汽车空调研究现状与发展趋势

刘 翔，毕 崟，梁 珂

（湖北汽车工业学院 汽车工程学院，湖北 十堰 442000 ）

空调是改善室内环境舒适性的主要途径，汽车空调作为空调中的一种，保证驾驶者和乘坐者的热舒适性，是现代汽车上必不可少的部分，也是汽车除了发动机以外最大的耗能单元。各大汽车企业通过对新技术的开发和应用来满足用户的不同需求，以此来提高企业自身竞争力，获取更大的市场，而汽车空调系统因其对乘坐舒适性和行驶安全性的重要影响已经成为汽车制造商竞争市场的主要手段之一。

随着人均汽车保有量不断增加，能源匮乏、大气污染等问题的日益加剧，现阶段节能环保、高效低耗成为汽车部件设计的主要理念，汽车空调作为汽车主要辅助设备，其能耗占比较大，且温室气体排放量约占汽车总排放量的2%～10%，也在向着高效化、节能环保的方向发展，关键问题在于汽车空调制冷采暖技术和制冷剂的选择。尤其对于日益兴起的新能源汽车，汽车空调系统能耗将极大影响到车辆的驱动性能，余热的不足也将给空调采暖带来新的技术挑战。故本文对汽车空调关键部件和国内外制冷剂的研究现状进行分析，着重对国内外新能源汽车空调技术的研究对比总结，从而掌握汽车空调技术未来发展方向，对开发出更加高效节能、实用可靠的汽车空调系统提供帮助，同时对汽车生产商提高市场综合竞争力具有实用意义。

1 汽车空调关键部件研究现状

近十多年来，汽车公司和高校科研人员大部分是基于使用十分广泛的蒸汽压缩制冷系统进行改进优化相关研究，使这项技术不断趋于成熟。蒸汽压缩制冷系统主要是由压缩机、蒸发器、膨胀阀、鼓风机和储液干燥器等部件构成，各部件与传感器配合运作。

1.1 压缩机

压缩机作为汽车蒸汽式制冷系统的核心部件，主要朝着高效化、轻量化以及减少工作震动与噪声等方向发展。其中外部调节变排量压缩机和涡旋式压缩机性能比较出众，是当前压缩机主要研究方向。传统汽车的空调压缩机通常是依靠发动机来驱动工作，故两者之间工作会相互影响。为了改善该问题，减少发动机动力损失，赵强等设计了一款双动力源车用压缩机传动系统，该系统工作原理是当汽车熄火或发动机停机时，空调压缩机由电动机单独驱动；发动机工作时，压缩机由发动机和电动机共同驱动。文中机械系统动力学自动分析（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems, ADAMS）系统模型如图1所示，该系统解决了发动机熄火导致压缩机无法工作的问题，不足之处是研究只完成了理论部分，未能进行装车测试，其可靠性和实用性有待进一步验证，但为压缩机提供了研究方向。

1.2 热交换器

如果说压缩机相当于人的心脏，那么换热器就是四肢，使空调系统能够发挥功用。一般车用空调换热器为冷凝器和蒸发器，它们结构十分类似，功用都是实现管道内物质与外界空气的热交换。其中蒸发器是系统制冷的中心，冷媒在其内蒸发吸收周围热量，从结构形式上来说，以往传统的管片式、管带式蒸发器在逐渐被层叠式和平行流式所取代。与传统蒸发器相比，层叠式蒸发器传热系数一般能提高10%到45%；其空气侧阻力一般分别为管带式和管片式的45%～80%和60%～80%，综合性能比传统的更加优越。

冷凝器通常位于汽车最前端，良好的空气流动与冷却风扇相互配合将压缩机的高温高压冷媒蒸汽冷却液化。传统的冷凝器也分为管片式和管带式，但当前平行流式和层叠式基本取代了传统冷凝器。其中平行流式冷凝器是管带式演变而来，具有换热效率高、结构紧凑等优点，是目前冷凝器主流结构。综合近几年换热器相关研究可以发现，如何强化热交换系统换热比、降低热阻、集成结构以缩小体积、减轻质量以及提高单位体积传热面积等都是热交换器系统研究主要方向和有待解决的问题。

1.3 膨胀阀

膨胀阀现阶段朝着轻量化、可靠、控制灵敏等方向优化，同时随着电子和传感器技术的不断发展，电子控制阀的控制精确程度会不断加强，将会广泛地应用在汽车空调系统当中。

2 国内外替代制冷剂研究现状

自我国在2010年实现了全面取代CFC类工质的替代以后，我国汽车空调系统广泛使用的是HFC-134a制冷剂，其臭氧消耗潜能（ODP）为0，但全球变暖潜能值（Global Warming Potential,GWP）高达1 430。按照《基加利修正案》的要求，我国要在2024年开始启动消减HFCs类物质。美国也将于2021年正式实施移除HFC-134a。所以为了缓解全球温室效应，车载空调替代制冷剂的研究已经十分迫切。

