電動汽車熱泵空調系統現狀及發展趨勢

蔣亞東

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070）

0 引言

純電動汽車具有無排放、能量轉化利用率高、噪聲低、運行成本低等優點，是我國新能源汽車產業發展和工業轉型的主要戰略方向；目前其推廣面臨的問題有續航里程較短、充電速度慢、配套設施不完善和動力性能較差等，其中因現有電池容量有限導致續航里程難以提升是制約其發展的關鍵問題［1］。空調系統是電動汽車耗能最大的輔助子系統，冬季制熱消耗的電能約占整車能耗的三分之一［2］，如何在保證乘員艙舒適性的前提下盡量降低空調系統對電能的消耗是當前行業研究的主要目標。

1 電動汽車用熱泵空調系統現狀

與傳統燃油汽車的空調系統不同，電動汽車空調系統為電驅動型，無法利用發動機冷卻液產生熱量來實現駕乘艙制熱。目前大多數電動汽車都是采用空調制冷+熱敏電阻PTC制熱的方式。PTC制熱由電能直接轉化為熱能，性能系數COP＜1，能耗大。熱泵空調系統通過逆卡諾循環能實現集制冷、制熱一體的功能，制熱效率更高（COP＞2.0），能夠很大程度上降低系統電能消耗，進而提升續航里程。

國外品牌車型使用熱泵空調較早，在乘用車上應用技術相對成熟。國際一級汽車系統部件供應商電裝、法雷奧、翰昂、馬勒、博世等紛紛推出熱泵空調系統解決方案。國內品牌主要在電動客車領域發力，上海加冷松芝研發了低溫變頻熱泵系統，在國內知名客車廠整車中得到廣泛應用；零部件廠商奧特佳電動渦旋式壓縮機國內市場占有率30%，三花智控已完成除壓縮機外零部件全覆蓋。但總體來說，國內目前主要還是以零部件配套為主，缺少系統的解決方案；整車的熱泵系統技術，特別是乘用車熱泵系統技術與國外相比還有較大差距。

在熱泵空調系統實際應用推廣過程中，還面臨一些突出的技術難題，主要表現為：1）當環境溫度降低時熱泵空調制熱COP值會顯著下降，環境溫度過低時甚至無法提供乘員艙所需的制熱量。2）熱泵空調系統在低溫高濕的環境中制熱運行時，車外換熱器的外表面會結上較厚的霜層，阻礙工質與外界的有效熱交換，換熱效率顯著下降，能耗增大。為解決上述問題，進一步提升熱泵空調系統全場景下的能效，特別是低環境溫度下制熱量、制熱能效，國內外車企、高校和科研機構等對車用空調系統各部件開展廣泛研究。主要集中在工質替代、高效電動渦旋壓縮機、微通道換熱器等方面。

2 環保工質替代

工質是在熱泵空調系統中進行能量轉化與傳遞的工作流體，其熱物理性質對熱泵空調系統的制冷/制熱能力及可靠性等有著直接影響。目前汽車空調中的工質主要是R134a，另外也有少部分汽車空調系統中使用R407c、R410a、R1234yf和CO2等。

R134a無毒不可燃，傳熱性能較好，但其沸點比較低（-26.5℃），環境溫度降低冷媒的氣化量會大幅降低，制熱效率下降，低溫制熱量不足且能耗高，無法滿足汽車空調低環境溫度下負荷要求；其GWP（1600）值較高，是歐盟和《京都議定書》中限制使用的工質。R407c是是由R32、R125和R134a 組成的三元非共沸混合工質，其GWP值為1980；陳言桂等［3］研究發現相比于R134a熱泵系統，R407c熱泵系統制熱時平均COP高27.6%，更適合于低溫環境運行。R410a是一種共沸混合工質，GWP值為2340，與R134a相比其低溫傳熱性能更好，缺點是運行壓力較高，生產成本較高；格力［4］、比亞迪等在研究并少量使用在汽車空調系統。R134a、R407c、R410a這三種主流的汽車空調工質由于其較高的GWP值，已經被限制使用；行業目前可用于替代的環保工質主要有R1234yf、CO2等。

R1234yf（ODP=0，GWP=4）是由霍尼韋爾和杜邦公司聯合推出的汽車空調用環保型工質，能滿足歐盟法規要求，且熱力學性質和傳熱特性與R134a相似，用于現有R134a汽車空調中，結構改動較小，成本費用低，是目前可替代R134a應用于汽車空調的最佳工質之一［5］；但其與R134a系統相比性能會有10%左右的下降，低溫制熱時性能下降會更突出。王秋實等［6］將不同混合比例的R1234yf/R134a混合工質應用在汽車熱泵空調系統中，COP略低于R134a系統，但差值不超過7%，具有一定可行性。

