電動汽車熱泵空調該用什麼冷媒？

由於電動汽車沒有發動機作為空調壓縮機的動力源，也不能提供汽車空調冬天制熱用的熱源，需要利用車載蓄電池實現採暖，而純依靠

PTC

電加熱會使電動車續航里程減少

35%

以上。因此，如何在保障電動汽車舒適性的同時，利用熱泵空調系統實現高效熱管理成為一個亟待解決的問題。其中，冷媒的選擇對熱泵系統設計和效能起到關鍵作用。

不同於普通家用熱泵空調，電動汽車熱泵空調常採用三換熱器的系統，以有效解決除霜除霧切換為制熱模式時帶來的車前窗

“

閃霧

”

問題，在保證空調效能的基礎上，提高行駛的安全性，三換熱器的電動汽車熱泵系統流程圖如圖

1

所示。

電動汽車熱泵空調的效能受到多種因素的影響，例如冷媒的選擇、冷媒充注量、蒸發器和冷凝器選型、壓縮機轉速及排量、系統結構形式等。

電動汽車熱泵空調系統最常用的冷媒為

R134a

。

2006

年，歐盟議會正式通過了淘汰含氟氣體的法規，規定自

2011

年起新開發車型停止使用

R134a

，

2017

年起新生產車輛停止使用

R134a

。

很多公司和各高校均開展了相應研究。目前，美國主推

HFO

類物質

R1234yf

，歐洲推崇天然製冷工質

CO

2

，雷諾

-

日產聯盟選擇將

R445A

作為汽車空調製冷工質，除此之外，汽車空調的替代冷媒還包括

R152a

、

R290

等，表

1

為常見電動汽車熱泵空調冷媒的基本物性。

1. HFC 類冷媒

1. HFC

.

R134a

具有無色、無毒、不可燃、粘度低、汽化潛熱高、比熱大等特點，是目前發展中國家汽車空調中最常用的冷媒。但其溫室效應潛能值高（

GWP=1300

），正面臨削減，且不符合歐洲

MAC

指令中汽車空調冷媒

GWP

＜

150

的要求。以

R134a

為工作流體的汽車熱泵（

AHP

）系統性能研究顯示，壓縮機轉速、環境溫度是影響系統性能的主要因素，見圖

2

和圖

3

。冷凝器和蒸發器處破壞是由冷媒與空氣間的平均溫差引起的，應在熱交換器上進行改進。

由於

R134a

存在比容隨著環境溫度降低而迅速增加、單位容積制熱量較低的問題，環境溫度降低會造成系統壓縮機功率和

COP

顯著下降，因此使用

R134a

熱泵的電動汽車仍需配備輔助加熱系統。

.

