而剧烈的降低，也给车用热泵系统的开发带来了挑战。Kwon等[9]和Lee等[10]的研究表明一套R134a的热泵系统在-20 ℃的环境下，不能给车厢提供足够的热量供给。因此，Zhang等[11]提出了高效的R134a补气增焓热泵空调系统方案。根据他们的研究，R134a补气增焓系统可以在-20 ℃极低温环境下供给2097 W的热量，相较于传统R134a热泵系统提升57.7%，同时系统能效可以达到1.17。另外，为了达到《<蒙特利尔议定书>基加利修正案》的法规要求，由霍尼韦尔和杜邦公司联合推出的R1234yf，由于其热物理性质与R134a非常接近，只需要对现有系统进行一些微小调整便可正常运行。但是同R134a一样，R1234yf在低温下的制热效率也非常低，采用R1234yf的热泵空调系统并不能满足电动汽车的制热需求，因此全球各大汽车企业仍然需要寻找新的技术方案[12]。CO2作为一种天然工质，被认为是在汽车空调系统中极具希望及发展潜力的选择。Wang等[13]通过实验研究了CO2汽车热泵系统的制热性能，研究结果表明CO2汽车热泵系统在-20 ℃的极低温环境，全新风的条件下可以供给3600 W的热量，同时系统效率可以达到3.1。但是，CO2汽车空调系统的应用同时也存在一定的缺陷。多个学者的研究结果均表明在30 ℃以上的高温环境下，CO2汽车空调系统的运行效率较低[14-17]。Brown等基于半理论模型对CO2汽车空调系统及R134a汽车空调系统性能进行了对比研究，研究结果表明CO2汽车空调系统效率在32.2 ℃时相较R134a汽车空调系统衰减21%，在48.9 ℃时相较R134a汽车空调系统其衰减率达到了34%。同时，也表明CO2汽车空调系统效率的衰减在更高温的环境下将变得更剧烈[18]。CO2汽车空调系统的另一个缺陷则是由于CO2本身临界温度较低，这要求CO2系统必须工作在跨临界循环，系统运行压力非常高，是现有R134a汽车空调系统运行压力的6~8倍[19]。传统制冷剂在热泵系统遇到的一系列挑战如图2所示，这更加促进了新型制冷剂的开发和应用。

在新型车用制冷剂的开发上，国内外的厂商和高校进行了许多探索，如表2所示。大金研发出D1V140制冷剂 （R1132-E/R1234yf为组合物），GWP<1，沸点-44.6 ℃，同工况下，制冷/热量大于R134a和R1234yf（140%），COP与R1234yf相当；以及D2V-YF制冷剂，GWP<150，沸点-50 ℃，制热量大于R1234yf（200%）且COP相当。AGC开发出HFO-1123组合物，对现有R1234yf系统仅做微小改变。科慕研发了H1G3热泵工质，GWP为148，相同制冷量下其制冷COP高于R1234yf和R744，且-30 ℃制热性能优于R1234yf。霍尼韦尔的方案是R1234yf增强型热泵，其在寒冷工况需PTC加热。Koura基于YF工质研发新制冷剂，热物性与R407C接近，GWP<100， A2L，制冷量比R1234yf提升20%，-20 ℃工况下的制热能力是R1234yf两倍，0 ℃和10 ℃制热量和COP优于R1234yf；此外LFR3是Koura基于R744混合工质研发的新型不可燃车用制冷剂，全温区制冷量和COP比R744提高10%~15%，压力降低20%，与CO2相比对环境的影响更小。上海交大与中化蓝天共同研发了M2系列制冷剂，GWP为137，A2L，制冷/热量与R410A相当，COP略高。此外，无专利壁垒的天然工质正在被主机厂积极采用，如CO2被大众、戴姆勒和奥迪采用，R290被上汽采用。

另外在能量管理方面，优化整车的能量管理、提高热泵能效等措施可以减少间接排放量。整车的能量管理可分为系统层的能量利用和热管理层的能量消耗。与传统燃油车不同，电动汽车的能源为电能，驱动单元为电机，热管理拓扑结构主要包括电池回路、电机回路、空调回路和暖风芯体回路等。新能源汽车的能量流如图3所示。其中空调系统主要是为乘员舱进行制冷、制热，另外在某些工况下通过冷却装置对电池回路进行冷却[6]。在冬季寒冷环境的制热工况下，由于没有传统燃油车的发动机废热，暖风芯体若采用高压PTC进行加热，将直接消耗电能，造成新能源汽车冬季的续驶里程大幅度缩减，并且带来更多的间接碳排放。因此，由于热泵空调系统具有制热能效比高的特点，逐渐被广泛地应用于纯电动和插电式混合动力车型中，以缓解新能源汽车冬季续驶里程缩减的问题。新能源汽车的能量管理，是从整车层面对各子总成进行能量的综合优化利用，其对热管理系统设计的要求也逐渐由传统粗放型向精细化、集成化转变。优化整车能量管理需要对新能源车进行能量流的分析和优化，并建立新能源车能量流模型并采用实验数据对模型进行校准，实现新能源车各个负载的耗电情况可视化及续航里程分析。还要分析各个优化方案对系统性能及车辆续航里程贡献及评价，包括热泵空调系统、电池热管理（保温）、余热回收、回风比例设定、热管理控制策略优化、局部控温等。另外上述的整车能量流系统也可以用于收集应用车型大数据，为新型电动汽车的开发，提供技术支持。

