摘    要

為了滿足電動汽車(BEV)的低溫環(huán)境挑戰(zhàn)，有必要在HVAC系統(tǒng)上使用熱泵（H/P）。然而，由于常規(guī)制冷劑R134A/ R1234YF的沸點限制，即使增加了蒸汽噴射循環(huán)(VI)，由于-26℃的沸騰溫度(BT)限制，盡管蒸汽噴射熱泵(VIH/P)可以在環(huán)境溫度-18℃時達(dá)到COP≥1.7，但要滿足-30℃或更低的環(huán)境溫度下的使用需求時仍存在許多困難。一種低BT制冷劑—R410A組合蒸汽噴射循環(huán)，在極低環(huán)境(如-30℃)下有一定的泵熱潛力。為了了解R410A+VI的實際加熱性能，對由傳統(tǒng)車輛(ICE燃?xì)夤┡?、帶PTC水熱系統(tǒng)的純電動汽車(R134A)和帶VI熱泵系統(tǒng)的純電動汽車(R410A)組成的三輛試驗車進行道路測試，并進行比較。測試區(qū)域覆蓋了中國最冷的城市，如哈爾濱(-20℃)、牙克石(-39℃)等。基于R410A的VIH/P客艙加熱系統(tǒng)的道路測試有著不錯的表現(xiàn)，基本上滿足了乘客舒適度和除霧/除霜的要求。本文對實驗的相關(guān)信息進行了闡述，包括車輛信息、熱泵系統(tǒng)、使用的部件等。同時也揭示了在R410A車用暖通空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用中引起的一些環(huán)境問題。

01  背    景

全球范圍內(nèi)正掀起一陣純電動汽車取代傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的大浪潮。然而，由于低溫對電池輸出性能的影響，在低溫環(huán)境下，電動汽車即要保持足夠巡航里程又要使客艙充分加熱是一大技術(shù)考驗。這意味著，雖然熱泵系統(tǒng)起到了一定作用，但仍然不滿足低溫環(huán)境下的需求。給人的印象是，以R134a/R1234yf為制冷劑的常規(guī)熱泵系統(tǒng)在低于10℃的環(huán)境條件下就很難運行。在純電動汽車開發(fā)的早期階段，汽車制造商通常采用常規(guī)的R134a制冷回路在炎熱的天氣為機艙降溫，并在寒冷的天氣使用PTC加熱器為客艙加熱。然而，PTC加熱器會消耗相當(dāng)多的能源。據(jù)2010年有關(guān)報道，在正常環(huán)境下，BEV的巡航距離達(dá)到160公里，但在0℃時，距離急劇下降到不到60公里，這是由于PTC加熱器需要5000W的功率提供加熱。近年來，世界上許多車企都在努力提升電車在寒冷環(huán)境下的表現(xiàn)。2016年，Zhai發(fā)表了“蒸汽噴射循環(huán)勢能在BEV MAC系統(tǒng)上的潛在應(yīng)用”，指出在熱泵系統(tǒng)上采用蒸汽噴射循環(huán)可能是一個現(xiàn)實的解決方案，可以覆蓋更大的BEV冬季運行工況，H/P+VI循環(huán)在環(huán)境-18℃時可達(dá)到COP≥1.7，并可產(chǎn)生高達(dá)40-70%的加熱效率。之后，汽車制造商開始裝配基于R134a的H/P系統(tǒng)，以提供更好的加熱解決方案。2014年，為了提高冬季的巡航距離，BMW i3采用了H/P加熱，因為H/P加熱將使加熱功率從5000W減少到2500W，減少了50%。然而值得注意的是，在環(huán)境-10℃時，H/P將被關(guān)閉，并切換到電加熱器。2017年，Yoshiaki Harakawa等人報道了一款基于VI的ESBG27壓縮機(HFC134a/HFO1234yf)，“可以安裝在汽車上”，在10℃環(huán)境下“加熱性能提高26%”，“在5℃時減少63%的能耗”，可以代替PTC加熱。值得注意的是，“-10℃”似乎是目標(biāo)操作環(huán)境條件。到目前為止，VI熱回路的參與表明純電動汽車的客艙加熱方法已經(jīng)達(dá)到了一個復(fù)雜的技術(shù)階段。然而，車用暖通空調(diào)制冷劑的選擇仍然受到傳統(tǒng)選擇的限制，即R134a/R1234yf和R744。R134a/R1234yf的一個關(guān)鍵問題是低溫H/P環(huán)境下的高沸點(-26.4℃和-29.4℃)(表1)，即使采用VI也無法克服，這導(dǎo)致人們普遍認(rèn)識到R134A/R1234YF的環(huán)境適用性實際僅在-18℃左右。另外，由于GWP 指數(shù)高達(dá)1430，R134a在未來可能會被禁用。有著超低GWP的R744，是低環(huán)境堆泵的理想制冷劑，但由于成本較高，迄今為止未能得到大多數(shù)汽車制造商的認(rèn)可。

