高紅波 聶光輝 王慶合

摘? 要：新能源汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)使用電能利用制冷劑作為 介質(zhì)將低位熱源中的熱量轉(zhuǎn)移到高位熱源的車室內(nèi)，在環(huán)境0℃以上時其COP大于1，能效比遠(yuǎn)高于采用PTC電加熱的采暖方式。然而在冬季環(huán)境溫度低于0 ℃且小于濕空氣露點(diǎn)溫度時，因?yàn)槭彝鈸Q熱器結(jié)霜堵塞換氣通道，影響吸熱，造成換熱效率低下，從而縮短了新能源汽車冬季的續(xù)航里程，為了消除換熱器結(jié)霜，國內(nèi)外對此在換熱器材料及結(jié)構(gòu)方面、空調(diào)管道控制及選用制冷劑等方面做了各種研究試驗(yàn)，該文結(jié)合試驗(yàn)測試主要在融霜控制策略及對使用的各類汽車制冷劑性能做對比分析。

關(guān)鍵詞：熱泵空調(diào);融霜;制冷劑;R1234yf;R410A;R744

中圖分類號： U4，TB61? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

電動汽車采用熱泵空調(diào)系統(tǒng)取暖，是利用電能通過制冷劑將低位熱源中的熱量轉(zhuǎn)移到高位熱源的車室內(nèi)，所得到的熱量理論上為消耗的電能與吸收的低位熱能之和，因此其COP能效比大于1，在戶外0 ℃以上時，其能效遠(yuǎn)高于采用PTC電加熱。然而在冬季0 ℃尤其是-5 ℃以下時，由于室外換熱器結(jié)霜影響吸熱，從而造成換熱效率低下，為了消除換熱器結(jié)霜現(xiàn)象，國內(nèi)外對此陸續(xù)在空調(diào)融霜控制及制冷劑選用、換熱器結(jié)構(gòu)及材料改進(jìn)等方面做了相關(guān)的研究改進(jìn)，國外一些車型包括大眾、奧迪、雷諾、寶馬和日產(chǎn)等品牌均已量產(chǎn)裝車。近年來國產(chǎn)電動汽車典型車型如長安CS75 Plus、榮威Ei5、榮威MARVEL X等也已開始裝用熱泵空調(diào)。

1 熱泵空調(diào)融霜策略

為了防止制熱時因室外換熱器結(jié)霜影響制冷劑從室外吸收熱能，降低乘坐舒適性，我們在試驗(yàn)中采用了熱氣旁通制熱除霜方式。

當(dāng)熱泵空調(diào)處于制熱模式時（圖1），電磁四通換向閥如圖1所示兩兩接通。壓縮機(jī)把制冷劑氣體壓縮后呈高溫高壓狀態(tài)壓送至室內(nèi)的換熱器（此時為冷凝器功能），制冷劑在冷凝器降溫冷凝釋放熱量（此時室內(nèi)空氣被加熱），冷凝后的制冷劑被壓送至單向閥1，通過制熱毛細(xì)管的節(jié)流降壓，氣液混合的制冷劑在室外換熱器逐步氣化蒸發(fā)，制冷劑在液氣相變的同時從外界吸收了熱量存為其內(nèi)能，氣化后的低溫低壓制冷劑經(jīng)過四通閥進(jìn)入氣液分離器，被壓縮機(jī)吸入進(jìn)入下一循環(huán)[1]。

當(dāng)熱泵空調(diào)處于制冷模式下，A/C ECU使電磁四通換向閥改換方向兩兩接通。完全氣化的制冷劑（干過熱氣）被壓縮機(jī)吸入，壓縮成為高溫高壓的氣體排出，經(jīng)過電磁四通換向閥進(jìn)入室外換熱器放熱，冷凝成為液態(tài)制冷劑，液態(tài)制冷劑經(jīng)過單向閥2及毛細(xì)管阻力降壓后成為低溫低壓的氣液混合體，進(jìn)入室內(nèi)換熱器蒸發(fā)吸熱，此時室內(nèi)空氣被降溫，低溫低壓的氣化的制冷劑經(jīng)過電磁四通換向閥進(jìn)入氣液分離器。經(jīng)過氣液分離的制冷劑氣體被吸入壓縮機(jī)進(jìn)入下一循環(huán)。