再者，目前人们对于电动汽车热泵制冷剂环保特性的评价，还主要停留在GWP方面，对使用该制冷剂后系统性能的变化关注较少。因此，有必要采用全生命周期气候性能 (LCCP) 指标综合评估直接和间接两种影响，计算电动汽车热泵系统“从摇篮到坟墓”整个生命周期内产生的当量CO2排放总量。区别于单一评价指标， LCCP可以综合考量制冷剂“环保”与其在系统中的“节能”效果，并综合评估两种影响。除直接排放部分外，LCCP还将间接排放部分计算在内，因此可以更精确有效地评估汽车空调、新型制冷剂的综合环保性能，并且能够评估不同系统、零部件和材料的环保差异。

上海交通大学团队为新能源汽车热泵系统开发一个全面的LCCP模型，通过对构成LCCP指标的每个模块进行详细分析，依据热泵系统台架实验数据、不同地域的气候条件、车辆行驶及热泵使用情况等信息，建立起一个适用于不同城市气候条件和行驶条件的LCCP模型，如图4所示。并利用LCCP模型对采用新型制冷剂的电动汽车热泵空调系统进行研究，比较系统的环境性能优劣，能够为选择新制冷剂技术的政策制定者提供决策依据。在整个热泵系统的使用寿命过程中，制冷剂及其在系统中应用所造成的等效二氧化碳排放总量EMtotal，包括直接排放和间接排放，如公式3.6-1所示：

其中，直接排放是基于制冷剂的GWP和排放到大气中的制冷剂质量进行计算，如公式3.6-2所示：

其中，Adp.GWP是用于评估制冷剂在大气中降解产物所造成的环境影响。RLreg、RLirreg、RLser、RLEOL分别代表由于系统管路和连接处造成的常规制冷剂泄漏量，事故型非常规泄漏量，维修服务过程中造成的制冷剂泄漏量以及报废过程造成的二次泄漏量[4]。

其中，Mfg是指生产制冷剂和系统部件制造过程中造成的排放，包含了系统（部件）从工厂运输到组装工厂环节造成的排放；OT代表制冷系统运输过程中的当量CO2排放；EOL是指制冷剂和系统部件报废处理及回收过程造成的当量CO2排放；SO是指系统运行过程中造成的排放。考虑到Mfg和EOL排放和工业制造相关，汽车类型对其影响极少，因此采用已有方法对其进行计算[4]。但是OT和SO的计算是区别于传统方法的，原因有以下几点：（1）电动汽车热泵系统是由电驱动的，因此，造成排放的主要原因是电消耗而非燃油消耗；（2）不同于皮带轮压缩机，其转速由内燃机决定，电动压缩机的转速是由车内空调负荷决定的；（3）由于不存在燃油燃烧造成的余热损失，在寒冷环境下，电动汽车空调系统向驾驶室供热需要消耗电力，这部分同样需要加入排放计算。

该研究评估了中国各省份2020—2060年使用各种低GWP制冷剂的新能源汽车热泵对环境的时空影响，结果表明低GWP制冷剂在不同气候区具有不同的减排潜力，即不同省份或气候区的新能源汽车全生命周期总排放与气候条件密切相关。其中CO2/R41为混合工质，M2为上海交大与中化蓝天共同研发的新型工质，具体参数可见上文表2。值得一提的是，直接排放取决于制冷剂的GWP并几乎不受气候影响，而间接排放受气候的影响显著。在间接排放中，生产制造和EOL处理仅占5%左右，而系统运行排放占85%。按照目前的技术路线，预计到2030年全国单辆车的平均生命周期排放量将减少14%，到2060年将减少45.4%。图5和图6即为该模型的结果分析，表明在研究涉及的5种低GWP制冷剂中，从国家层面看各制冷剂的减排潜力由高到低依次为R290>R1234yf>CO2/R41>M2>CO2。