02  R410A熱泵系統(tǒng)適用于-30℃極端工況

R410A是一種近沸點二元混合制冷劑，已在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用于住宅空調(diào)。R410A的沸點溫度為-51.4℃，結(jié)合VI循環(huán)和H/P系統(tǒng)有著極大的潛力。然而，值得注意的是:傳統(tǒng)上，汽車只使用純質(zhì)制冷劑，如R12、R134A、R1234YF和CO2等，從不使用混合制冷劑。R410A的GWP值高于R134A，這可能會引起人們對環(huán)境的擔(dān)憂。(在本文后面的章節(jié)中，我們將討論R410A H/P應(yīng)用于汽車的環(huán)境問題)。比亞迪和北汽一直在合作開展基于R410A的純電動汽車H/P+VI加熱研究，以應(yīng)對極端環(huán)境的挑戰(zhàn)。

表1 制冷劑性能比較

圖1 住宅空調(diào)系統(tǒng)常用制冷劑R404A、R407A

實驗車隊由3輛車組成，目的是進行道路試驗。具體如下:

1、傳統(tǒng)車輛（ICE、水加熱)

道路測試于2018年1月在中國牙克石(-39℃)進行。此外，還在中國哈爾濱(-24℃)、中國長春(-18℃)進行了道路測試。從試驗結(jié)果來看，R410A VI客艙加熱系統(tǒng)基本滿足了所有乘客的舒適性要求，并且除霜除霧效果良好。R410A VIH/P系統(tǒng)似乎能夠滿足-30℃的極端工況需求。

純電動汽車比亞迪e5測試信息

選擇比亞迪電動車e5作為搭載三種車載加熱的平臺。e5的基本信息見表2。圖2是這輛車的照片。測試車隊由三輛e5汽車組成，分別配備不同的加熱系統(tǒng)。

表2  試驗電動車BYD-e5詳情

圖2 BYD-e5樣車實拍

03 客艙舒適性加熱方法研究

目前，車用暖通空調(diào)系統(tǒng)有三種采暖模式:PTC空氣加熱器、PTC熱水器(圖3)和H/P采暖(表3)。在對每種采暖模式的優(yōu)缺點進行篩選后，從采暖能力、人體舒適度、能效等方面進行比較，得出H/P采暖模式勝出，總得分為+4(表4)。

圖3 試驗車所用PTC空氣加熱器（上）和水加熱器（下）

表3 三種加熱方式比較

表4 環(huán)境倉內(nèi)試驗結(jié)果

04 關(guān)于準(zhǔn)雙級壓縮熱泵系統(tǒng)-蒸汽注入循環(huán)

