電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)發(fā)展概述

鄭思宇，魏名山，宋盼盼

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院， 北京 100081)

發(fā)展電動(dòng)汽車是我國汽車工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要戰(zhàn)略舉措[1-4]。續(xù)航里程、環(huán)境適應(yīng)性是當(dāng)前制約電動(dòng)汽車快速發(fā)展的關(guān)鍵因素。空調(diào)系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車耗能最大的輔助子系統(tǒng)，其能耗的降低對于提升電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航能力至關(guān)重要[5]。同時(shí)，降低空調(diào)系統(tǒng)能耗并提高其環(huán)境適應(yīng)能力也是當(dāng)前全球電動(dòng)汽車技術(shù)的重要發(fā)展方向。

與傳統(tǒng)燃油汽車的空調(diào)系統(tǒng)不同，電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)為電驅(qū)動(dòng)型，并且無發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液提供熱量以實(shí)現(xiàn)駕乘艙制熱。目前，電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)普遍采用的是蒸汽壓縮式單冷型空調(diào)+電加熱裝置的空調(diào)系統(tǒng)。如圖1所示，夏季運(yùn)行時(shí)電池驅(qū)動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)運(yùn)行以進(jìn)行車廂制冷，在冬季由電池對風(fēng)道中的PTC電加熱器供電直接加熱空氣從而達(dá)到車廂內(nèi)制熱。電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)的制冷、制熱、除霜等所需要的能量全部都由動(dòng)力電池提供，所以電動(dòng)汽車的空調(diào)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車中能量消耗最大的輔助子系統(tǒng)。電動(dòng)汽車在夏季制冷工況下續(xù)航里程會(huì)減少35%～50%[6]，在冬季，由于低溫造成動(dòng)力電池性能下降，而且PTC電加熱器的能效較低，因此電動(dòng)汽車制熱時(shí)消耗的電能更多，續(xù)航里程會(huì)下降得更加明顯[6-8]。同樣，也有文獻(xiàn)通過對不同速度、不同行駛狀態(tài)下汽車空調(diào)系統(tǒng)對電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：在AC系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)下，制冷和制熱時(shí)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程分別降低了16.7%和50%[7]。

圖1 目前電動(dòng)汽車空調(diào)制冷、采暖原理

由于動(dòng)力電池是純電動(dòng)汽車的唯一能源，車用空調(diào)系統(tǒng)的使用會(huì)極大地影響電動(dòng)汽車行駛里程。在現(xiàn)有電池技術(shù)無法取得突破性提高的情況下，如何在保證乘員艙舒適性的前提下盡量降低車用空調(diào)系統(tǒng)對電能的消耗成為了電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)研究的主要目標(biāo)。所以，低溫?zé)岜每照{(diào)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用對于電動(dòng)汽車提高續(xù)航里程和駕乘舒適性以及改善環(huán)境適應(yīng)能力具有重要意義。

1 電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)

車用熱泵空調(diào)技術(shù)的應(yīng)用研究最早始于20世紀(jì)90年代[9]。電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)在使用過程中會(huì)極大地影響電動(dòng)汽車的行駛里程，且文獻(xiàn)[10]指出：目前關(guān)于電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的低溫制熱研究的環(huán)境溫度主要是在-5 ℃左右，對于電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)來說，現(xiàn)有的研究重點(diǎn)在于降低空調(diào)系統(tǒng)能耗和提高系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性。本節(jié)將從系統(tǒng)構(gòu)型、部件設(shè)計(jì)和工質(zhì)選型3個(gè)方面對現(xiàn)有研究成果進(jìn)行概述。

1.1 熱泵空調(diào)的系統(tǒng)構(gòu)型

傳統(tǒng)蒸汽壓縮空氣源熱泵系統(tǒng)構(gòu)型可以根據(jù)工質(zhì)的壓縮次數(shù)分為單級(jí)壓縮式、準(zhǔn)二級(jí)壓縮式、二級(jí)壓縮式和多級(jí)壓縮式[11]。由于汽車的承載空間有限，所以車載熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要為單級(jí)壓縮構(gòu)型。Suzuki和Katsuya[9]是較早公開發(fā)表關(guān)于電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)實(shí)驗(yàn)研究的學(xué)者，他們選取R134a作為工質(zhì)，采用單級(jí)壓縮式熱泵空調(diào)系統(tǒng)，如圖2所示。他們提出的系統(tǒng)采用1個(gè)四通閥、2個(gè)膨脹閥和若干止回閥來控制系統(tǒng)工質(zhì)流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)乘客艙制冷或者制熱。在環(huán)境溫度40 ℃和-10 ℃下分別開展了熱泵系統(tǒng)的制冷和制熱性能實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：熱泵系統(tǒng)的制冷量和制熱量分別為2.9 kW和2.3 kW，制冷和制熱模式下COP分別為2.9和2.3。