2 关键技术

针对新能源汽车的续航里程焦虑问题，为实现节能常用减少车内热负荷的方法，其一采用制热时内循环补偿，其二采用双层流空调箱设计[20]，但仍不能解决空调制热功耗大问题。而利用热泵系统通过压缩机的驱动将环境中吸收的热量以及压缩机自身做功产生的热量转移到乘客舱内是非常有效的方法[21-22]。这是由于相较于PTC加热器在工作时效率恒小于1，而正常工作的热泵系统效率恒大于1，因此制热效率的优势较为明显。如首款直接式热泵空调系统应用于尼桑LEAF车型，可实现环境温度0 ℃时，制热效率COP相对于电加热器提升至2.5，工作温度主要在0 ℃之上；之后宝马I3实现水侧间接式热泵空调系统，COP略低于空气侧热泵系统约为2。但是LEAF及I3热泵空调的主要适用是-5 ℃之上的环境温度。国内外专家基于实车测试机模拟分析指出，环境低于-5 ℃，热泵制热性能将大幅度下降[22-23]，故目前已上市的汽车热泵系统工作温度很多都是在0 ℃附近。这是由于蒸发压力降低时，压缩机吸气的密度也会随之降低，从而导致系统中质量流量减小，制热性能衰减。同时，由于压缩机压比增大，压缩机容积效率下降，其系统的能效也会随之降低；且系统排气温度也会增加，影响系统工作的可靠性。若要提高系统在极端工况下的制热性能，必须解决以上问题。直接式与间接式热泵系统架构如图7所示。

为提升低温下热泵空调系统的性能，新的技术应用不断被尝试，比如双级压缩系统循环，压缩机前路旁通循环以及压缩机中间补气循环。第一种结构太过复杂，第二种系统制热性能及效率均低于压缩机中间补气循环[22-23]。压缩机中间补气技术通过提高压缩机排气质量流量以及降低室外蒸发器前的焓值以提升系统制热性能[24]。补气增焓技术是一种可以应对极端工况的系统形式[5] [21-22]。其核心是将中间压力的制冷剂气体引入压缩机的中间级，增加系统冷凝器流量的同时冷却了被压缩的气体，使得排气温度降低，在增加系统制热量的同时保障了系统的可靠性。

从图8可以看出，两种补气增焓系统的主要差别在于中间级。在经济器补气增焓系统中，中间级的制冷剂由冷凝器后面分出，经节流后在经济器中过热，然后喷射到压缩机中间级中；而在闪蒸罐补气增焓系统中，由冷凝器流出的制冷剂首先经过第一级节流，然后在闪蒸罐中实现气液分离；气相进入压缩机中间级进行补气，液相经二次节流进入蒸发器进行蒸发。从性能角度而言，这两种系统形式的制热性能没有明显差距。有文献表明闪蒸罐系统的性能要稍微优于经济器系统[5][25]，但该系统的控制逻辑非常复杂[5] [27]。经济器系统对于补气压力的调节范围和系统的控制成本都要优于闪蒸罐系统，因此得到了较为广泛的应用[5]。国际上针对环境温度为-5 ℃的热泵系统技术已有储备，并应用于量产车上，针对更低温度的热泵系统的成熟应用仍在研究开发阶段；国内在汽车热泵技术上储备较少，近两年随着电动汽车蓬勃发展，也带动热泵空调系统的研发投入。适应更低环境温度压缩机中间补气增焓回路的热泵系统，是未来纯电动汽车减少空调制热消耗的重要措施之一，同时对该技术的发展也会推动纯电动汽车国内外进一步开发适用于更低温度的热泵空调系统。基于新能源汽车热泵的功能需求，以及综合直接式热泵系统架构和间接式热泵系统架构回路的优缺点，上海交通大学开发的全功能热泵系统回路如图9所示。

另外，在产业界，我国新能源汽车主机厂及零部件供应商积极创新，技术方案紧追国外一线厂商，如表3所示。比亚迪的e平台3.0在热管理上采取了类似特斯拉集成化的阀岛方案，对冷媒回路进行了大规模集成，且采用集成的热泵技术，将驾驶舱制暖预热交给热泵电动空调系统以及来自“8合1”电驱电控系统的余热，取消对应PTC模组，动力电池低温需求则由热泵电空调支持，并由冷媒直接换热。华为的热管理系统TMS采用一体化设计，打通电驱、电池、乘员舱等领域，并降低热泵低压侧不可逆损失，可以实现热泵系统最低工作温度由业界的-10 ℃降至-18 ℃，相比传统非热泵方案能效比提升至2，标定周期可缩短60%。蔚来2022款ES8取消了 PTC 的空调加热方式，使用了与ES6 类似的热泵制热方式，利用电池、电机废热提供冬季空调系统，并使用四通阀链接空调回路、电池回路、电机回路，空调系统包含第一和第三通道，第二和第四通道分别串联至电池热管理和电机热管理系统，将电池和电机废热提供给乘员舱以降低冬季耗电。小鹏 P7的整车热管理系统采用一体化储液罐设计和单PTC 加热方案，利用一个四通阀实现整车系统级的热循环，并将电机冷却水路与电池温控水路串接，使用电机余热加热电池，降低系统能量损失。小鹏P7整车热管理方案和比亚迪e平台3.0热管理方案实物图如图10所示。