HFO-1234yf和CO是国际公认的AC系统替代制冷剂，国外方面有代表性的是奥迪公司，自2016年起开始批量采用R1234yf，并在2018年上市的奥迪A8上采用了CO作为该公司新型制冷剂。国内由于HFO-1234yf价格高昂一直无法普及，国内科研人员对此问题也在积极研究其他替代制冷剂方案。王秋实等针对两种不同混合比例的R1234yf/R134a混合工质进行实验分析，结果表明在热泵空调系统中混合工质相比R134a制热量提高约2.40%～6.95%，但性能系数（Coefficient of Performance, COP）略微降低，可认为该混合工质有潜力作为替代制冷剂应用于热泵空调系统中。叶茂杰分析确定了三种不同质量配比混合工质R290/R13I1、R1270/R13I1和RE170/R134a，通过在焓差室内实验研究发现，采用R290/R13I1和RE170/R134a制冷量和COP均有所提高，且两种新型工质GWP都在150以内，证实了其替代R134a的可行性。其次是基于纳米流体概念提出的纳米制冷剂，有学者就其在空调上的应用进行了相关研究，刘振洋通过计算、仿真、实验流程研究了R134a-Fe3O4纳米制冷剂在电动汽车空调上的表现性能，用CFD仿真模拟了其在空调冷凝器中的局部流动和传热，对比发现纳米制冷剂在液体和气体状态下换热量都比纯制冷剂高，且搭建实验系统测试后结果表明COP也有所提高。从该研究可以看出纳米制冷剂使空调系统性能得到提升，具备替代R134a的潜力，也为其余种类的纳米制冷剂研究作出了参考。

国外方面，SEREVINA V等人实验对比研究了R134a、R600a和R290三种制冷剂对汽车空调器性能的影响，发现R600a整体性能都优于其他两种，其COP最高且比R134a提高了约3.7%，质量流量约为R134a的50%，即R600a制冷剂充入系统的量约为R134a的50%。由此可见R600a是替代R134a的较优选择。WELLID I等人研究了三种不同冷凝器温度下R436A和R134a系统的COP，发现R436A空调系统COP相比之下有所降低，但该制冷剂对环境更为友好，可作为R134a替代制冷剂，另外针对COP减小问题进行实验研究，发现采用过冷器后R436A冷却性能优于R134a。故R436A与过冷器配合使用将能更好地实现节能环保需求。PON ABRAHAM J D A等人实验对比研究了R430A（R290/R600a混合工质）和R134a在汽车空调当中的热力学性能，发现R430基本满足取代R134a的主要要求，且在一定温度和湿度下，压缩机转速在1 000～3 000 r/min内变化时，R430A空调系统COP相较于R134a提高12%～20%，且GWP也更低，作为替代制冷剂有良好应用前景。

综合国内外研究发现，制冷剂选取很大程度上影响空调系统制冷性能，且选择合适制冷剂以适当比例混合得到的新型混合工质在汽车空调上表现的性能通常优于纯制冷剂，基于以上研究内容可知，未来一段时间研究关键将是确定制冷剂混合比例和混合后工质化学性质是否适用于汽车空调系统以及使用后制冷性能的变化程度。同时也要考虑混合制冷剂的生产工艺成本，保证其商业性可行性。

3 新能源汽车空调系统研究兴起

据统计，2020年我国新能源汽车保有量达492.02万辆，与2019年相比增加111.15万辆，预测2021年增 240万辆。在新能源汽车大力发展的同时，汽车空调作为新能源汽车的“小三电”之一，能耗占比较高，影响了新能源汽车行驶里程，对汽车空调系统的研究与改进就尤为关键。近些年研究大多是基于不同制冷剂的热泵空调系统和余热利用式空调系统，以及一些替代空调技术，如半导体制冷技术、喷射式制冷技术等。相比于传统汽车空调，新能源空调系统结构和控制系统有待完善，但其有着广阔的发展前景和研究空间，同时节能环保是不变的主题，其研究的兴起是必然的趋势。

3.1 热泵空调技术

考虑到无发动机余热可供采暖，通常纯电动汽车的空调系统采用单冷系统加上正温度系数热敏电阻（Positive Temperature Coefficient, PTC）加热，但是PTC电加热模式有较多缺陷，使电动汽车行驶里程降低约24%，故人们将目光转向更加高效的热泵系统，同时考虑用PTC电加热器辅助热泵系统制热，保证低温环境下制热达到预期。对电动汽车来说，高效的热泵系统是可靠的选择，科研人员对此系统进行了研究以提高性能使其与电动汽车更加匹配。

王丹东等研发了一套CO跨临界车用空调系统，研究了系统充注量对 CO车用热泵空调系统性能、循环特征及膨胀阀开度的影响，并对比实验提出了串联气冷器来提高换热能力的方法，系统运行过程如图2所示，实验结果表明，串联气冷器的热泵空调系统比单一气冷器的制热量和COP分别提高了17%～31%和20%～33%。综合来看，该系统使用天然工质CO为制冷剂，相比H134a系统更加节能环保，不过热泵系统受环境温度影响较大，故下一步可对该系统进行装车运行，研究较低或较高温度工况下的系统性能，使系统实现进一步优化。