自然工質CO2（ODP=0，GWP=1）具有低溫制熱性能好、單位制冷量大等優點，被認為是汽車空調新一代工質的最佳選擇之一。德國奔馳在2017年率先推出了搭載CO2空調系統的汽車，豐田、奔馳等也已開始規模應用；法雷奧研發的CO2熱泵系統在-15℃下可增加行駛里程15%，在-20℃下可增加行駛里程30%。王丹東等［7］研發的CO2跨臨界車用熱泵空調系統在-20℃全新風環境下，出風溫度可達40.4℃，COP達1.8，低溫制熱效果優勢明顯。但CO2工質臨界溫度低（31℃），系統必須工作在跨臨界循環（壓力＞7.4MPa），運行壓力比R134a汽車空調系統高出很多，現有部件無法滿足系統可靠性和安全性的要求。

綜上所述，目前主流的一些環保型工質熱泵空調系統仍處于研發和初步適配階段，系統效率和安全性有待提高；超臨界CO2熱泵空調系統具有優異的低溫制熱性能且結構緊湊，隨著相關配套部件如CO2緊湊型微通道換熱器、電子膨脹閥、電動壓縮機等的研究突破，克服其系統穩定性、安全性等限制因素，有望迎來高速發展。

3 高效電動渦旋壓縮機技術

電動壓縮機是電動汽車熱泵空調系統最核心的部件之一，是降低其能耗的主要改善對象。電動渦旋式壓縮機憑借結構簡單、噪聲低、體積小、質量輕、運行平穩及效率高等優勢，成為當前電動汽車空調壓縮機的主流，在已上市的搭載有熱泵空調系統的電動汽車中被大量應用，但在實際應用中仍存在一些問題，導致壓縮機低溫制熱能力衰減較大，無法滿足乘員艙需求和系統高效運行。

1）傳統渦旋壓縮機為單級壓縮機，低溫工況時，其壓縮比增大，排氣溫度過高，排氣量降低，效率和性能系數迅速降低；單級壓縮的R134a熱泵空調系統在低溫環境下（低于-5℃）制熱效果衰減嚴重，在-10℃時基本無法正常工作［8］；補氣增焓的準二級/二級壓縮熱泵（如圖1）是通過在壓縮機上增加中間補氣回路，增大工質流量，能夠解決壓縮機排氣過高、制熱量不足、能效低等問題，是當前的主要研究方向。唐景春等［9］設計了R134a電動汽車準雙級壓縮熱泵空調系統，在-7℃環境溫度時，相比單級渦旋壓縮機，系統的制熱量和制熱性能系數COP分別提高了8.3% 和8.2%。蘇之勇等［10］對中壓補氣壓縮的R407C純電動客車熱泵空調系統進行研究發現，在-20℃的低溫工況下，相對于不補氣系統，中壓補氣系統的壓縮機排氣溫度降低17.7℃，制熱量增加64%，系統COP提高51%。在已經批量生產使用的廠家中，日本電裝生產的帶閃發器和噴氣増焓制冷回路的準二級R134a熱泵空調，與非補氣增焓熱泵系統相比，環境溫度-10℃時制熱能力提高26%，與PTC加熱相比，環境溫度-5℃時節能60%［11］。國內企業奧特佳研發的補氣增焓低溫熱泵系統，通過蒸汽噴射、補氣增焓換熱等技術，可以在-20℃環境溫度下提供4-5kW的制熱量，并保持2.0以上的系統運行COP，實現低溫環境下的高效制熱。

圖1 準雙級壓縮渦旋壓縮機

帶有補氣增焓的壓縮機可以有效改善低溫環境下單級渦旋壓縮機排氣溫度過熱和制熱能力低下的問題，但不同的補氣形式、補氣孔、補氣壓力等對壓縮機效率有較大影響，目前是行業的研究熱點，后續還需匹配新型環保冷媒加以進一步研究。

2）渦旋壓縮機由于其結構特征，無法實現完全密封；壓縮機在吸氣、壓縮、排氣過程中，伴隨著工質氣體壓力、溫度的變化，軸向和徑向間隙處易產生泄漏，嚴重影響系統效率。常用的密封方法及技術有油膜密封、密封條密封、背壓密封、迷宮密封技術等［12］。

