R410A制冷劑在電動汽車熱泵空調中的應用研究

吳會麗 李俊峰

WU Huili LI Junfeng

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

GREE Electric Appliances, Inc. of Zhuhai Zhuhai 519070

1 引言

電動汽車作為目前汽車發展的主流方向之一，具有能源利用多元化，安靜無污染等優點。與傳統燃油汽車相比，電動汽車沒有發動機的熱利用，無法采用傳統的空調系統。熱泵空調系統是很好的解決方案，具有制熱量高、節能性好等優點。

調研發現常規熱泵型汽車空調制冷劑仍采用R134a，但以R134a作為制冷劑的熱泵汽車空調能效比不高，低溫制熱量差，-5℃以下無法滿足汽車空調負荷要求，需PTC電加熱輔助供熱。由此可見，低溫性能也是電動汽車空調的設計難點之一。

R410A制冷劑在家用熱泵空調中特別是低溫空調中已經有成熟應用，為了探討R410A在汽車空調系統中應用的可能性，本文對R410A系統與R134a系統的低溫性能進行了對比實驗及分析。

2 R410A對汽車空調系統的要求

2.1 R410A制冷劑的兼容性

R134a系統使用PAG冷凍油時，適應的橡膠材料有：氯丁橡膠、三元乙丙膠；R410A制冷劑兼容性與適用性最好的是氫化丁腈橡膠（HNBR）；氫化丁腈橡膠常溫物理性能、高低溫（-30℃～100℃）耐老化性能穩定，卸除載荷后變形量小，耐油性能優異，選用邵氏硬度范圍60～75可以滿足要求，但成本較高。

2.2 R410A制冷劑對系統的耐壓要求

由于R410A制冷劑在工作溫區內的壓力較R134a高2倍左右，故系統的耐壓設計要求也較高。需要按照R410A系統的運行壓力對系統各部件做相應的調整，比如：管路壁厚需要加厚，微通道換熱器扁管壁厚增加，壓縮機工作壓力調整，節流閥和電磁閥的耐壓都需要進一步增加。因為R410A制冷劑在家用及商用空調中均已成熟應用，各種元器件也都已成熟，因此只需在現有物料上進行車規元器件的適用性更改即可滿足汽車熱泵空調的要求。

3 R410A制冷劑特性

圖1 各測試工況下的制熱量

圖2 各測試工況下的能效比

圖3 各測試工況下的功率

R134a是目前汽車空調應用最廣泛的制冷劑，表1是R410A和R134a兩種制冷劑物性的對比。標準沸點和臨界溫度分別代表了制冷劑在正壓使用下的飽和溫度下限和上限,標準沸點越低越適合中低溫制冷場合，臨界溫度越高越適合中高溫熱泵場合。低溫熱泵型汽車空調的工作溫度范圍為-20～50℃，從表1中可看出兩種冷媒臨界溫度均能滿足；R134a的標準沸點為-26.2℃，在超低溫制熱時蒸發側換熱溫差很小，吸氣比容大，制熱量不足，不適合超低溫熱泵；而R410A的標準沸點分別為-51.6℃，相較于R134a更加適合應用于低溫工況。

4 試驗研究

4.1 試驗前的準備

在焓差實驗臺上模擬汽車空調整車裝配情況進行全工況臺架性能實驗測試，按照國標《汽車用電驅動空調器》征求意見稿中規定的低溫型熱泵制熱全工況實驗條件（見表2）為依據，對比測試兩套樣機。

由于R410A系統吸氣比容是同工況下R134a的48%左右，在達到相同額定制冷能力的前提下，經模擬計算后優化了R410A樣機的壓縮機排量和制冷劑灌注量，兩套對比樣機的選型配置信息如表3。需要說明的是，兩臺樣機在進行對比實驗過程中都是設定最大制熱模式后自由運行。

4.2 實驗結果與分析

圖1～4分別是兩個樣機在四種工況下的制熱量、能效比、功率、壓縮機頻率的對比圖，從圖中可以看出，隨著外環溫度的降低，R410A樣機的制熱能力優勢越明顯，尤其在外側-7℃、-12℃兩個工況下，能力相比R134a系統分別提升了25.97%和49.55%。而R134a樣機在-7℃以下工況的制熱量并不能滿足車內負荷要求，需要借助其他熱源來滿足車內取暖要求。

能效比方面，四個工況下R410A樣機均比R134a樣機高，分別高出了5.23%、11.59%、14.93%、30.44%，由此可以看出，在不改變兩器配置的情況下，采用R410A作為制冷劑可以直接提升樣機的能效水平。實際整車運行過程中，隨著車內溫度的快速上升，車內負荷變小，壓縮機頻率可隨之降低，由于R410A系統制熱量較大，其頻率可以運行得更低，綜合能效比可進一步提高。

表1 R410A與R134a制冷劑特性對比

表2 《汽車用電驅動空調器》制熱實驗全工況

表3 對比樣機配置信息

從圖5可以看到R410A樣機的系統壓力比R134a樣機高，R134a樣機在-7℃、-12℃時，吸氣壓力已經低于大氣壓力（0.1MPa），壓縮機的吸氣比容大，參與系統的制冷劑循環量小，樣機性能變差。

結合圖5對圖3做進一步說明，-7℃、-12℃工況下R410A樣機功率高于R134a樣機，這是因為此時R134a樣機系統中參與循環的制冷劑很少，壓縮機功耗減小。有文獻表明R410A的飽和壓力約為R134a的2.25～3.2倍，圖5所述可以很好的證明這一點。這就要求R410A系統在設計時充分考慮管路、元器件、兩器等的耐壓性能。

5 結論

（1）從滿足車內取暖要求角度出發，采用R410A作為制冷劑優勢更加明顯，它能提升機組在低溫環境下的制熱量，解決電動汽車冬季取暖問題。在兩器配置相同的情況下，R410A樣機的制熱量在外側-7℃、-12℃兩個工況下能力可分別提升25.97%、49.55%；

圖4 各測試工況下的頻率

圖5 系統壓力

（2）采用R410A制冷劑的熱泵汽車空調系統可以減少壓縮機排量和制冷劑灌注量，可縮小熱泵系統的體積，進而減少整車總重量，也能提高電動汽車的續航里程；

（3）R410A作為制冷劑時系統運行壓力雖高，但是仍在可控的范圍內，并且現有管路材料可以滿足耐壓要求，關鍵元器件比如電磁閥、兩器等需要做相應高耐壓的產品開發。