為了防止制熱時因室外換熱器（此時為蒸發(fā)器）結(jié)霜結(jié)冰，進(jìn)而影響制冷劑通過換熱器表面的吸熱效率，從而導(dǎo)致?lián)Q熱效率降低，目前的解決方案是采用熱氣旁通制熱除霜的方式，如圖2所示。置于蒸發(fā)器表面的NTC溫度傳感器將信號傳遞給空調(diào)控制ECU，當(dāng)ECU通過傳感器判斷到-7℃信號時，A/C ECU將融霜電磁閥線路接通使閥開啟。從壓縮機(jī)出來的高溫高壓制冷劑有一部分經(jīng)融霜電磁閥被分流到室外換熱器的入口，迅速提高室外換熱器的溫度到0℃以上，將室外換熱器上的霜層熱融掉，使換熱器可以保持較高的換熱效率。

這種方法由于檢測設(shè)備限制，還不易精確判斷融霜及結(jié)霜的速率、厚度等情況，導(dǎo)致融霜雖有效果，但不能準(zhǔn)確判斷，隨著時間增加，霜層依然逐漸增厚，COP明顯下降，甚至低于1。目前主要在于系統(tǒng)能準(zhǔn)確判斷融霜的切入點(diǎn)和退出點(diǎn)，避免出現(xiàn)誤除霜，有霜不除，除霜未盡等現(xiàn)象[2]。

2 用于汽車熱泵空調(diào)的制冷劑性能比較

目前世界各國汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)制冷劑的種類繁多，主要有混合型R407c型、R410a及R134a型和R744（即CO2）型、R1234yf等。

2.1 混合型制冷劑R410A和R407c

R410A是由2種準(zhǔn)共沸制冷劑分別是50%的R32（二氟甲烷）和50%的R125（五氟乙烷）混合而成。R410A沸點(diǎn)低至-51.6 ℃，沸點(diǎn)差小于0.2 K，易揮發(fā)，運(yùn)行溫度范圍寬廣，具有良好的導(dǎo)熱和流動特性，比R134a滲透性低、不易產(chǎn)生滲漏，對于系統(tǒng)干燥性也沒有R134a要求高。R410A系統(tǒng)的運(yùn)行壓力：低壓端約0.8 MPa，高壓端為2.2 MPa～2.4 MPa。因其運(yùn)行壓力較高，氣體密度較大，比 R134a 更容易適配更小流量的壓縮機(jī)，采用更細(xì)的管路，制造成本也會降低。總的來說R410A相較于R134a更加適合應(yīng)用于熱泵空調(diào)[3]。

R407c是由R32、R125和R134a 3種非共沸點(diǎn)工質(zhì)混合而成的。R407c的臭氧層破壞潛能值（ODP）為0，因含有R134a，全球變暖潛能值（GWP）較R410A高。在一個大氣壓下，其沸點(diǎn)是-43.4 ℃～-36.1 ℃。其運(yùn)行壓力：低壓為 0.4 MPa～0.7 MPa，高壓為1.5 MPa～1.8 MPa，和R134a接近。但是，R407C由非共沸點(diǎn)工質(zhì)混合而成，使得R407C在蒸發(fā)或者冷凝時，不但要克服冷凝液層的熱阻，還要克服相變溫度梯度和汽液濃度差對傳熱帶來的負(fù)面影響，導(dǎo)致其傳熱系數(shù)比R410A低[4]。

R410A與R407C性能比較：R410A的蒸發(fā)傳熱系數(shù)和冷凝傳熱系數(shù)均高于R407C。蒸發(fā)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，R410A在光滑水平管及肋管內(nèi)的傳熱系數(shù)均比R407C高50%左右[4]。R410A及R407C的ODP值均為零，R410A的GWP小于0.2。

R407c在發(fā)生泄漏時或修理換件時管道內(nèi)的制冷劑無法回收，全部排放到大氣中，這樣一方面會增加維護(hù)成本;另一方面大量的排放這些氣體，也將提高全球變暖的潛能總值。