圖2 Suzuki設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)原理

J.M.Saiz.Jabardo等[12]選用某緊湊型轎車的R134a空調(diào)系統(tǒng)搭建了單級(jí)壓縮熱泵空調(diào)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，通過建模仿真和試驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)，研究了系統(tǒng)參數(shù)如制冷劑充注量、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、蒸發(fā)器回風(fēng)溫度和冷凝器進(jìn)風(fēng)速度對系統(tǒng)性能的影響。Promme等[13]提出了具備電池-電機(jī)熱管理功能的熱泵空調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了一種雙向儲(chǔ)液/膨脹機(jī)構(gòu)，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：新型系統(tǒng)在-10 ℃環(huán)境下熱泵制熱量為2.5 kW，相比于采用PTC的系統(tǒng)可節(jié)約15%的電能。同時(shí)，他們還提出在-10 ℃的環(huán)境下，換熱器表面會(huì)出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，影響系統(tǒng)性能。

圖3 Promme提出的熱泵空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)自2000年后開始對車用熱泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行研究[14]，雖然起步相對較遲，但也取得了一定的成果。北京理工大學(xué)魏名山教授自2009年開始對R134a工質(zhì)的單級(jí)壓縮熱泵空調(diào)系統(tǒng)展開研究，并且建立了成熟的電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[15]，如圖4所示。王智興[16]為了提高單級(jí)壓縮熱泵空調(diào)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的制熱能力，基于系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的制熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了熱泵空調(diào)系統(tǒng)的仿真模型，利用仿真模型研究了系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)變化以及使用不同工質(zhì)時(shí)對其低溫制熱性能的影響情況。劉海彪[17]通過對此單級(jí)壓縮的電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行改進(jìn)，研究了不同環(huán)境溫度下熱泵空調(diào)系統(tǒng)的制熱性能，并通過仿真方法研究了系統(tǒng)部件對電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱性能的影響，為系統(tǒng)部件的設(shè)計(jì)及選型提供了一定的參考。陳凱勝[18]基于此熱泵空調(diào)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究了R134a充注量以及工質(zhì)種類對系統(tǒng)制熱性能的影響。

圖4 北京理工大學(xué)電動(dòng)汽車單級(jí)壓縮熱泵空調(diào)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

在低溫工況下，由于R134a比容過大造成低溫制熱時(shí)壓縮機(jī)吸入循環(huán)工質(zhì)質(zhì)量流量大大減少，而且車內(nèi)外溫差過大造成低溫制熱時(shí)壓縮機(jī)排氣溫度過高，導(dǎo)致壓縮機(jī)進(jìn)行過熱保護(hù)，熱泵空調(diào)系統(tǒng)停止運(yùn)行，所以單級(jí)壓縮的以R134a為工質(zhì)的熱泵空調(diào)系統(tǒng)在低溫環(huán)境下(低于-5 ℃)制熱效果衰減嚴(yán)重，在-10 ℃時(shí)基本無法正常工作。在不增大系統(tǒng)體積的前提下，為了提高低溫環(huán)境下單級(jí)壓縮系統(tǒng)的制熱性能和降低壓縮機(jī)的排氣溫度，有學(xué)者提出了具有補(bǔ)氣增焓功能的準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)。補(bǔ)氣增焓的準(zhǔn)二級(jí)壓縮熱泵通過在壓縮機(jī)上增加補(bǔ)氣口，增大了冷凝器的質(zhì)量流量，解決了熱泵低溫運(yùn)行時(shí)吸氣比容增大、壓縮機(jī)效率降低、壓縮機(jī)排氣過高、制熱量不足等問題。

