新能源汽車二氧化碳熱泵高壓空調管的開發

鄭美玲

(上汽大眾汽車有限公司 ，上海 201805)

0 引言

從能源發展戰略角度，新能源汽車是全球汽車產業發展趨勢。優勢在于新能源汽車使用可再生能源電能作為動力源，解決了石油燃料的能源危機，還可以減少碳排放，實現了環保的目標。但傳統采用PTC 制熱的電動空調會導致冬季續駛里程衰減50%以上[1]。國家從維護能源安全，改善大氣環境，提高汽車工業競爭力和實現我國汽車工業的跨越式發展的戰略高度考慮，加大對各大車企在新能源方向的投入和補貼，鼓勵開發并生產節能高效的純電動汽車。但是在動力電池沒有突破性進展的情況下要保證低能耗制熱，二氧化碳熱泵空調是為數不多的可行技術，采用自然工質CO2的車用熱泵系統有望克服上述問題，因此備受關注。

從制冷劑的環保角度，傳統汽車空調制冷劑R134a 具有相當高的溫室效應系數(GWP=1 350)，屬于強溫室效應氣體， 歐盟EC40通過了淘汰含氟氣體法規(F-gas Regulation) 的決議，并且到2017年新生產車輛停止使用R134a，美國環保部也將于2021年起將R134a從SNAP目錄中剔除。為應對全球氣候變暖，汽車空調強溫室效應氣體R134a制冷劑的替代日益緊迫。而CO2作為自然工質，其溫室效應系數GWP僅為1。盡管有些CO2會從空調系統中泄漏出去，但泄漏的CO2對環境產生的影響卻很小[2-3]。

CO2熱泵系統的效能系數比PTC制熱的空調系統高出很多，可以有效地延長續航里程大約30%。主要由以下因素決定：CO2制冷劑特殊的物性，其具有低溫下單位能量密度大、制熱效果好的特點；超臨界循環壓比小，壓縮機效率高；高壓排氣側處于超臨界狀態的CO2存在較大溫度滑移，使得進口空氣溫度與CO2的排氣溫度可以非常接近，從而不可逆傳熱引起的熱損失小。綜上所述，CO2熱泵空調系統制熱工況下的能源利用率很高，COP(Coefficient of Performance)大概為3[4-5]。

但是CO2熱泵系統也存在一些技術難點：由于CO2熱泵系統處于跨臨界循環并且壓力很高(大約為傳統系統的10倍)，所以對于空調系統零部件耐壓性和安全性有了更高的要求；并且該系統復雜，包括制熱、制冷、除霧、除濕等多種運行模式，需要進行大量理論計算、模擬仿真以及試驗來完善系統設計。其中空調管在系統中起著連接各主要零部件的作用，CO2熱泵系統的空調管高達十多根，壓力范圍囊括低壓、中壓和高壓，對其密封性和耐壓性的要求高了很多，所以開發一款適合CO2熱泵系統的空調管尤為重要[6-8]。

1 CO2熱泵空調管結構現狀

國外正在開發的一款CO2熱泵空調管結構，通過其專利和解剖分析發現，其扣壓處仍通過傳統制冷劑管所采用的EPDM材料的O型圈結構來實現密封，但是由于CO2小分子結構的特點，在系統高溫高壓工作條件情況下很容易滲入O型圈并使之老化從而逃逸到外部造成整個系統的泄漏，而且該連接結構在扣壓時很可能產生形變容易開裂導致泄漏。所以該結構存在一定的泄漏風險。國內CO2熱泵系統和熱泵空調管都處于研發狀態，目前市場上還沒有成熟的產品出現。

上汽大眾研發團隊克服上述現有技術存在的缺陷，基于臺架和實車測試數據作為依據，開發了一種抗高壓軟硬管路連接的密封系統，經過一系列的試驗驗證其具有耐高壓、耐高溫、耐振動的特性，可以應用在新能源汽車CO2熱泵系統。

