提高新能源汽车热泵空调能效比的策略分析

高红波 聂光辉 王庆合

摘  要：新能源汽车热泵空调系统使用电能利用制冷剂作为 介质将低位热源中的热量转移到高位热源的车室内，在环境0℃以上时其COP大于1，能效比远高于采用PTC电加热的采暖方式。然而在冬季环境温度低于0 ℃且小于湿空气露点温度时，因为室外换热器结霜堵塞换气通道，影响吸热，造成换热效率低下，从而缩短了新能源汽车冬季的续航里程，为了消除换热器结霜，国内外对此在换热器材料及结构方面、空调管道控制及选用制冷剂等方面做了各種研究试验，该文结合试验测试主要在融霜控制策略及对使用的各类汽车制冷剂性能做对比分析。

关键词：热泵空调;融霜;制冷剂;R1234yf;R410A;R744

中图分类号： U4，TB61                    文献标志码：A

0 前言

电动汽车采用热泵空调系统取暖，是利用电能通过制冷剂将低位热源中的热量转移到高位热源的车室内，所得到的热量理论上为消耗的电能与吸收的低位热能之和，因此其COP能效比大于1，在户外0 ℃以上时，其能效远高于采用PTC电加热。然而在冬季0 ℃尤其是-5 ℃以下时，由于室外换热器结霜影响吸热，从而造成换热效率低下，为了消除换热器结霜现象，国内外对此陆续在空调融霜控制及制冷剂选用、换热器结构及材料改进等方面做了相关的研究改进，国外一些车型包括大众、奥迪、雷诺、宝马和日产等品牌均已量产装车。近年来国产电动汽车典型车型如长安CS75 Plus、荣威Ei5、荣威MARVEL X等也已开始装用热泵空调。

1 热泵空调融霜策略

为了防止制热时因室外换热器结霜影响制冷剂从室外吸收热能，降低乘坐舒适性，我们在试验中采用了热气旁通制热除霜方式。

当热泵空调处于制热模式时（图1），电磁四通换向阀如图1所示两两接通。压缩机把制冷剂气体压缩后呈高温高压状态压送至室内的换热器（此时为冷凝器功能），制冷剂在冷凝器降温冷凝释放热量（此时室内空气被加热），冷凝后的制冷剂被压送至单向阀1，通过制热毛细管的节流降压，气液混合的制冷剂在室外换热器逐步气化蒸发，制冷剂在液气相变的同时从外界吸收了热量存为其内能，气化后的低温低压制冷剂经过四通阀进入气液分离器，被压缩机吸入进入下一循环[1]。

当热泵空调处于制冷模式下，A/C ECU使电磁四通换向阀改换方向两两接通。完全气化的制冷剂（干过热气）被压缩机吸入，压缩成为高温高压的气体排出，经过电磁四通换向阀进入室外换热器放热，冷凝成为液态制冷剂，液态制冷剂经过单向阀2及毛细管阻力降压后成为低温低压的气液混合体，进入室内换热器蒸发吸热，此时室内空气被降温，低温低压的气化的制冷剂经过电磁四通换向阀进入气液分离器。经过气液分离的制冷剂气体被吸入压缩机进入下一循环。

为了防止制热时因室外换热器（此时为蒸发器）结霜结冰，进而影响制冷剂通过换热器表面的吸热效率，从而导致换热效率降低，目前的解决方案是采用热气旁通制热除霜的方式，如图2所示。置于蒸发器表面的NTC温度传感器将信号传递给空调控制ECU，当ECU通过传感器判断到-7℃信号时，A/C ECU将融霜电磁阀线路接通使阀开启。从压缩机出来的高温高压制冷剂有一部分经融霜电磁阀被分流到室外换热器的入口，迅速提高室外换热器的温度到0℃以上，将室外换热器上的霜层热融掉，使换热器可以保持较高的换热效率。

这种方法由于检测设备限制，还不易精确判断融霜及结霜的速率、厚度等情况，导致融霜虽有效果，但不能准确判断，随着时间增加，霜层依然逐渐增厚，COP明显下降，甚至低于1。目前主要在于系统能准确判断融霜的切入点和退出点，避免出现误除霜，有霜不除，除霜未尽等现象[2]。

2 用于汽车热泵空调的制冷剂性能比较

目前世界各国汽车热泵空调系统制冷剂的种类繁多，主要有混合型R407c型、R410a及R134a型和R744（即CO2）型、R1234yf等。

2.1 混合型制冷剂R410A和R407c

R410A是由2种准共沸制冷剂分别是50%的R32（二氟甲烷）和50%的R125（五氟乙烷）混合而成。R410A沸点低至-51.6 ℃，沸点差小于0.2 K，易挥发，运行温度范围宽广，具有良好的导热和流动特性，比R134a渗透性低、不易产生渗漏，对于系统干燥性也没有R134a要求高。R410A系统的运行压力：低压端约0.8 MPa，高压端为2.2 MPa～2.4 MPa。因其运行压力较高，气体密度较大，比 R134a 更容易适配更小流量的压缩机，采用更细的管路，制造成本也会降低。总的来说R410A相较于R134a更加适合应用于热泵空调[3]。