Wang Xudong等[19]選擇R410a的熱泵空調(diào)系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了采用補(bǔ)氣增焓技術(shù)的準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)可以有效降低壓縮機(jī)的排氣溫度，增加熱泵循環(huán)系統(tǒng)的制冷劑流量，從而提高系統(tǒng)性能。在-17.8 ℃的環(huán)境下，二級(jí)壓縮系統(tǒng)的制熱量提高了30%，COP提高了20%。許樹學(xué)等[20]研究了以R32為工質(zhì)的準(zhǔn)二級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)的循環(huán)性能，搭建了以 R32為工質(zhì)的熱泵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明：在冷凝溫度為40 ℃，蒸發(fā)溫度為-10～-5 ℃時(shí)，用R32的準(zhǔn)二級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)與采用相同工質(zhì)的單級(jí)系統(tǒng)相比，排氣溫度降低10～20 ℃，并能控制在130 ℃以內(nèi)，保證了機(jī)組的安全運(yùn)行，并且制熱量提高了12%。唐景春等[21]采用補(bǔ)氣增焓技術(shù)，提出了電動(dòng)汽車準(zhǔn)雙級(jí)壓縮熱泵空調(diào)系統(tǒng)，并且搭建了電動(dòng)汽車空調(diào)準(zhǔn)雙級(jí)渦旋式壓縮機(jī)性能測試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，如圖5所示。在5種不同環(huán)境溫度條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：隨著環(huán)境溫度的逐漸升高，熱泵系統(tǒng)的制熱量和制熱性能系數(shù)COP逐漸增大，在-7 ℃環(huán)境溫度時(shí)，準(zhǔn)雙級(jí)渦旋壓縮機(jī)相比單級(jí)渦旋壓縮機(jī)，系統(tǒng)的制熱量和制熱性能系數(shù)COP分別提高了8.3%和8.2%。圖6為日本電裝公司已量產(chǎn)的帶補(bǔ)氣增焓功能的準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)。在2018年北京車展上電裝公司展示了帶補(bǔ)氣功能的準(zhǔn)二級(jí)壓縮熱泵空調(diào)系統(tǒng)，并且預(yù)計(jì)在2019—2020年將會(huì)替代AC+PTC方案普及在所有日系電動(dòng)車之上。

圖5 電動(dòng)汽車空調(diào)準(zhǔn)雙級(jí)渦旋式壓縮機(jī)性能測試實(shí)驗(yàn)臺(tái)

圖6 電裝公司最新采用的熱泵空調(diào)方案

1.2 熱泵空調(diào)系統(tǒng)的部件研究

熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流機(jī)構(gòu)和連接管路等組成，其關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)對系統(tǒng)制冷/制熱性能以及COP等有著舉足輕重的作用。本節(jié)對壓縮機(jī)、換熱器的研究進(jìn)展進(jìn)行概述。

1.2.1 壓縮機(jī)的研究現(xiàn)狀

壓縮機(jī)作為熱泵空調(diào)系統(tǒng)的核心部件，是汽車熱泵空調(diào)降低能耗的主要改善對象。壓縮機(jī)從定排量活塞式壓縮機(jī)向變排量的斜盤式壓縮機(jī)發(fā)展，隨著汽車需求的提高，車用渦旋式壓縮機(jī)也發(fā)展迅速[22-24]。渦旋壓縮機(jī)作為第3代壓縮機(jī)產(chǎn)品，與第1代往復(fù)式壓縮機(jī)比較，有結(jié)構(gòu)簡單、體積小和質(zhì)量輕的特點(diǎn)。它的主要零部件僅為往復(fù)式的1/10，體積減小40%左右，噪聲也下降5～8 dB。此外，無氣閥等易損件，流體的流動(dòng)損失也減至最小。轉(zhuǎn)速可在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，且效率變化不大。所以，渦旋壓縮機(jī)在汽車空調(diào)上具有其他壓縮機(jī)不可替代的優(yōu)勢[25]。德國漢諾威大學(xué)曾對往復(fù)式、汪克爾式、滑片式、六缸斜盤式、五缸斜盤式、螺桿式、滾動(dòng)活塞式以及渦旋式等8種車用空調(diào)壓縮機(jī)進(jìn)行性能比較。圖7給出了8種車用空調(diào)壓縮機(jī)性能的比較，從圖中可看出：渦旋壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速在4 000 r/min以上時(shí)性能明顯高于其他類型壓縮機(jī)[26]。