对热泵系统在低温下制热性能较差问题，韩南奎等设计了一款利用电机余热的R134a热泵空调系统，分析了不同环境下系统COP，并将两种有、无余热利用系统的电动汽车续航里程进行了对比，结果如图3所示，搭载余热利用型热泵空调车辆行程增加13%～15%。该系统利用电机余热提高了续航里程，满足目前电车整体需求，未来优化完善后将有可期的应用前景。

综合近几年研究发现，优化改进后的热泵空调系统在纯电动汽车上发挥着重要的作用，正逐渐取代传统PTC加热模式，可以预测热泵空调系统在未来会被广泛采用。目前针对热泵系统受研究人员关注的制冷剂选择一般是R134a、R1234yf和CO，其中R1234yf因其GWP＜1和优于R134a的传热性能与天然工质CO一同被人们所看好。

3.2 余热利用式空调系统

对于燃料电池汽车，通常会因电机产生的余热选择余热利用空调系统，但是随着两个关键因素的发生：（1）汽车不断向着高效化、节能化方向发展，可利用余热不断减少；（2）燃料电池汽车在新能源汽车总体生产与使用上占比最小，且有继续减少的趋势。导致当前研究大多是针对纯电动汽车，燃料电池汽车相关部件研究逐渐减少。余热制冷技术早在上个世纪六十年代就有国外学者开展过相关研究，目前余热利用式空调技术研究方向主要是喷射式制冷系统和吸收式制冷系统。

基于喷射器的空调系统一方面对环境污染程度基本可以忽略，另一方面它具有利用低品位热能来驱动的能力。但喷射冷却系统目前存在所需支撑系统复杂、COP通常低于1以及汽车余热不足等问题，该技术就目前来说不适用，存在一定局限性。故相比之下，热泵空调系统在未来一段时间内会是新能源汽车空调系统的主流方向。

3.3 替代空调系统及存在问题

为了追求更高能效比以获得最佳续航里程，人们开始研究替代空调制冷技术。如太阳能蒸汽压缩制冷空调系统，该系统通过光伏板接收到太阳能并转化成电能驱动压缩机工作进行制冷，国内外对此替代系统都进行了研究，并发现此系统COP值几乎与传统汽车空调持平。但对于应用在汽车上仍存在一些问题：占据空间较大、不易布置且生产和维修成本较高，以及能量存储等。光电转换材料的光热转换效率提高和储能技术进一步发展将使太阳能空调系统性能大大提高。所以目前来说开发出更轻量化、高效的太阳能电池板和能量存储元件是太阳能空调系统的首要目标。

近几年，热电制冷技术又称半导体制冷技术开始出现在人们视野当中，其工作原理完全不同于传统汽车空调，是一种基于帕尔贴效应的制冷形式。徐小虎就基于太阳能驱动的半导体制冷系统在汽车空调上的应用进行研究，将其与传统空调进行对比分析，发现该制冷技术由于光电转换效率低导致半导体制冷效率低下，无法主导汽车空调制冷，当前这项技术更适合辅助制冷。若未来该技术的光电效率和制冷性能得到提升，将是最具潜力的替代制冷技术。

对于其它汽车替代空调技术，虽然达到了环保目的，但技术尚不成熟，均处于研发或装车测试阶段。就目前新能源汽车空调，采用电动压缩机的蒸汽压缩制冷系统商业化程度较好，同时考虑到环保与能源问题，热泵空调系统十分符合可持续发展观念，是目前具有很大发展潜力的车用空调系统。

4 结语

本文主要对传统汽车空调功用，关键部件研究现状以及国内外替代制冷剂研究进行阐述，总结它们目前各自的发展方向，得出以下结论：汽车空调关键部件均向着轻量化、可靠和控制灵敏方向不断优化发展；对于空调系统替代制冷剂，混合工质表现出的性能较为突出，未来一段时间研究方向是发掘最为合适的制冷剂混合比例，使得空调COP与制冷效果都能达到期望目标。本文重点对近几年国内外新能源汽车空调系统的研究进行了针对性的分析，通过介绍现阶段较为主流的制冷采暖技术——热泵空调系统、余热利用式空调系统，以及其他空调替代制冷技术，对比分析新能源汽车空调未来一段时间的发展趋势，旨在对相关科研人员的研究提供一定帮助，以改善汽车空调系统工作对环境带来的损害。

环境和能源问题将一直是我们需要考虑的重点，未来汽车空调系统的研发应当以环保和节能为原则，以满足大众需求为设计目标。对新能源汽车同样如此。现阶段，许多新型空调系统不断被开发并装车测试，为汽车空调发展开辟了十分广阔的前景，在传统汽车向着新能源汽车转变的大趋势当中，汽车空调也需适应变革，更加轻量化与高效化，这对新能源汽车的发展和用户接受程度的加强具有关键的推动作用。