電動汽車熱泵空調冷媒研究進展

張 凱，歐陽洪生，張董鑫，管祥添，管仲達，李 偉，吳 茜，郭智愷*

（1.浙江省化工研究院有限公司，浙江 杭州 310023；2.含氟溫室氣體替代及控制處理國家重點實驗室，浙江 杭州 310023；3.中化藍天集團貿易有限公司，浙江 杭州 310051）

為了應對石油能源不可再生、環境污染等問題，開發電動汽車成為汽車行業的必然趨勢。相較于傳統燃油動力車，電動汽車具有環境污染小、噪聲低、可回收制動和下坡能量以提高能源利用率的優點。由于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采暖，而純依靠PTC 電加熱會使電動車續航里程減少35%以上[1]。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。

不同于普通家用熱泵空調，電動汽車熱泵空調常采用三換熱器的系統，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，在保證空調性能的基礎上，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性能受到多種因素的影響，例如冷媒的選擇、冷媒充注量[2]、蒸發器和冷凝器選型、壓縮機轉速及排量[3-4]、系統結構形式[5-7]等。其中，冷媒的選擇對熱泵系統設計和性能起到關鍵作用。

圖1 電動汽車熱泵空調系統原理圖

電動汽車熱泵空調系統最常用的冷媒為R134a[8]。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[9]?；裟犴f爾、杜邦、英力士、山東東岳化工、蘇州聯氟化學等公司[10]和各高校均開展了相應研究。目前，各種替代制冷工質各有其優缺點，美國主推HFO 類物質R1234yf，歐洲推崇天然制冷工質CO2，雷諾-日產聯盟選擇將R445A作為汽車空調制冷工質[11]，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。本文從冷媒特性及應用于汽車熱泵空調的性能、存在的優缺點及可行性等方面，介紹電動汽車空調冷媒的研究進展。

表1 電動汽車熱泵空調冷媒基本物性

1 HFC 類冷媒

1.1 R134a

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。

Direk 等[12]通過實驗研究了以R134a 為工作流體的汽車熱泵（AHP）系統性能。研究結果顯示，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。

圖2 不同壓縮機轉速下R134a 熱泵的制熱能力[12]

圖3 不同壓縮機轉速下R134a 熱泵的能效[12]

Qin 等[13]設計了一種冷媒噴射空氣源熱泵系統，與傳統系統相比，冷媒噴射系統的熱容量提高了27%。當車內進風溫度較高時，更大的噴油孔面積有利于提高車內進風加熱能力。

由于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[13]。

1.2 R152a

R152a 冷媒的臨界溫度略高于R134a，臨界壓力與R134a 接近。R152a 的優勢在于GWP 值較低（138），其主要缺陷在于其安全等級為A2，存在可燃性。

Ghodbane[14]對汽車空調中的部分冷媒進行了性能比較和熱評價，結果表明，R152a 系統比R134a 系統具有更好的傳熱特性和更低的壓降，壓縮機排量相似，R152a 系統的壓縮機放電溫度更高。

Direk 等[15]選用環保冷媒R152a 和R444A 作為R134a 替代冷媒用于汽車空調時，對兩者進行了制冷相關性能實驗研究。結果表明，相同工況下，R152a 的制冷量和COP 均高于R444A 和R134a，R152a 的破壞介于R134a 和R444A 之間。

綜上所述，相較于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。目前的研究多采用二次回路系統（圖4）來避免冷媒與乘客艙直接接觸[14]，以保證使用的安全。目前暫未有R152a 用于電動汽車熱泵的報道。Scherer 等[16]實驗得出，使用R152a 熱泵系統輔助加熱可顯著減少傳統汽車客艙預熱時間。

圖4 二次回路設計[14]

2 HFO 類冷媒（R1234yf）

R1234yf 的熱物理性質與R134a 近似，經測試，其制冷量以及COP 等性能參數也與R134a 相近，可直接替代現有汽車空調中的R134a[17]，且R1234yf 毒性略低于R134a[18]，存在微弱可燃性[19]。

Vaghela[19]對R1234yf 和其他幾種工質進行了熱力學仿真，R1234yf 排氣溫度比R134a 低16%，COP 比R134a 低約6.3%，壓力比R134a 低7.4%。

Aral 等[20]開發了一個實驗性的汽車空調和熱泵系統，對R134a 和R1234yf 冷媒熱性能進行了測試。在熱泵模式中，R1234yf 制熱能力略高于R134a，COP 平均低3.6%，效率低于R134a。

Zou 等[21]設計了帶二次流體循環的R1234yf熱泵測試系統。實驗結果顯示，R1234yf 熱泵系統的制熱能力和COP 與R134a 非常接近，提高電子膨脹閥開度有利于提高加熱性能，低室外環境溫度下R1234yf 系統制熱能力下降明顯。

