提高新能源汽車熱泵空調能效比的策略分析

高紅波 聶光輝 王慶合

摘? 要：新能源汽車熱泵空調系統使用電能利用制冷劑作為 介質將低位熱源中的熱量轉移到高位熱源的車室內，在環境0℃以上時其COP大于1，能效比遠高于采用PTC電加熱的采暖方式。然而在冬季環境溫度低于0 ℃且小于濕空氣露點溫度時，因為室外換熱器結霜堵塞換氣通道，影響吸熱，造成換熱效率低下，從而縮短了新能源汽車冬季的續航里程，為了消除換熱器結霜，國內外對此在換熱器材料及結構方面、空調管道控制及選用制冷劑等方面做了各種研究試驗，該文結合試驗測試主要在融霜控制策略及對使用的各類汽車制冷劑性能做對比分析。

關鍵詞：熱泵空調;融霜;制冷劑;R1234yf;R410A;R744

中圖分類號： U4，TB61? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 前言

電動汽車采用熱泵空調系統取暖，是利用電能通過制冷劑將低位熱源中的熱量轉移到高位熱源的車室內，所得到的熱量理論上為消耗的電能與吸收的低位熱能之和，因此其COP能效比大于1，在戶外0 ℃以上時，其能效遠高于采用PTC電加熱。然而在冬季0 ℃尤其是-5 ℃以下時，由于室外換熱器結霜影響吸熱，從而造成換熱效率低下，為了消除換熱器結霜現象，國內外對此陸續在空調融霜控制及制冷劑選用、換熱器結構及材料改進等方面做了相關的研究改進，國外一些車型包括大眾、奧迪、雷諾、寶馬和日產等品牌均已量產裝車。近年來國產電動汽車典型車型如長安CS75 Plus、榮威Ei5、榮威MARVEL X等也已開始裝用熱泵空調。

1 熱泵空調融霜策略

為了防止制熱時因室外換熱器結霜影響制冷劑從室外吸收熱能，降低乘坐舒適性，我們在試驗中采用了熱氣旁通制熱除霜方式。

當熱泵空調處于制熱模式時（圖1），電磁四通換向閥如圖1所示兩兩接通。壓縮機把制冷劑氣體壓縮后呈高溫高壓狀態壓送至室內的換熱器（此時為冷凝器功能），制冷劑在冷凝器降溫冷凝釋放熱量（此時室內空氣被加熱），冷凝后的制冷劑被壓送至單向閥1，通過制熱毛細管的節流降壓，氣液混合的制冷劑在室外換熱器逐步氣化蒸發，制冷劑在液氣相變的同時從外界吸收了熱量存為其內能，氣化后的低溫低壓制冷劑經過四通閥進入氣液分離器，被壓縮機吸入進入下一循環[1]。

當熱泵空調處于制冷模式下，A/C ECU使電磁四通換向閥改換方向兩兩接通。完全氣化的制冷劑（干過熱氣）被壓縮機吸入，壓縮成為高溫高壓的氣體排出，經過電磁四通換向閥進入室外換熱器放熱，冷凝成為液態制冷劑，液態制冷劑經過單向閥2及毛細管阻力降壓后成為低溫低壓的氣液混合體，進入室內換熱器蒸發吸熱，此時室內空氣被降溫，低溫低壓的氣化的制冷劑經過電磁四通換向閥進入氣液分離器。經過氣液分離的制冷劑氣體被吸入壓縮機進入下一循環。

為了防止制熱時因室外換熱器（此時為蒸發器）結霜結冰，進而影響制冷劑通過換熱器表面的吸熱效率，從而導致換熱效率降低，目前的解決方案是采用熱氣旁通制熱除霜的方式，如圖2所示。置于蒸發器表面的NTC溫度傳感器將信號傳遞給空調控制ECU，當ECU通過傳感器判斷到-7℃信號時，A/C ECU將融霜電磁閥線路接通使閥開啟。從壓縮機出來的高溫高壓制冷劑有一部分經融霜電磁閥被分流到室外換熱器的入口，迅速提高室外換熱器的溫度到0℃以上，將室外換熱器上的霜層熱融掉，使換熱器可以保持較高的換熱效率。

這種方法由于檢測設備限制，還不易精確判斷融霜及結霜的速率、厚度等情況，導致融霜雖有效果，但不能準確判斷，隨著時間增加，霜層依然逐漸增厚，COP明顯下降，甚至低于1。目前主要在于系統能準確判斷融霜的切入點和退出點，避免出現誤除霜，有霜不除，除霜未盡等現象[2]。

2 用于汽車熱泵空調的制冷劑性能比較

目前世界各國汽車熱泵空調系統制冷劑的種類繁多，主要有混合型R407c型、R410a及R134a型和R744（即CO2）型、R1234yf等。

2.1 混合型制冷劑R410A和R407c

R410A是由2種準共沸制冷劑分別是50%的R32（二氟甲烷）和50%的R125（五氟乙烷）混合而成。R410A沸點低至-51.6 ℃，沸點差小于0.2 K，易揮發，運行溫度范圍寬廣，具有良好的導熱和流動特性，比R134a滲透性低、不易產生滲漏，對于系統干燥性也沒有R134a要求高。R410A系統的運行壓力：低壓端約0.8 MPa，高壓端為2.2 MPa～2.4 MPa。因其運行壓力較高，氣體密度較大，比 R134a 更容易適配更小流量的壓縮機，采用更細的管路，制造成本也會降低。總的來說R410A相較于R134a更加適合應用于熱泵空調[3]。