圖7 8種車用空調(diào)壓縮機(jī)性能的比較

常規(guī)渦旋式壓縮機(jī)為單級(jí)壓縮機(jī)，其系統(tǒng)性能受工況影響較大，尤其是處于低溫工況時(shí)，因其壓縮比增大，所以排氣溫度過高，排氣量降低，效率和性能系數(shù)迅速降低。2004年，馬國遠(yuǎn)教授等[27-28]提出利用帶輔助進(jìn)氣口的渦旋壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)了帶經(jīng)濟(jì)器的準(zhǔn)二級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)，以此來提高空氣源熱泵在低溫工況下的制熱性能。補(bǔ)氣增焓渦旋式壓縮機(jī)通過犧牲一部分制冷劑降低剩余制冷劑的焓值，從而提高能效，同時(shí)在壓縮過程中將犧牲的氣體補(bǔ)充回壓縮機(jī)達(dá)到降低排氣溫度的效果[29]，因此在極端工況下也可以有較好的性能，補(bǔ)氣增焓準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)流程及其壓焓圖如圖8所示。由于補(bǔ)氣增焓壓縮機(jī)的明顯優(yōu)勢，吸引了眾多學(xué)者對其進(jìn)行研究。唐景春等[21]針對準(zhǔn)雙級(jí)壓縮渦旋壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車空調(diào)準(zhǔn)雙級(jí)壓縮渦旋壓縮機(jī)性能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對壓縮機(jī)進(jìn)行熱泵性能實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在-7℃環(huán)境溫度時(shí)，準(zhǔn)雙級(jí)渦旋壓縮機(jī)比單級(jí)渦旋壓縮機(jī)排氣溫度降低了10 ℃；隨著環(huán)境溫度升高，壓縮機(jī)排氣質(zhì)量流量逐漸增大，相比單級(jí)壓縮機(jī)，準(zhǔn)雙級(jí)壓縮機(jī)排氣量增大12.9%～17.4%。實(shí)驗(yàn)證明，帶有補(bǔ)氣增焓的壓縮機(jī)可以有效改善低溫環(huán)境里單級(jí)渦旋壓縮機(jī)的排氣溫度過熱和制熱能力低下的問題。許樹學(xué)等[30]以R32為工質(zhì)搭建試驗(yàn)臺(tái)，通過實(shí)驗(yàn)研究了準(zhǔn)雙級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)的壓縮機(jī)中間補(bǔ)氣壓力對系統(tǒng)性能的影響。結(jié)果表明：制熱性能系數(shù)COP隨中間壓力的增加而降低。綜合考慮制熱量及制熱COP，相對補(bǔ)氣壓力取值范圍為0.9～1.1。張劍飛等[31]也對渦旋壓縮機(jī)的中間補(bǔ)氣技術(shù)進(jìn)行了研究，針對在不同蒸發(fā)溫度下采用中間補(bǔ)氣對渦旋式壓縮機(jī)的能力、功率、排氣溫度及能效比的影響進(jìn)行試驗(yàn)研究與分析。結(jié)果顯示：與普通渦旋式壓縮機(jī)相比，帶有中間補(bǔ)氣功能的壓縮機(jī)在蒸發(fā)溫度由-5 ℃到-20 ℃之間變化時(shí)，其能力提升15%～30%，能效比提升9%～19%，功耗僅上升約10%。

除實(shí)驗(yàn)研究外，對渦旋壓縮機(jī)的研究很大程度上也依靠數(shù)值模擬方法，如文獻(xiàn)[32-35]為了分析渦旋壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力特性和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，采用三維實(shí)體建模和虛擬樣機(jī)軟件對其運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了三維實(shí)體建模，通過仿真，獲得了準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)曲線，保證了渦旋壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的正確性和可靠性，提高了整體設(shè)計(jì)效率和精度。