由于R1234yf 與R134a 性能接近，R1234yf 替代R134a 只需對系統作小的改變。但R1234yf 與R134a 都存在制熱能力不足的問題[20]，當環境溫度等于或低于-10 ℃時，需要配備采用PTC 加熱[21]。

3 自然工質

3.1 CO2

CO2（R744）冷媒環境性能優異、不燃無毒、運動粘度低、成本低。由于CO2在低環境溫度下制熱性能優異，近年來CO2熱泵成為該領域的研究熱點。

Kim 等[22]將CO2熱泵系統用于燃料電池汽車的冷卻和加熱。通過對蒸發器和散熱器進行改進，供暖能力增加了35%～54%，COP 增加了16%～22%。

2018 年，王丹東等[23]在最低為-20 ℃的環境溫度下研究了CO2汽車熱泵的性能。蒸發溫度每降低5 ℃，R134a 和CO2的吸氣密度分別平均降低18%和15%，低溫下，CO2工質的熱泵系統流量、制熱量均高于R134a，見圖5。

圖5 CO2 和R134a 的吸氣密度與Te 的關系[23]

通過對系統元件和循環模式進行設計，采用CO2工質的電動汽車熱泵系統比傳統采用R134a 的系統性能更優異，但其不足之處在于臨界溫度低（僅31.1 ℃）、跨臨界循環壓力高（7.4 MPa）、壓比小、節流損失大[23]，其壓縮機和熱泵系統成本高。

3.2 R290

R290（丙烷）屬于天然工質，無毒、價格低廉，具有優異的環保性能、熱力學性能和電絕緣性能，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范圍為2.1%～9.5%（體積百分比），存在燃爆可能。

Shi 等[24]對電動汽車熱泵系統中的冷媒R134a、R407C、R290 進行了理論分析。仿真結果表明，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%。

Liu 等[25]研究了室外環境溫度、室內循環空氣比、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的影響。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，從性能和成本方面考慮，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 的工作壓力略高于R134a，需要對連接橡膠軟管的系統進行優化，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[26]，為防止R290 燃爆，需要設計一系列的安全防范措施。

4 混合冷媒

4.1 R410A 工質研究進展

R410A 的標準沸點為-51.6 ℃，相較于R134a（沸點為-26.2 ℃）更加適合應用于低溫工況，常用于空調用截止閥、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 及其冷凍油兼容性良好[27]。

陳凱勝等[28]測試了R134a、R407C、R410A 對熱泵空調制熱性能的影響。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。

圖6 不同工質下車室內升溫情況（環境溫度-15 ℃）[28]

吳會麗等[29]從理論分析和實驗測試兩方面對比R410A 與R134a 的冷媒特性及低溫性能。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。

圖7 R134a 與R410A 系統的制熱量、能效對比[29]

R410A 已有成熟的電動汽車熱泵系統，制熱制冷性能均可滿足電動汽車需求，但其GWP 值很高，為2088，面臨削減。R410A 作為冷媒時系統運行壓力略高，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。

4.2 R445A 工質研究進展

R445A 的沸點為-21.5 ℃，燃燒性較弱，在-20 ℃工況下性能良好。Raabe[30]通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。

Devecio lu 等[31]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 的制冷量高于R1234yf，但COP低于R1234yf。

Musser 等[32]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。

圖8 R134a 與R134a/R744 混合冷媒制熱性能對比[32]

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、低溫下制熱性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。

4.3 其他混合冷媒研究進展

王秋實等[33]開展了R1234yf/R134a 配比為56/44（即R513A）和配比為89/11 的混配工質的制冷制熱工況實驗。制冷工況下，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。張耘等[8]研究了在不同壓縮機轉速、不同混合比例下R134a/R32 混合冷媒在汽車空調中的制熱性能。相對于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%。

俞彬彬等[34]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性能開展研究。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。

圖9 壓縮機轉速和R41 質量分數對系統制熱性能的影響[34]

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[35]，通過采用優勢互補的原則來彌補單工質的局限性，從而使混合工質兼顧熱物性、環保和安全性。

5 結論與展望

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、制冷制熱循環性能優異、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，但由于其GWP 值為1300，遠高于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，分別存在制熱性能不足和排氣壓力過高等缺點，嚴重影響其大規模應用。

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[36-37]，目前的電動汽車熱泵冷媒仍存在局限性，無法滿足理想冷媒的要求。鑒于單工質的開發難度大，以及專利限制等因素，通過優勢互補開發新型環?；旌侠涿绞怯行У膽獙Υ胧?，也是該領域的發展趨勢之一。