R152a

冷媒的臨界溫度略高於

R134a

，臨界壓力與

R134a

接近。

R152a

的優勢在於

GWP

值較低（

138

），其主要缺陷在於其安全等級為

A2

，存在可燃性。

類冷媒

目前的研究多采用二次迴路系統（圖

4

）來避免冷媒與乘客艙直接接觸，以保證使用的安全。目前暫未有

R152a

用於電動汽車熱泵的報道。

1.1 R134a

R1234yf

的熱物理性質與

R134a

近似經測試，其製冷量以及

COP

等效能引數也與

R134a

相近，可直接替代現有汽車空調中的

R134a

，且

R1234yf

毒性略低於

R134

，存在微弱可燃性。在熱泵模式中，

R1234yf

制熱能力略高於

R134a

，

COP

平均低

3。6%

，效率低於

R134a

。由於

R1234yf

與

R134a

效能接近，

R1234yf

替代

R134a

只需對系統作小的改變。

1.2 R152a

相較於 R134a 系統，R152a 系統的COP 更高，具有更好的傳熱特性和更低的壓降，但壓縮機排氣溫度的提高也會影響壓縮機耐久性和潤滑油穩定性。

2. HFO 類冷媒（R1234yf）

2. HFO

CO

2

（

R744

）冷媒環境效能優異、不燃無毒、運動粘度低、成本低。由於

CO

2

在低環境溫度下制熱效能優異，近年來

CO

2

熱泵成為該領域的研究熱點。蒸發溫度每降低

5

℃，

R134a

和

CO

2

的吸氣密度分別平均降低

18%

和

15%

，低溫下，

CO

2

工質的熱泵系統流量、制熱量均高於

R134a

，見圖

5

透過對系統元件和迴圈模式進行設計，採用

CO

2

工質的電動汽車熱泵系統比傳統採用

R134a

的系統性能更優異，但其不足之處在於臨界溫度低（僅

31。1

℃）、跨臨界迴圈壓力高（

7。4 MPa

）、壓比小、節流損失大，其壓縮機和熱泵系統成本高。

類冷媒（

R290

（丙烷）屬於天然工質，無毒、價格低廉，具有優異的環保效能、熱力學效能和電絕緣效能，化學性質穩定，對金屬無腐蝕作用。其缺點是在空氣中爆炸極限範圍為

2。1%

～

9。5%

（體積百分比），存在燃爆可能。對電動汽車熱泵系統中的冷媒

R134a

、

R407C

、

R290

進行了理論分析，模擬結果表明，與

R134a

相比，

R290

系統的制熱能力顯著提高了

51。3%

，

COP

提高了

3。7%

。透過研究室外環境溫度、室內迴圈空氣比、壓縮機轉速、室內風量流量和室外風量對電動汽車丙烷移動式熱泵系統性能影響，結果顯示，室外溫度和室內風量流量對系統

COP

影響較大。綜上所述，室外環境溫度在

-10

℃以上時，從效能和成本方面考慮，

R290

熱泵系統可能是電動汽車的最佳解決方案。

仍存在的問題為

R290

在

R134a

壓縮機中測試時壓縮機耗功偏高，

COP

略低，需要進一步設計降低耗功的

R290

專用壓縮機；

R290

的工作壓力略高於

R134a

，需要對連線橡膠軟管的系統進行最佳化，以承受壓力；

R290

的點火溫度一般在

600

℃以上

，

其輻射通量隨著流量的增大而顯著增加，為防止

R290

燃爆，需要設計一系列的安全防範措施。

R1234yf

）

工質研究進展

R410A

的標準沸點為

-51。6

℃，相較於

R134a

（沸點為

-26。2

℃）更加適合應用於低溫工況，常用於空呼叫截止閥、球閥等閥件，起密封作用的

O

形圈材料氫化丁腈橡膠（

HNBR

）與

R410A

及其冷凍油相容性良好。透過測試

R134a

、

R407C

、

R410A

對熱泵空調製熱效能的影響，在環境溫度為

-15

℃時，僅

R410A

工質能使車室內溫度上升到

18

℃，見圖

6

。從理論分析和實驗測試兩方面對比

R410A

與

R134a

的冷媒特性及低溫效能。實驗結果表明，在相同兩器配置下，

R410A

熱泵汽車空調系統可以減少壓縮機排量和冷媒灌注量，同時低溫制熱量有大幅度提升，見圖

7

。

R410A

已有成熟的電動汽車熱泵系統，制熱製冷效能均可滿足電動汽車需求，但其

GWP

值很高，為

2088

