电动汽车热泵空调该用什么冷媒？

发布于：2021-10-28 09:49:28 来自：暖通空调/热泵工程 [复制转发]

由于电动汽车没有发动机作为空调压缩机的动力源，也不能提供汽车空调冬天制热用的热源，需要利用车载蓄电池实现采暖，而纯依靠 PTC 电加热会使电动车续航里程减少 35% 以上。因此，如何在保障电动汽车舒适性的同时，利用热泵空调系统实现高效热管理成为一个亟待解决的问题。其中，冷媒的选择对热泵系统设计和性能起到关键作用。

不同于普通家用热泵空调，电动汽车热泵空调常采用三换热器的系统，以有效解决除霜除雾切换为制热模式时带来的车前窗 “ 闪雾 ” 问题，在保证空调性能的基础上，提高行驶的安全性，三换热器的电动汽车热泵系统流程图如图 1 所示。 电动汽车热泵空调的性能受到多种因素的影响，例如冷媒的选择、冷媒充注量、蒸发器和冷凝器选型、压缩机转速及排量、系统结构形式等。

电动汽车热泵空调系统最常用的冷媒为 R134a 。 2006 年，欧盟议会正式通过了淘汰含氟气体的法规，规定自 2011 年起新开发车型停止使用 R134a ， 2017 年起新生产车辆停止使用 R134a 。

很多公司和各高校均开展了相应研究。目前，美国主推 HFO 类物质 R1234yf ，欧洲推崇天然制冷工质 CO ₂ ，雷诺 - 日产联盟选择将 R445A 作为汽车空调制冷工质，除此之外，汽车空调的替代冷媒还包括 R152a 、 R290 等，表 1 为常见电动汽车热泵空调冷媒的基本物性。

1 . HFC 类冷媒

1.1 R134a

R134a 具有无色、无毒、不可燃、粘度低、汽化潜热高、比热大等特点，是目前发展中国家汽车空调中最常用的冷媒。但其温室效应潜能值高（ GWP=1300 ），正面临削减，且不符合欧洲 MAC 指令中汽车空调冷媒 GWP ＜ 150 的要求。以 R134a 为工作流体的汽车热泵（ AHP ）系统性能研究显示，压缩机转速、环境温度是影响系统性能的主要因素，见图 2 和图 3 。冷凝器和蒸发器处破坏是由冷媒与空气间的平均温差引起的，应在热交换器上进行改进。

由于 R134a 存在比容随着环境温度降低而迅速增加、单位容积制热量较低的问题，环境温度降低会造成系统压缩机功率和 COP 显著下降，因此使用 R134a 热泵的电动汽车仍需配备辅助加热系统。

1.2 R152a

R152a 冷媒的临界温度略高于 R134a ，临界压力与 R134a 接近。 R152a 的优势在于 GWP 值较低（ 138 ），其主要缺陷在于其安全等级为 A2 ，存在可燃性。

相较于 R134a 系统， R152a 系统的 COP 更高，具有更好的传热特性和更低的压降，但压缩机排气温度的提高也会影响压缩机耐久性和润滑油稳定性。目前的研究多采用二次回路系统（图 4 ）来避免冷媒与乘客舱直接接触，以保证使用的安全。目前暂未有 R152a 用于电动汽车热泵的报道。

2. HFO 类冷媒（ R1234yf ）

R1234yf 的热物理性质与 R134a 近似经测试，其制冷量以及 COP 等性能参数也与 R134a 相近，可直接替代现有汽车空调中的 R134a ，且 R1234yf 毒性略低于 R134 ，存在微弱可燃性。在热泵模式中， R1234yf 制热能力略高于 R134a ， COP 平均低 3.6% ，效率低于 R134a 。由于 R1234yf 与 R134a 性能接近， R1234yf 替代 R134a 只需对系统作小的改变。 但 R1234yf 与 R134a 都存在制热能力不足的问题，当环境温度等于或低于 -10 ℃时，需要配备采用 PTC 加热。

3 . 自然工质

3.1 CO2

CO ₂ （ R744 ）冷媒环境性能优异、不燃无毒、运动粘度低、成本低。由于 CO ₂ 在低环境温度下制热性能优异，近年来 CO ₂ 热泵成为该领域的研究热点。蒸发温度每降低 5 ℃， R134a 和 CO ₂ 的吸气密度分别平均降低 18% 和 15% ，低温下， CO ₂ 工质的热泵系统流量、制热量均高于 R134a ，见图 5

通过对系统元件和循环模式进行设计，采用 CO ₂ 工质的电动汽车热泵系统比传统采用 R134a 的系统性能更优异，但其不足之处在于临界温度低（仅 31.1 ℃）、跨临界循环压力高（ 7.4 MPa ）、压比小、节流损失大，其压缩机和热泵系统成本高。

3.2 R290

R290 （丙烷）属于天然工质，无毒、价格低廉，具有优异的环保性能、热力学性能和电绝缘性能，化学性质稳定，对金属无腐蚀作用。其缺点是在空气中爆炸极限范围为 2.1% ～ 9.5% （体积百分比），存在燃爆可能。对电动汽车热泵系统中的冷媒 R134a 、 R407C 、 R290 进行了理论分析，仿真结果表明，与 R134a 相比， R290 系统的制热能力显著提高了 51.3% ， COP 提高了 3.7% 。通过研究室外环境温度、室内循环空气比、压缩机转速、室内风量流量和室外风量对电动汽车丙烷移动式热泵系统性能影响，结果显示，室外温度和室内风量流量对系统 COP 影响较大。综上所述，室外环境温度在 -10 ℃以上时，从性能和成本方面考虑， R290 热泵系统可能是电动汽车的最佳解决方案。