R407c是由R32、R125和R134a 3种非共沸点工质混合而成的。R407c的臭氧层破坏潜能值（ODP）为0，因含有R134a，全球变暖潜能值（GWP）较R410A高。在一个大气压下，其沸点是-43.4 ℃～-36.1 ℃。其运行压力：低压为 0.4 MPa～0.7 MPa，高压为1.5 MPa～1.8 MPa，和R134a接近。但是，R407C由非共沸点工质混合而成，使得R407C在蒸发或者冷凝时，不但要克服冷凝液层的热阻，还要克服相变温度梯度和汽液浓度差对传热带来的负面影响，导致其传热系数比R410A低[4]。

R410A与R407C性能比较：R410A的蒸发传热系数和冷凝传热系数均高于R407C。蒸发试验研究发现，R410A在光滑水平管及肋管内的传热系数均比R407C高50%左右[4]。R410A及R407C的ODP值均为零，R410A的GWP小于0.2。

R407c在发生泄漏时或修理换件时管道内的制冷剂无法回收，全部排放到大气中，这样一方面会增加维护成本;另一方面大量的排放这些气体，也将提高全球变暖的潜能总值。

总体比较结果R410A优于R407c。只是R410A系统在空调部件及管道设置方面要注意提高耐压性。

2.2 R744（CO2）

CO2热物理性能良好，具有高密度和低黏度的特性，其流动能量损失小、导热系数高，适用于低温工况的空调系统。同时二氧化碳原料易得、价廉、对环境表现友好，安全方面二氧化碳性能稳定、不可燃、无毒安全性高。CO2的全球变暖潜能值GWP为1，是R134a的1‰，但CO2临界压力高、临界温度低。CO2制冷系统的临界循环运行压力高达7.38 MPa以上，远高于传统的制冷空调系统，因此对系统及部件的设计要求极高，工作噪声较大，但是装置体积可以减小了，可以节省车上的空间。目前国内生产的空调压缩机及膨胀阀、换热器等能否具有足够的机械强度等技术难关尚需突破，距离大规模产业化的生产使用还有相当一段路程。

2.3 R134a

R134a属于HFC（氢氟烃类）物质，不会对臭氧层造成破坏，工质单一稳定性好，可以回收再循环使用，目前依然是被大多数国家肯定的制冷剂类型，也是我国目前的 主流制冷剂之一。但是R134a的标准沸点为-26.2 ℃，R134a系统在超低温制热时蒸发器一侧换热温差小，吸气比容大，制热量不足，不适合用于超低温热泵;在低温工况下排气温度高、制热性能衰减严重。因此不适用于严寒地区使用的热泵空调。另外，R134a的GWP高达1 430，超过欧盟F-gas规定的GWP<150的标准。这意味着主流制冷剂R134a今后将逐步淡出市场。

2.4 R1234yf

根据柴玉鹏等的试验，在蒸发温度-20 ℃以上时， R1234yf的制热量比R134a系统的制热量小0.75%～27.08%， 制热COP小1.50%～29.96%[5]。整體上在不改变原有结构情况下，低温下R1234yf的制热方面比R134a性能略差。R1234yf的蒸发潜热为180.2KJ/kg，大约是R134a的0.83倍，因此其传热性能并不比R134a好。通过改变膨胀阀的开度、增加制冷剂充注量、提高压缩机转速后可提高系统制热性能。R1234yf的优势在于其各项性能与R134a接近，系统不需要大的改进，且R1234yf的ODP同样为0，GWP为4，远低于R134a，作为R134a的替代制冷剂之一，满足人们对制冷剂环境友好性的要求。

只是R1234yf的安全等级为A2L，具有弱可燃性[6]。安全性方面影响了其推广使用。

3 结语

从能量转移途径看，采用PTC加热无论如何改进，其得到的热能总是小于消耗的电能，COP一定小于1;相比之下，低温工况下的汽车热泵空调虽然问题很多，但COP总是有希望得到提高，融霜控制模式的改进、制冷剂的探索改良结合换热器的结构改良等，都将逐步提高低温工况下的COP。

参考文献

[1]李延锋，石静，程勋，等.纯电动汽车热泵空调系统的设计与实验研究[J].制冷，2016，35（2）：18-22 .

[2]梁志豪，巫江虹，金鹏，等.电动汽车热泵空调系统结霜特性及除霜策略[J].兵工学报，2017，38（1）：168-176.

[3]吴会丽，李俊峰.R410A制冷剂在电动汽车热泵空调中的应用研究[J].家电科技，2018（7）：51-53.

[4]陈九法，杨辰.环保制冷剂R410A和R407C的性能比较[J].流体机械，2005（7）：78-81.

[5]柴玉鹏，马国远，许树学，等.R1234yf和R134a制冷及制热性能实验研究[J].制冷与空调（四川），2017，31（4）：435-440.

[6]BH Minor， D Herrmann， R Gravell. Flammability characteristics of HFO-1234yf[J].Process Safety Progress， 2010， 29（2）：150-154.