，面臨削減。

R410A

作為冷媒時系統執行壓力略高，需要開發相應高耐壓的關鍵元器件，比如電磁閥、蒸發器、冷凝器等

從理論分析和實驗測試兩方面對比

R410A

與

R134a

的冷媒特性及低溫效能。實驗結果表明，在相同兩器配置下，

R410A

熱泵汽車空調系統可以減少壓縮機排量和冷媒灌注量，同時低溫制熱量有大幅度提升，見圖

7

R410A

已有成熟的電動汽車熱泵系統，制熱製冷效能均可滿足電動汽車需求，但其

GWP

值很高，為

2088

，面臨削減。

R410A

作為冷媒時系統執行壓力略高，需要開發相應高耐壓的關鍵元器件，比如電磁閥、蒸發器、冷凝器等。

但R1234yf 與 R134a 都存在制熱能力不足的問題，當環境溫度等於或低於-10 ℃時，需要配備採用 PTC 加熱。

R445A

的沸點為

-21。5

℃，燃燒性較弱，在

-20

℃工況下效能良好。透過分子模擬對冷媒混合物

R445A

的氣液平衡、密度和粘度進行了預測。在蒸發溫度分別為

-5

℃和

5

℃，冷凝溫度分別為

30

℃和

60

℃的條件下，對

R1234yf

、

R444A

和

R445A

冷媒進行熱力學評估。結果顯示，

R445A

的製冷量高於

R1234yf

，但

COP

低於

R1234yf

。用混合冷媒

R134a/R744（

配比為

94%/6%）

代替

R445A

（

R1234ze（E）/R134a/R744

配比為

85%/9%/6%

）開展實驗。發現在室外環境溫度為

-20

℃～

-10

℃時，

R134a/R744

系統比

R134a

系統的制熱量高

15%

～

50%

；在室外溫度為

-20

℃時，

R134a

系統無法正常工作，而

R134a/R744

系統還可以獲得將近

3。5 kW

的熱量。結果見圖

8

。

綜上所述，目前

R445A

電動汽車熱泵綜合性能不及

R1234yf

和

R744

，但其燃燒性低、低溫下制熱效能優良以及對熱泵系統部件要求較低，是一種潛在的替代工質。

3. 自然工質

3.

對

R1234yf/R134a

配比為

56/ 44

（即

R513A

）和配比為

89/11

的混配工質開展製冷制熱工況實驗。製冷工況下，環境溫度改變對最佳電子膨脹閥開度影響不大；制熱工況下，隨工況溫度的降低，對應最佳膨脹閥開度降低。相對於

R134a

系統，混合冷媒空調系統制熱量增加約

14。0%

～

17。1%

，

COP

提升

4。3%

～

14%

。對

CO2

、

R41

和幾種

CO2-R41

共混物在汽車空調和熱泵系統中的應用效能開展研究。結果表明，隨

CO2

質量分數的增加，系統制熱量逐漸增大，

COP

逐漸減小，壓縮機功率和冷媒質量流量均增大，結果見圖

9

。為滿足電動汽車冷媒要求，近年來混合冷媒逐步成為研究熱點，常用的組元有

R134a

、

R1234yf

、

R32

、

R152a

、

R290

、

R744

等，透過採用優勢互補的原則來彌補單工質的侷限性，從而使混合工質兼顧熱物性、環保和安全性。

.

自然工質

理想的電動汽車熱泵空調冷媒要求為：零

ODP

值、低

GWP

值、無毒、不可燃、製冷制熱迴圈效能優異、原料易得且成本低廉。

目前電動汽車熱泵空調冷媒大多采用

R134a

，但由於其

GWP

值為

1300

，遠高於歐洲等主要國家對冷媒

GWP

值的限定，在出口方面受限，同時當外界溫度較低時，

R134a

系統制熱量衰減明顯，因此開發高效環保的電動汽車熱泵冷媒迫在眉睫。目前研究熱點集中在

R1234yf

和

CO2

，這兩種冷媒因基礎物性特點，分別存在制熱效能不足和排氣壓力過高等缺點。

在政策法規的推動下，冷媒替代主流是使用天然冷媒、

HFOs

及其混合冷媒，目前的電動汽車熱泵冷媒仍存在侷限性，無法滿足理想冷媒的要求。鑑於單工質的開發難度大，以及專利限制等因素，透過優勢互補開發新型環保混合冷媒是有效的應對措施，也是該領域的發展趨勢之一。

版權宣告：本文作者張凱等，版權歸屬原作者，內容由HETA小編編輯整理，轉載請註明來源。

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