背壓密封技術是目前行業研究的熱點之一，它是在靜渦旋盤上開設背壓平衡孔，通過引入壓縮氣體產生的徑向、軸向壓力實現端蓋與靜渦旋盤、靜渦旋盤與動渦旋盤等的間隙密封；但背壓力的控制是一個難題，特別是變轉速工況下背壓力的自適應調控和軸向力的平衡問題還不能夠很好的解決［12］，背壓力過大會導致動、靜渦旋盤擠壓摩擦加劇，損耗增大，噪音增大、穩定性降低；背壓力不足則會導致動、靜渦旋盤分離，軸向間隙增大，工質泄漏量增加，性能下降；Gennami H等［14］提出在電動渦旋壓縮機的靜渦盤上設置泄油通道，通過調節潤滑油流量，實現軸向氣體力的平衡；劉興旺等［15］提出轉速分區循環供油模式，通過計算不同轉速下油路的背壓力，實現了在較大轉速工況范圍下，電動渦旋壓縮機背壓力的調節。

除此之外，渦旋型線設計及加工技術、油路設計等也是目前行業難點，對渦旋壓縮機在熱泵工況下運行的可靠性、穩定性和效率有很大影響。

4 微通道換熱器及除霜技術

換熱器是熱泵系統與外界進行換熱的主要部件，對系統制冷/制熱性能有著直接影響。與傳統的銅管翅片換熱器相比，微通道換熱器（如圖2，通道直徑在0.001mm～1mm）整機換熱效率提升30%，體積、重量、冷媒充注量減少50%。經過不斷的發展，現如今已廣泛應用于汽車空調領域。日本汽車空調制造商電裝、三電和我國制造商三花、盾安等都批量生產全鋁微通道換熱器。三花智控預測全球每年將有500億以上的換熱器市場規模，而目前微通道換熱器整體替代率僅有5%左右，市場空間極大。

圖2 微通道換熱器的機構

但其用于熱泵空調系統中存在低環境溫度下外側微通道換熱器結霜嚴重的問題，極大的降低了系統性能［16］。對此，行業開展系統性研究，目前主流的解決方案主要有兩種。一種是針對內部兩相流動換熱、換熱器表面溫度分布規律方向研究，從風速、換熱器傾角、翅片、工質分配、表面處理等方面進行結構優化設計；Song［17］等研究表明，換熱器傾角對換熱系數有較大影響，適當的傾角有利于排水進而減少結霜；巫江虹［18］等發現當微通道換熱器被用作蒸發器時，換熱器表面溫度分布不均對系統性能的影響權重達43.9%，合理的微通道換熱器結構設計可以改善氣液兩相的分配均勻性，更利于系統性能的提升。劉鹿鳴等［19］對微通道換熱器進行了親水和疏水表面處理，結果表明經過親水表面處理的換熱器換熱量比原換熱器性能提升4%～6%。另一種是對影響室外換熱器霜層生長的機理、結霜速率、除霜方法等開展研究，采用高頻振動除霜、相變蓄熱除霜、加熱除霜、熱氣旁通除霜等方法延緩、消除其表面結霜［20］。但目前單一除霜方法均無法兼顧除霜速度、人員舒適性、除霜效果、高能效；行業內一些學者也在研究熱氣旁通和逆循環［21］、逆循環和PTC、電池電機余熱、蓄能材料等相結合的復合除霜方式，可以有效提升節能效果和舒適性。

5 結論與展望

電動汽車熱泵空調系統有著遠高于PTC的制熱能效，國外車型搭載經驗已超過5年，國內品牌也在不斷追趕并取得了一些成果；隨著汽車電動化進程的不斷推進，人們對車用熱泵空調的要求也在不斷提升。筆者認為當前和未來的工作重點應主要集中在以下幾個方面:

1）熱泵空調向環保、全場景節能、極端環境適用性等方面發展；研發新型替代工質、高效熱泵空調系統及其部件，如超臨界CO2熱泵空調、新型高效補氣壓縮機、高效微通道換熱器，解決制熱能耗大、能力不足等問題。研發適用于極端環境（極寒、極熱、高濕、高鹽）等地區的新型熱泵空調，提升整車的適用性。

2）熱泵空調系統向整車熱管理方向發展，滿足整車需求，負責電池系統、電機與功率器件等的熱管理，保證系統運行在最佳溫度區間，提升系統節能效果和可靠性。

3）熱泵空調向智能化方向發展，對環境溫濕度、車內溫濕度、出風溫度、電池溫度、水溫、工質溫度和壓力、車內CO2濃度、PM2.5等進行監控并自適應調控電動執行機構，以實現系統的節能性和舒適性。

隨著更優良的環保型工質的應用、壓縮機能效的提升、換熱器性能、空調管路、系統設計的優化，特別是超臨界CO2熱泵技術的突破，將不斷提升電動汽車的環境適用性、舒適性和智能化水平，未來電動汽車用熱泵空調將迎來高速發展，成為電動汽車產業發展的重要推動力。