1.1 CO2系統臺架和整車

CO2的熱物理性質與R134a制冷劑差別較大。圖1所示為兩種工質的溫熵圖，從圖中可以看出，壓縮機出口到氣冷器出口的溫度滑移比較大， CO2在放熱過程中處于超臨界狀態，沒有相變潛熱區。這一溫度滑移的存在有利于換熱的充分進行，提高了CO2熱泵的換熱效率。但是CO2熱泵系統高壓出口的極限壓力為18 MPa，溫度為180 ℃;而R134a制冷系統的高壓出口壓力僅為1 MPa，溫度為80 ℃。

圖1 R134a和CO2系統溫熵

因此傳統汽車空調系統的空調管和扣壓密封結構無法承受高溫高壓的要求。因此，開發一種能夠適用CO2冷媒、適應高低溫交變以及高壓工況的空調管路，需要重新設計軟管結構和扣壓處密封方式，這是現在亟待解決的技術問題[9-11]。

圖2為CO2熱泵系統原理圖。

圖2 CO2熱泵系統布置原理

通過5個電磁閥的調節改變制冷劑流向，實現夏季制冷、冬季采暖與除濕三大功能。其中壓縮機到室外換熱器的管段為高溫高壓排氣管，室外氣冷器到室內換熱器的管段為高壓低溫管，其余管段為低壓低溫管。

圖3和圖4為上汽大眾研發團隊根據圖2原理圖搭建的CO2熱泵空調系統的臺架和整車，同時結合Dymola計算模型，通過不同模式不同工況的摸底試驗，整理出空調管的具體技術參數見表1—表3。

圖3 CO2 臺架試驗臺

圖4 CO2整車試驗

表1 壓力要求 MPa

表2 溫度要求 ℃

表3 抗拉脫力要求 ℃

1.2 新型CO2空調管結構

由于CO2的分子體積遠遠小于R134a，其更容易穿透PA層滲透到外部，所以軟管的內層需要選用更加防滲透的材料，其中不銹鋼波紋管是比較優先的選擇，一方面因為其性能穩定且加工工藝成熟，另一方面不銹鋼波紋管有一定的柔軟性且可以有效地阻止CO2分子高溫下逃逸；另外由于軟硬管連接扣壓處的O型圈的密封方式也不再適合CO2熱泵系統，所以軟硬管連接和扣壓處的焊接和密封方式是需要重新開發的。其中如何避免形變，如何避免不同材料(鋼和鋁)之間的化學腐蝕都是需要重新開發和驗證的。

1.2.1 軟管結構

圖5所示為傳統制冷劑R134a的軟管結構[12-13]，包括內層PA，橡膠層和芳綸增強層。而文中開發R744軟管結構的阻隔層選用波紋管替代PA層。主要目的是阻隔CO2小分子穿透并滲透到外側，而且保留一定的柔軟度和彈性；橡膠材料仍然保留，主要考慮到此材料可以吸音降噪并且可以減小振動的傳遞。中間增強層則采用芳綸和金屬絲，主要是其增加軟管軸向和徑向的拉拔力以便其在高溫高壓，傳統空調管只采用芳綸線作為增加層是沒問題的，但是CO2系統的高溫工況下，芳綸線在高溫下會嚴重變形變軟抗壓效果完全失效，因此增加金屬編織層是必要選擇。

圖5 R134a空調管軟管結構

1.2.2 扣壓結構

圖6所示為傳統制冷劑R134a的扣壓結構，工藝比較成熟：首先將硬管進行滾鉤端部成型，然后套入O型圈，其次將帶O型圈的硬管通過工裝塞入軟管，最后連接處外側套上護套進行扣壓密封。

圖6 R134a空調管連接扣壓結構

R744熱泵系統的空調管由于CO2小分子工質特點及高溫高壓工作范圍要求，O型圈的密封方式已經不能滿足該系統。文中開發的新型結構扣壓處的焊接密封方式采用全新發明的結構和工藝，經過一系列試驗驗證證明其可以滿足高溫高壓的要求[14]。

2 實驗驗證

2.1 有限元模擬分析

有限元模擬計算結果如圖7和圖8所示。分別給管內10 MPa和40 MPa的內壓，通過模擬計算顯示最大應力均處在硬管彎管處。所以證明該結構的軟管方案完全可以耐受CO2系統的高壓工況[15-16]。