R407c是由R32、R125和R134a 3種非共沸點工質混合而成的。R407c的臭氧層破壞潛能值（ODP）為0，因含有R134a，全球變暖潛能值（GWP）較R410A高。在一個大氣壓下，其沸點是-43.4 ℃～-36.1 ℃。其運行壓力：低壓為 0.4 MPa～0.7 MPa，高壓為1.5 MPa～1.8 MPa，和R134a接近。但是，R407C由非共沸點工質混合而成，使得R407C在蒸發或者冷凝時，不但要克服冷凝液層的熱阻，還要克服相變溫度梯度和汽液濃度差對傳熱帶來的負面影響，導致其傳熱系數比R410A低[4]。

R410A與R407C性能比較：R410A的蒸發傳熱系數和冷凝傳熱系數均高于R407C。蒸發試驗研究發現，R410A在光滑水平管及肋管內的傳熱系數均比R407C高50%左右[4]。R410A及R407C的ODP值均為零，R410A的GWP小于0.2。

R407c在發生泄漏時或修理換件時管道內的制冷劑無法回收，全部排放到大氣中，這樣一方面會增加維護成本;另一方面大量的排放這些氣體，也將提高全球變暖的潛能總值。

總體比較結果R410A優于R407c。只是R410A系統在空調部件及管道設置方面要注意提高耐壓性。

2.2 R744（CO2）

CO2熱物理性能良好，具有高密度和低黏度的特性，其流動能量損失小、導熱系數高，適用于低溫工況的空調系統。同時二氧化碳原料易得、價廉、對環境表現友好，安全方面二氧化碳性能穩定、不可燃、無毒安全性高。CO2的全球變暖潛能值GWP為1，是R134a的1‰，但CO2臨界壓力高、臨界溫度低。CO2制冷系統的臨界循環運行壓力高達7.38 MPa以上，遠高于傳統的制冷空調系統，因此對系統及部件的設計要求極高，工作噪聲較大，但是裝置體積可以減小了，可以節省車上的空間。目前國內生產的空調壓縮機及膨脹閥、換熱器等能否具有足夠的機械強度等技術難關尚需突破，距離大規模產業化的生產使用還有相當一段路程。

2.3 R134a

R134a屬于HFC（氫氟烴類）物質，不會對臭氧層造成破壞，工質單一穩定性好，可以回收再循環使用，目前依然是被大多數國家肯定的制冷劑類型，也是我國目前的 主流制冷劑之一。但是R134a的標準沸點為-26.2 ℃，R134a系統在超低溫制熱時蒸發器一側換熱溫差小，吸氣比容大，制熱量不足，不適合用于超低溫熱泵;在低溫工況下排氣溫度高、制熱性能衰減嚴重。因此不適用于嚴寒地區使用的熱泵空調。另外，R134a的GWP高達1 430，超過歐盟F-gas規定的GWP<150的標準。這意味著主流制冷劑R134a今后將逐步淡出市場。

2.4 R1234yf

根據柴玉鵬等的試驗，在蒸發溫度-20 ℃以上時， R1234yf的制熱量比R134a系統的制熱量小0.75%～27.08%， 制熱COP小1.50%～29.96%[5]。整體上在不改變原有結構情況下，低溫下R1234yf的制熱方面比R134a性能略差。R1234yf的蒸發潛熱為180.2KJ/kg，大約是R134a的0.83倍，因此其傳熱性能并不比R134a好。通過改變膨脹閥的開度、增加制冷劑充注量、提高壓縮機轉速后可提高系統制熱性能。R1234yf的優勢在于其各項性能與R134a接近，系統不需要大的改進，且R1234yf的ODP同樣為0，GWP為4，遠低于R134a，作為R134a的替代制冷劑之一，滿足人們對制冷劑環境友好性的要求。

只是R1234yf的安全等級為A2L，具有弱可燃性[6]。安全性方面影響了其推廣使用。

3 結語

從能量轉移途徑看，采用PTC加熱無論如何改進，其得到的熱能總是小于消耗的電能，COP一定小于1;相比之下，低溫工況下的汽車熱泵空調雖然問題很多，但COP總是有希望得到提高，融霜控制模式的改進、制冷劑的探索改良結合換熱器的結構改良等，都將逐步提高低溫工況下的COP。

參考文獻

[1]李延鋒，石靜，程勛，等.純電動汽車熱泵空調系統的設計與實驗研究[J].制冷，2016，35（2）：18-22 .

[2]梁志豪，巫江虹，金鵬，等.電動汽車熱泵空調系統結霜特性及除霜策略[J].兵工學報，2017，38（1）：168-176.

[3]吳會麗，李俊峰.R410A制冷劑在電動汽車熱泵空調中的應用研究[J].家電科技，2018（7）：51-53.

[4]陳九法，楊辰.環保制冷劑R410A和R407C的性能比較[J].流體機械，2005（7）：78-81.

[5]柴玉鵬，馬國遠，許樹學，等.R1234yf和R134a制冷及制熱性能實驗研究[J].制冷與空調（四川），2017，31（4）：435-440.

[6]BH Minor， D Herrmann， R Gravell. Flammability characteristics of HFO-1234yf[J].Process Safety Progress， 2010， 29（2）：150-154.