R410A制冷剂在电动汽车热泵空调中的应用研究

吴会丽 李俊峰

WU Huili LI Junfeng

珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070

GREE Electric Appliances, Inc. of Zhuhai Zhuhai 519070

1 引言

电动汽车作为目前汽车发展的主流方向之一，具有能源利用多元化，安静无污染等优点。与传统燃油汽车相比，电动汽车没有发动机的热利用，无法采用传统的空调系统。热泵空调系统是很好的解决方案，具有制热量高、节能性好等优点。

调研发现常规热泵型汽车空调制冷剂仍采用R134a，但以R134a作为制冷剂的热泵汽车空调能效比不高，低温制热量差，-5℃以下无法满足汽车空调负荷要求，需PTC电加热辅助供热。由此可见，低温性能也是电动汽车空调的设计难点之一。

R410A制冷剂在家用热泵空调中特别是低温空调中已经有成熟应用，为了探讨R410A在汽车空调系统中应用的可能性，本文对R410A系统与R134a系统的低温性能进行了对比实验及分析。

2 R410A对汽车空调系统的要求

2.1 R410A制冷剂的兼容性

R134a系统使用PAG冷冻油时，适应的橡胶材料有：氯丁橡胶、三元乙丙胶；R410A制冷剂兼容性与适用性最好的是氢化丁腈橡胶（HNBR）；氢化丁腈橡胶常温物理性能、高低温（-30℃～100℃）耐老化性能稳定，卸除载荷后变形量小，耐油性能优异，选用邵氏硬度范围60～75可以满足要求，但成本较高。

2.2 R410A制冷剂对系统的耐压要求

由于R410A制冷剂在工作温区内的压力较R134a高2倍左右，故系统的耐压设计要求也较高。需要按照R410A系统的运行压力对系统各部件做相应的调整，比如：管路壁厚需要加厚，微通道换热器扁管壁厚增加，压缩机工作压力调整，节流阀和电磁阀的耐压都需要进一步增加。因为R410A制冷剂在家用及商用空调中均已成熟应用，各种元器件也都已成熟，因此只需在现有物料上进行车规元器件的适用性更改即可满足汽车热泵空调的要求。

3 R410A制冷剂特性

图1 各测试工况下的制热量

图2 各测试工况下的能效比

图3 各测试工况下的功率

R134a是目前汽车空调应用最广泛的制冷剂，表1是R410A和R134a两种制冷剂物性的对比。标准沸点和临界温度分别代表了制冷剂在正压使用下的饱和温度下限和上限,标准沸点越低越适合中低温制冷场合，临界温度越高越适合中高温热泵场合。低温热泵型汽车空调的工作温度范围为-20～50℃，从表1中可看出两种冷媒临界温度均能满足；R134a的标准沸点为-26.2℃，在超低温制热时蒸发侧换热温差很小，吸气比容大，制热量不足，不适合超低温热泵；而R410A的标准沸点分别为-51.6℃，相较于R134a更加适合应用于低温工况。

4 试验研究

4.1 试验前的准备

在焓差实验台上模拟汽车空调整车装配情况进行全工况台架性能实验测试，按照国标《汽车用电驱动空调器》征求意见稿中规定的低温型热泵制热全工况实验条件（见表2）为依据，对比测试两套样机。

由于R410A系统吸气比容是同工况下R134a的48%左右，在达到相同额定制冷能力的前提下，经模拟计算后优化了R410A样机的压缩机排量和制冷剂灌注量，两套对比样机的选型配置信息如表3。需要说明的是，两台样机在进行对比实验过程中都是设定最大制热模式后自由运行。

4.2 实验结果与分析

图1～4分别是两个样机在四种工况下的制热量、能效比、功率、压缩机频率的对比图，从图中可以看出，随着外环温度的降低，R410A样机的制热能力优势越明显，尤其在外侧-7℃、-12℃两个工况下，能力相比R134a系统分别提升了25.97%和49.55%。而R134a样机在-7℃以下工况的制热量并不能满足车内负荷要求，需要借助其他热源来满足车内取暖要求。

能效比方面，四个工况下R410A样机均比R134a样机高，分别高出了5.23%、11.59%、14.93%、30.44%，由此可以看出，在不改变两器配置的情况下，采用R410A作为制冷剂可以直接提升样机的能效水平。实际整车运行过程中，随着车内温度的快速上升，车内负荷变小，压缩机频率可随之降低，由于R410A系统制热量较大，其频率可以运行得更低，综合能效比可进一步提高。

表1 R410A与R134a制冷剂特性对比

表2 《汽车用电驱动空调器》制热实验全工况

表3 对比样机配置信息

从图5可以看到R410A样机的系统压力比R134a样机高，R134a样机在-7℃、-12℃时，吸气压力已经低于大气压力（0.1MPa），压缩机的吸气比容大，参与系统的制冷剂循环量小，样机性能变差。

结合图5对图3做进一步说明，-7℃、-12℃工况下R410A样机功率高于R134a样机，这是因为此时R134a样机系统中参与循环的制冷剂很少，压缩机功耗减小。有文献表明R410A的饱和压力约为R134a的2.25～3.2倍，图5所述可以很好的证明这一点。这就要求R410A系统在设计时充分考虑管路、元器件、两器等的耐压性能。

5 结论

（1）从满足车内取暖要求角度出发，采用R410A作为制冷剂优势更加明显，它能提升机组在低温环境下的制热量，解决电动汽车冬季取暖问题。在两器配置相同的情况下，R410A样机的制热量在外侧-7℃、-12℃两个工况下能力可分别提升25.97%、49.55%；

图4 各测试工况下的频率

图5 系统压力

（2）采用R410A制冷剂的热泵汽车空调系统可以减少压缩机排量和制冷剂灌注量，可缩小热泵系统的体积，进而减少整车总重量，也能提高电动汽车的续航里程；

（3）R410A作为制冷剂时系统运行压力虽高，但是仍在可控的范围内，并且现有管路材料可以满足耐压要求，关键元器件比如电磁阀、两器等需要做相应高耐压的产品开发。