仍存在的问题为 R290 在 R134a 压缩机中测试时压缩机耗功偏高， COP 略低，需要进一步设计降低耗功的 R290 专用压缩机； R290 的工作压力略高于 R134a ，需要对连接橡胶软管的系统进行优化，以承受压力； R290 的点火温度一般在 600 ℃以上 , 其辐射通量随着流量的增大而显著增加，为防止 R290 燃爆，需要设计一系列的安全防范措施。

4. 混合冷媒

4.1 R410A

工质研究进展 R410A 的标准沸点为 -51.6 ℃，相较于 R134a （沸点为 -26.2 ℃）更加适合应用于低温工况，常用于空调用截止阀、球阀等阀件，起密封作用的 O 形圈材料氢化丁腈橡胶（ HNBR ）与 R410A 及其冷冻油兼容性良好。通过测试 R134a 、 R407C 、 R410A 对热泵空调制热性能的影响，在环境温度为 -15 ℃时，仅 R410A 工质能使车室内温度上升到 18 ℃，见图 6 。从理论分析和实验测试两方面对比 R410A 与 R134a 的冷媒特性及低温性能。实验结果表明，在相同两器配置下， R410A 热泵汽车空调系统可以减少压缩机排量和冷媒灌注量，同时低温制热量有大幅度提升，见图 7 。 R410A 已有成熟的电动汽车热泵系统，制热制冷性能均可满足电动汽车需求，但其 GWP 值很高，为 2088 ，面临削减。 R410A 作为冷媒时系统运行压力略高，需要开发相应高耐压的关键元器件，比如电磁阀、蒸发器、冷凝器等

从理论分析和实验测试两方面对比 R410A 与 R134a 的冷媒特性及低温性能。实验结果表明，在相同两器配置下， R410A 热泵汽车空调系统可以减少压缩机排量和冷媒灌注量，同时低温制热量有大幅度提升，见图 7

R410A 已有成熟的电动汽车热泵系统，制热制冷性能均可满足电动汽车需求，但其 GWP 值很高，为 2088 ，面临削减。 R410A 作为冷媒时系统运行压力略高，需要开发相应高耐压的关键元器件，比如电磁阀、蒸发器、冷凝器等。

4.2 R445A 工质研究进展

R445A 的沸点为 -21.5 ℃，燃烧性较弱，在 -20 ℃工况下性能良好。通过分子模拟对冷媒混合物 R445A 的气液平衡、密度和粘度进行了预测。在蒸发温度分别为 -5 ℃和 5 ℃，冷凝温度分别为 30 ℃和 60 ℃的条件下，对 R1234yf 、 R444A 和 R445A 冷媒进行热力学评估。结果显示， R445A 的制冷量高于 R1234yf ，但 COP 低于 R1234yf 。用混合冷媒 R134a/R744( 配比为 94%/6%) 代替 R445A （ R1234ze(E)/R134a/R744 配比为 85%/9%/6% ）开展实验。发现在室外环境温度为 -20 ℃～ -10 ℃时， R134a/R744 系统比 R134a 系统的制热量高 15% ～ 50% ；在室外温度为 -20 ℃时， R134a 系统无法正常工作，而 R134a/R744 系统还可以获得将近 3.5 kW 的热量。结果见图 8 。

综上所述，目前 R445A 电动汽车热泵综合性能不及 R1234yf 和 R744 ，但其燃烧性低、低温下制热性能优良以及对热泵系统部件要求较低，是一种潜在的替代工质。

4.3 其他混合冷媒研究进展

对 R1234yf/R134a 配比为 56/ 44 （即 R513A ）和配比为 89/11 的混配工质开展制冷制热工况实验。制冷工况下，环境温度改变对最佳电子膨胀阀开度影响不大；制热工况下，随工况温度的降低，对应最佳膨胀阀开度降低。相对于 R134a 系统，混合冷媒空调系统制热量增加约 14.0% ～ 17.1% ， COP 提升 4.3% ～ 14% 。对 CO2 、 R41 和几种 CO2-R41 共混物在汽车空调和热泵系统中的应用性能开展研究。结果表明，随 CO2 质量分数的增加，系统制热量逐渐增大， COP 逐渐减小，压缩机功率和冷媒质量流量均增大，结果见图 9 。为满足电动汽车冷媒要求，近年来混合冷媒逐步成为研究热点，常用的组元有 R134a 、 R1234yf 、 R32 、 R152a 、 R290 、 R744 等，通过采用优势互补的原则来弥补单工质的局限性，从而使混合工质兼顾热物性、环保和安全性。

5.总结

理想的电动汽车热泵空调冷媒要求为：零 ODP 值、低 GWP 值、无毒、不可燃、制冷制热循环性能优异、原料易得且成本低廉。

目前电动汽车热泵空调冷媒大多采用 R134a ，但由于其 GWP 值为 1300 ，远高于欧洲等主要国家对冷媒 GWP 值的限定，在出口方面受限，同时当外界温度较低时， R134a 系统制热量衰减明显，因此开发高效环保的电动汽车热泵冷媒迫在眉睫。目前研究热点集中在 R1234yf 和 CO2 ，这两种冷媒因基础物性特点，分别存在制热性能不足和排气压力过高等缺点。

在政策法规的推动下，冷媒替代主流是使用天然冷媒、 HFOs 及其混合冷媒，目前的电动汽车热泵冷媒仍存在局限性，无法满足理想冷媒的要求。鉴于单工质的开发难度大，以及专利限制等因素，通过优势互补开发新型环保混合冷媒是有效的应对措施，也是该领域的发展趋势之一。

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