圖8 補(bǔ)氣增焓準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)流程及其壓焓圖

1.2.2 換熱器的研究現(xiàn)狀

車用熱泵空調(diào)系統(tǒng)中的換熱器包括車室外換熱器和車室內(nèi)換熱器，是系統(tǒng)與外界環(huán)境進(jìn)行換熱的主要場所，因此對系統(tǒng)制冷/制熱性能有著直接影響。目前車用空調(diào)系統(tǒng)中常用的換熱器類型有管翅式、管帶式和板翅式等，較新型的則是微通道換熱器。微通道換熱器作為一種新興換熱器，主要是針對汽車空調(diào)提出的，也是目前車用空調(diào)換熱器的研究熱門。在微通道換熱器的研究和應(yīng)用的某些方面還存在問題，如換熱器設(shè)計(jì)、微通道內(nèi)兩相流動(dòng)換熱的機(jī)理和流動(dòng)傳熱計(jì)算、制冷設(shè)備中制冷劑和氣流的分布、熱泵系統(tǒng)的結(jié)霜等。針對這些問題，科研人員近年來一直在進(jìn)行相關(guān)研究。

最早進(jìn)行微通道換熱研究的是Tuckeman和Pease，目前微通道換熱器的管道材料一般為銅或者鋁質(zhì)，管徑為0.5～3 mm[36-37]。文獻(xiàn)[38-39]針對平行流換熱器分別從材料、體積、質(zhì)量、管徑、管路流程、翅片形式等角度研究其對換熱性能的影響。文獻(xiàn)[40-44]對工質(zhì)在平行流換熱器中的流動(dòng)特性進(jìn)行了研究，建立了空泡系數(shù)模型或計(jì)算關(guān)聯(lián)式。文獻(xiàn)[45-49]利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)建立了冷凝器或者蒸發(fā)器的數(shù)學(xué)模型，確定了工質(zhì)在平行流換熱器中的質(zhì)量分布情況、壓力溫度等的熱分布情況、流動(dòng)和換熱關(guān)聯(lián)式，同時(shí)研究了模型參數(shù)變化對系統(tǒng)熱力性能的影響情況。不僅如此，很多學(xué)者還通過實(shí)驗(yàn)和理論分析研究了翅片形狀、分布等對換熱器空氣側(cè)傳熱和流動(dòng)的影響情況。Davenport等[46]和Webb等[50]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)雷諾數(shù)對空氣的流動(dòng)和傳熱有著重要影響。之后又有許多學(xué)者[51-54]分別在不同的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析整理，總結(jié)了關(guān)于換熱器外側(cè)空氣流動(dòng)中的摩擦f因子和換熱j因子的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。

目前汽車熱泵空調(diào)還面臨著低溫環(huán)境制熱時(shí)換熱器表面結(jié)霜問題。若熱泵空調(diào)系統(tǒng)工作處于制熱模式，空氣中的水蒸氣會(huì)附著于換熱器表面形成霜層。霜層的出現(xiàn)增加了換熱熱阻同時(shí)阻礙了空氣的通過，導(dǎo)致?lián)Q熱器及系統(tǒng)的性能下降。國外一些學(xué)者針對換熱器表面霜層的生長機(jī)理、結(jié)霜速率、霜層厚度及溫度分布規(guī)律等分別進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究[55-57]。郭憲民等[58]分析了翅片管表面結(jié)霜時(shí)對蒸發(fā)器傳熱和阻力特性的影響。姚楊等[59]分析了空氣的溫度、相對濕度、迎面風(fēng)速等對霜層形成的影響。李景善等[60]對一臺(tái)空氣源熱泵室外換熱器表面霜層生長特性及熱泵系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。黃東等[61]則通過實(shí)驗(yàn)研究了翅片類型對熱泵空調(diào)結(jié)霜時(shí)系統(tǒng)特性的影響。黃海圣[62]采用數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對熱泵空調(diào)制熱模式的車外換熱器表面結(jié)霜規(guī)律進(jìn)行了研究。