總體比較結(jié)果R410A優(yōu)于R407c。只是R410A系統(tǒng)在空調(diào)部件及管道設(shè)置方面要注意提高耐壓性。

2.2 R744（CO2）

CO2熱物理性能良好，具有高密度和低黏度的特性，其流動能量損失小、導(dǎo)熱系數(shù)高，適用于低溫工況的空調(diào)系統(tǒng)。同時二氧化碳原料易得、價廉、對環(huán)境表現(xiàn)友好，安全方面二氧化碳性能穩(wěn)定、不可燃、無毒安全性高。CO2的全球變暖潛能值GWP為1，是R134a的1‰，但CO2臨界壓力高、臨界溫度低。CO2制冷系統(tǒng)的臨界循環(huán)運(yùn)行壓力高達(dá)7.38 MPa以上，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的制冷空調(diào)系統(tǒng)，因此對系統(tǒng)及部件的設(shè)計(jì)要求極高，工作噪聲較大，但是裝置體積可以減小了，可以節(jié)省車上的空間。目前國內(nèi)生產(chǎn)的空調(diào)壓縮機(jī)及膨脹閥、換熱器等能否具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度等技術(shù)難關(guān)尚需突破，距離大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的生產(chǎn)使用還有相當(dāng)一段路程。

2.3 R134a

R134a屬于HFC（氫氟烴類）物質(zhì)，不會對臭氧層造成破壞，工質(zhì)單一穩(wěn)定性好，可以回收再循環(huán)使用，目前依然是被大多數(shù)國家肯定的制冷劑類型，也是我國目前的 主流制冷劑之一。但是R134a的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)為-26.2 ℃，R134a系統(tǒng)在超低溫制熱時蒸發(fā)器一側(cè)換熱溫差小，吸氣比容大，制熱量不足，不適合用于超低溫?zé)岜?在低溫工況下排氣溫度高、制熱性能衰減嚴(yán)重。因此不適用于嚴(yán)寒地區(qū)使用的熱泵空調(diào)。另外，R134a的GWP高達(dá)1 430，超過歐盟F-gas規(guī)定的GWP<150的標(biāo)準(zhǔn)。這意味著主流制冷劑R134a今后將逐步淡出市場。

2.4 R1234yf

根據(jù)柴玉鵬等的試驗(yàn)，在蒸發(fā)溫度-20 ℃以上時， R1234yf的制熱量比R134a系統(tǒng)的制熱量小0.75%～27.08%， 制熱COP小1.50%～29.96%[5]。整體上在不改變原有結(jié)構(gòu)情況下，低溫下R1234yf的制熱方面比R134a性能略差。R1234yf的蒸發(fā)潛熱為180.2KJ/kg，大約是R134a的0.83倍，因此其傳熱性能并不比R134a好。通過改變膨脹閥的開度、增加制冷劑充注量、提高壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速后可提高系統(tǒng)制熱性能。R1234yf的優(yōu)勢在于其各項(xiàng)性能與R134a接近，系統(tǒng)不需要大的改進(jìn)，且R1234yf的ODP同樣為0，GWP為4，遠(yuǎn)低于R134a，作為R134a的替代制冷劑之一，滿足人們對制冷劑環(huán)境友好性的要求。

只是R1234yf的安全等級為A2L，具有弱可燃性[6]。安全性方面影響了其推廣使用。

3 結(jié)語

從能量轉(zhuǎn)移途徑看，采用PTC加熱無論如何改進(jìn)，其得到的熱能總是小于消耗的電能，COP一定小于1;相比之下，低溫工況下的汽車熱泵空調(diào)雖然問題很多，但COP總是有希望得到提高，融霜控制模式的改進(jìn)、制冷劑的探索改良結(jié)合換熱器的結(jié)構(gòu)改良等，都將逐步提高低溫工況下的COP。

參考文獻(xiàn)

[1]李延鋒，石靜，程勛，等.純電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[J].制冷，2016，35（2）：18-22 .

[2]梁志豪，巫江虹，金鵬，等.電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)結(jié)霜特性及除霜策略[J].兵工學(xué)報，2017，38（1）：168-176.

[3]吳會麗，李俊峰.R410A制冷劑在電動汽車熱泵空調(diào)中的應(yīng)用研究[J].家電科技，2018（7）：51-53.

[4]陳九法，楊辰.環(huán)保制冷劑R410A和R407C的性能比較[J].流體機(jī)械，2005（7）：78-81.

[5]柴玉鵬，馬國遠(yuǎn)，許樹學(xué)，等.R1234yf和R134a制冷及制熱性能實(shí)驗(yàn)研究[J].制冷與空調(diào)（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.