圖7 有限元模擬10 MPa內壓下波紋管的變形及應力

圖8 有限元模擬40 MPa內壓下波紋管的變形及應力

2.2 帶溫度交變的壓力脈沖

脈沖試驗臺和試驗標準如圖9所示。

圖9 脈沖試驗臺和試驗標準

按照如圖9的試驗臺架和試驗標準進行壓力脈沖試驗，流程如下：

將6根樣件以最小彎曲半徑DUTs樣件彎曲180°并使兩端固定緊，與一液壓泵相連充注劑為PAG油，液壓泵置于室溫環境中； 環境倉溫度范圍-38～180 ℃，脈沖壓力范圍1～15 MPa。低溫段：-38 ℃下進行1 000次脈沖壓力循環；高溫段：165 ℃下進行29 000次脈沖壓力循環；溫度循環重復5次，溫度變化期間壓力脈沖暫停循環次數，150 000次后無破損無泄漏。完成密封測試后然后將樣件進行剖切，觀察是否有裂紋和皸裂等破損情況，剖切后的截面如圖10所示，表面均無裂縫和損傷。

圖10 軟管內部剖切截面

帶高低溫交變的壓力脈沖可以認為是空調管開發最為嚴苛的驗證試驗，其模擬了整車最為極限的工況，6根試驗樣件均通過了該項試驗，證明該結構是可靠的，并驗證了其耐高溫高壓性。

2.3 拉拔力試驗

為了驗證扣壓焊接處的可靠性，需要進行拉拔力試驗，選用20根非包膠的樣管即可。因為該試驗主要用于測試焊接和扣壓，外層的橡膠和芳綸層均不參與焊接，所以選用金屬光管的樣件進行測試即可。

選用20根樣件，在專業的試驗機上進行拉拔力試驗，經測試其拉脫力均不小于2 500 N。試驗結果如圖11所示，都滿足要求且脫離斷點均在軟管處。所以證明扣壓處的焊接和連接方式是可靠且穩定的。

圖11 拉拔力試驗結果

2.4 爆破壓力試驗

優化后的CO2空調管結構的爆破壓力72 MPa，為極限工作壓力的4倍之多，遠遠超過設計要求。無論從理論還是試驗方面均滿足零部件的爆破要求。從圖12可以看到，爆破失效地方是在彎管處，該處達到了其材料的極限，這與模擬計算結構一致，證明該零部件的軟管和扣壓處耐壓性遠遠滿足設計要求。

圖12 爆破試驗測試

3 結論

該新型空調管路是一種耐高溫高壓且適用于車用CO2熱泵系統的零部件，通過模擬分析和試驗驗證，該設計結構的CO2管路可以適應最高極限壓力17 MPa、爆破壓力65 MPa、系統高溫165 ℃、系統泄漏率30 g/年等嚴苛環境要求。

該零部件的成功研發對整個新能源汽車空調系統的發展有著至關重要的意義：

(1)作為系統零部件數量需求最多的零部件，如果它的可靠性、安全性和穩定性得到保證，那么整個系統的密封和泄漏風險就可以大大降低。

(2)其次國產化的結構研發成功，通過技術創新與攻關，取得R744新能源汽車抗高壓空調管路項目關鍵技術的突破，打破國外企業技術封鎖與市場壟斷。有利于汽車核心零部件企業更好地拓展國內外市場和組織產業化生產，從而有效拉動產業鏈上下游企業的協同發展，促進行業規模壯大和經濟效益的提高。

(3)該零部件的國內研發可以帶動整個散件國產化，其具有很好的經濟性，這也對推動CO2熱泵系統的普及有著巨大的推動意義。

節能降耗保護環境。通過技術創新，可實現R134a型熱泵空調替代，本項目產品能夠在高壓環境中長時間使用，有效實現節能降耗，大大提高新能源汽車續航里程，進一步提高新能源汽車產業在節能環保領域的貢獻。