1.3 熱泵空調(diào)系統(tǒng)的工質(zhì)研究

工質(zhì)是在熱泵空調(diào)系統(tǒng)中進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化與傳遞的工作流體，工質(zhì)的熱物理性質(zhì)對熱泵空調(diào)系統(tǒng)的制冷/制熱能力及可靠性等有著直接影響。工質(zhì)(制冷劑)的發(fā)展歷史已經(jīng)將近200年，其過程大致可劃分為4個(gè)歷史階段[63-64]，如圖9所示。目前汽車空調(diào)中的工質(zhì)主要是R134a，另外也有少部分汽車空調(diào)系統(tǒng)中使用R407c和R410a。現(xiàn)在已經(jīng)有不少汽車知名廠商在電動(dòng)汽車上嘗試安裝了熱泵空調(diào)系統(tǒng)，如奧迪R8 e-tron純電動(dòng)版、寶馬i3、雷諾汽車Zoe和日產(chǎn)汽車的Leaf。這些車用熱泵空調(diào)系統(tǒng)都選用常見的低壓制冷劑R134a和R1234yf[8]。R134a不含氯離子因而對臭氧層沒有破壞作用，傳熱性能也較好，但其GWP值較高，在《京都議定書》中被列為限制使用的工質(zhì)。R407c是一種由R32、R125和R134a組成的三元非共沸混合工質(zhì)，其單位體積熱容量較大，冷凝壓力、蒸發(fā)壓力都較高，因其成分中含R134a，二者性能比較接近，也較適合于對現(xiàn)有R134a空調(diào)系統(tǒng)的替換改造，缺點(diǎn)是傳熱性能較差，工質(zhì)在發(fā)生相變時(shí)會(huì)有5～6 ℃的溫度滑移。R410a是一種共沸混合工質(zhì)，發(fā)生相變時(shí)的溫度滑移較小，優(yōu)點(diǎn)是低溫傳熱性能好，流動(dòng)損失較少，缺點(diǎn)是運(yùn)行壓力較高，生產(chǎn)成本也較高[65-68]。表1給出了幾種常見制冷劑的主要物性參數(shù)。

圖9 制冷劑發(fā)展的4個(gè)歷史階段

表1 幾種常見制冷劑的主要性能比較

隨著科學(xué)的進(jìn)步，研究表明CFCs、HCFCs的使用會(huì)帶來嚴(yán)重的臭氧層破壞和溫室效應(yīng)，而HFCs雖然臭氧消耗勢(ODP)為零，但具有極高的溫室效應(yīng)值，這3類制冷劑的使用都會(huì)對環(huán)境帶來極大的破壞，因此汽車空調(diào)工質(zhì)的替代問題形勢比較緊迫。相比傳統(tǒng)制冷劑，CO2具有獨(dú)特的優(yōu)勢：ODP=0，GWP=1，安全性較高，無毒，不燃；傳熱性能和流動(dòng)性高，動(dòng)力黏度較低；容積制冷量大；導(dǎo)熱系數(shù)高，熱阻小；價(jià)格便宜，運(yùn)行維護(hù)成本低廉等。由于CO2蒸發(fā)潛能大、容積制冷量高和功力黏度較低，可以極大地減小壓縮機(jī)的體積和換熱器的面積，所以用CO2作為制冷劑的熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常緊湊。前國際制冷學(xué)會(huì)主席Lorentzen[69]大力提倡使用自然制冷工質(zhì)，他認(rèn)為CO2制冷劑很多獨(dú)特的優(yōu)勢是解決環(huán)境問題和提高系統(tǒng)性能的關(guān)鍵，所以引起了全球范圍內(nèi)對CO2的再開發(fā)的應(yīng)用和研究。

挪威科技大學(xué)的Lorentzen教授[70]提出了跨臨界循環(huán)理論，并且首次采用“跨臨界”循環(huán)系統(tǒng)開發(fā)了汽車空調(diào)的樣機(jī)[71-73]。基于Lorentzen教授的理論，世界各國相繼從系統(tǒng)構(gòu)型、系統(tǒng)關(guān)鍵部件和系統(tǒng)控制策略等方面，開展了對CO2制冷劑的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。SAE室內(nèi)氣候控制標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)自2001年發(fā)起了ARCRP(替代制冷劑共同研究項(xiàng)目)[74-75]，對當(dāng)時(shí)中型車輛使用的R134a基礎(chǔ)系統(tǒng)、R134a的改進(jìn)系統(tǒng)、使用CO2的新型系統(tǒng)以及以R290為工質(zhì)的二次冷卻系統(tǒng)4種候選方案在美國和歐洲的行駛標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行了嚴(yán)格的工程評估，結(jié)果表明：使用CO2作為制冷劑的系統(tǒng)與R134a系統(tǒng)性能表現(xiàn)相差約30%，但是其蒸發(fā)器和氣體冷卻器的換熱面積較小，具有很高的發(fā)展?jié)摿Α６瑫r(shí)有一些CO2汽車空調(diào)的研究結(jié)果表明：CO2系統(tǒng)的性能已經(jīng)與傳統(tǒng)的R134a系統(tǒng)相當(dāng)[76-77]。CO2跨臨界循環(huán)一旦技術(shù)成熟，將對全球汽車行業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生重要的影響。