汽车空调及整车热管理的零部件方面，三花智控深耕汽车热管理零部件的研发，积极布局新能源汽车领域所需的热管理部件及子系统更深层次的应用。截至2022年上半年，三花在建项目包括年产730万套新能源汽车热管理系统组件、年产150万套新能源热管理部件、年产400万套新能源汽车热泵部件以及年产1100万套新能源汽车用高效换热器等项目。美的威灵汽车部件去年宣布驱动系统、热管理系统和辅助/自动驾驶系统三大产品线全线投产，目前威灵热管理系统的产品包括 R134a 电动压缩机、CO2 电动压缩机、中功率电子水泵、大功率电子水泵等，热泵产品已经在小鹏汽车全线，蔚来ES6、 ES8上使用。银轮股份的研发实力强劲，新能源汽车零部件技术储备完善，近年来致力于新能源汽车零部件方面的研究，实现了液冷板、泵阀类产品的生产，取得了水路集成模块及系统集成和匹配技术的突破，实现了前端模块、冷媒冷却液集成模块、热泵空调箱总成模块的配套生产，拥有国内顶尖的热交换器批量化生产能力和系统化技术储备。三花与银轮的热管理汽零产品如图11所示。

3 优秀案例

在新能源汽车热泵空调领域中，上海交通大学早在2003年即开始进行前瞻性布局并开展相关研究，目前已完成多个标杆项目，成为开发车用热泵空调系统的优秀参考案例。图12介绍了CO2车用热泵空调的研究历程，时间轴上方是国际上的研发进展，时间轴下方介绍了上海交通大学团队的进展及案例。上海交通大学在2003年与上汽集团合作开发了国内首台CO2汽车空调系统，并在桑塔纳汽车实现了样车开发与测试，之后与长安汽车、上汽大众、一汽等制造商开发了针对整车的CO2空调系统以及CO2热泵空调系统，并于近期进行了ID4对标及面向量产的研发热域控制等相关研究。除了在乘用车领域外，CO2热泵空调系统在客车空调领域、列车空调领域也备受关注。上海交通大学与宇通客车成功开发了国内首台CO2热泵空调系统、与鼎汉技术开发了CO2列车空调热泵系统，并成功出口德国。另外国内东风汽车集团、北汽新能源、蔚来汽车等在近几年也投入到开发CO2热泵空调系统的工作中，先后开展了CO2台架搭建和测试以及整车搭载和测试。

此外，R290作为HFCs替代型制冷剂，其在传统家用空调中已经成为未来中国市场主要替代制冷剂选择之一。R290的ODP为0，GWP为3，完全满足各国法规的要求。同时R290的运行压力与R134a近似，现有部件的承压完全满足其运行要求。现有研究中针对R290易燃易爆的特性，构建基于载冷剂液体循环的二次回路系统，制冷剂回路完全处于乘员舱外的发动机箱中，是规避制冷剂安全风险的有效解决方案。还有研究表明，二次回路还具有降低系统充注量，减少系统接头从而降低泄漏风险，实现系统集成化、小型化的优势，如电装、博泽、苹果等整车及零部件厂商已经开始进行相关的研究与应用，部分厂商的二次回路空调系统结构如图13所示。但二次回路中由于中间载冷剂介质的引入，二次换热过程带来的性能衰减不可忽视，如图14所示。二次回路系统的能效提升仍是应用过程中的一大难题[28-30]。

上海交通大学与上汽集团合作开发的R290二次回路电动汽车热泵系统，完成某车型R290二次回路系统实车改造及性能测试，完成制冷/制热性能测试，对比原车R134a系统，R290二次回路制冷性能与原车性能相当；制热性能提升明显，出风温度提升6 ℃以上，系统制热量提升1000 W，COP最高提升11%。目前，业界也已经广泛展开了基于二次回路的高效R290汽车空调系统设计，针对二次回路系统中的能效衰减问题进行研究，从两相流分析、换热器优化、系统架构设计等角度提出优化解决方案，可进一步的推动天然碳氢制冷剂R290在电动汽车热泵空调上的应用。