上海交通大學(xué)在2000年左右就已經(jīng)展開了跨臨界CO2汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的研究，2002年陳江平、穆景陽等[78-79]根據(jù)CO2跨臨界循環(huán)特點(diǎn)，建立了國內(nèi)首臺(tái)CO2臨界循環(huán)專用的焓差法實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并且進(jìn)行了首臺(tái)樣機(jī)的性能測試，其制冷量為4.5 kW，如圖7所示。此外，楊濤等[80]為跨臨界CO2汽車空調(diào)系統(tǒng)建立了動(dòng)態(tài)模型，它可以用來預(yù)測壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、膨脹閥開度、蒸發(fā)器和氣冷器循環(huán)風(fēng)流量及溫度等參數(shù)變化時(shí)制冷系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)反應(yīng)。王丹東[81]針對目前R134a汽車熱泵在低溫下制熱性能不足的情況，對CO2跨臨界熱泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析，并且通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)制熱性能與系統(tǒng)高壓、室內(nèi)外環(huán)境溫度等有關(guān)，室內(nèi)溫度對制熱COP的影響大于對制熱量的影響，而室外溫度卻相反。也證明了在低溫環(huán)境下CO2系統(tǒng)在汽車?yán)鋯?dòng)情況下性能優(yōu)勢較為顯著。

2 未來研究展望

熱泵技術(shù)的特點(diǎn)決定了其在電動(dòng)汽車空調(diào)領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景，建議未來的工作重點(diǎn)集中于如下幾個(gè)方面：

1) 跨臨界CO2低溫?zé)岜眉夹g(shù)。超臨界CO2的物理性質(zhì)決定了其在熱泵空調(diào)方向具有很大的優(yōu)勢，其在低溫環(huán)境下的制熱性能遠(yuǎn)優(yōu)于采用傳統(tǒng)制冷劑的系統(tǒng)，并且部件體積更小，系統(tǒng)更為緊湊，所以跨臨界CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)是未來汽車熱泵空調(diào)技術(shù)的發(fā)展方向。

2) 熱泵空調(diào)與電池?zé)峁芾淼鸟詈峡刂啤\(yùn)行策略進(jìn)行研究，包括對冷卻劑分流比的控制、熱力循環(huán)控制、系統(tǒng)安全保護(hù)等，從而提高整車的能量利用效率。

3) 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)及密封問題。CO2壓縮機(jī)和高效氣體冷卻器以及節(jié)流裝置的設(shè)計(jì)尤為重要,一方面要提高部件的效率，另一方面要解決部件的耐高壓問題，而且選取的材料不僅要達(dá)到系統(tǒng)的要求，還要充分研究其在高壓下的壽命周期，確保系統(tǒng)安全可靠[82]。

3 結(jié)束語

本文對目前汽車熱泵空調(diào)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了概述，并從系統(tǒng)構(gòu)型、部件設(shè)計(jì)和工質(zhì)選擇三個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)的描述。對于電動(dòng)汽車的能量利用和環(huán)境控制角度來說，熱泵空調(diào)系統(tǒng)將會(huì)扮演重要角色。雖然熱泵空調(diào)理論上具備諸多先天性優(yōu)勢，但是采用空氣源熱泵替代傳統(tǒng)汽車空調(diào)仍然存在一些關(guān)鍵基礎(chǔ)問題和技術(shù)瓶頸。若能繼續(xù)提高系統(tǒng)性能并且降低系統(tǒng)能效，提高系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性，熱泵空調(diào)系統(tǒng)將會(huì)成為未來電動(dòng)汽車技術(shù)中不可或缺的部分。