作為經(jīng)典雙級壓縮H/P系統(tǒng)的替代設(shè)計，安裝H/P原理圖如圖4所示。與圖[6]中使用兩臺壓縮機形成雙級壓縮相比，為了降低成本，只使用一臺壓縮機，通過優(yōu)化元件布置和電路，形成準(zhǔn)雙級壓縮回路。在圖4中，閃蒸中間冷卻器5用于分離液汽，并將EXV A后的蒸汽引導(dǎo)至端口6進行第一級壓縮;5處的液體將由EXV B進行節(jié)流，然后進入蒸發(fā)器并返回端口1的壓縮機進行進一步壓縮。此外，為了合理控制蒸發(fā)溫度，還安裝了兩個電子熱膨脹閥(EXV A、EXV B)。

圖4 雙級壓縮熱泵原理圖

05 H/P系統(tǒng)加熱性能環(huán)境室驗證試驗比較

常規(guī)熱泵和水加熱器進行比較

在進行機載試驗之前，需要進行實驗室實驗，以確認(rèn)H/P系統(tǒng)的實際性能(圖5)。評價實驗在環(huán)境箱中進行，在環(huán)境溫度為7℃、2℃和15℃的條件下，比較基礎(chǔ)水加熱系統(tǒng)與對比H/P系統(tǒng)的差異(表4)。對比試驗結(jié)果(表4)表明，與常規(guī)水加熱相比，H/P在COP和供熱能力上均具有顯著優(yōu)勢。例如，在15℃條件下，與水加熱系統(tǒng)相比，H/P總體提高了33.3%。

常規(guī)熱泵和雙級壓縮熱泵進行比較

此外，還進行了一組對比測試，以評估單級壓縮H/P和雙級壓縮H/P(也稱為閃蒸系統(tǒng))之間的差異，以選擇哪一種應(yīng)用于機載以實現(xiàn)最大效益。通過評價實驗發(fā)現(xiàn)，結(jié)果如圖6所示，表明雙壓縮H/P在容量和COP上都有相當(dāng)大的優(yōu)勢。在25℃蒸發(fā)工況下，VI H/P的制熱能力比H/P高30%左右，COP比H/P好20%。測試結(jié)果幫助我們決定下一步的車載道路測試，并為雙壓縮H/P的應(yīng)用鋪平道路。VI H/P最終安裝在汽車上，將以最佳性能突破-30℃的極寒屏障。

圖5 環(huán)境倉內(nèi)熱系統(tǒng)評價試驗

圖6 雙級壓縮熱泵在容量和COP方面具有顯著優(yōu)勢

在道路試驗之前，已經(jīng)完成了實驗室性能對比試驗，以發(fā)掘VI循環(huán)可能帶來的好處。如圖6所示，展示了常規(guī)系統(tǒng)和VI系統(tǒng)的熱容量和COP并進行比較。在25℃的條件下，VI在加熱方面的優(yōu)勢增加了40%，在COP方面的優(yōu)勢增加了18%，這對于鼓勵開發(fā)人員將VI改裝到車上以進行進一步的道路測試非常有意義。

06  “挑戰(zhàn)極寒”道路對比測試

本文將部分報道路試細(xì)節(jié)。牙克石是中國的一個非常寒冷的地區(qū)(經(jīng)度120.73/緯度49.28)，1月份平均最低氣溫和最高氣溫為-33℃/-21℃。于牙克石來研究系統(tǒng)在環(huán)境溫度下的駕駛情況（-30℃左右）。一般來說，車輛在路上行駛時都是同一工況，一輛接著一輛;在同一時間，以相同的速度，相同的負(fù)載，并設(shè)置24℃為客艙舒適控制。

表5 在牙克石進行的道路試驗結(jié)果

表5是比較水加熱和VI H/P的道路試驗總結(jié)。從表中可以看出，與常規(guī)供暖相比，VI熱泵系統(tǒng)在節(jié)能31.1% (5.064 vs 7.374 kwh)和平均節(jié)能31.6% (2523 vs 3687 w)方面明顯勝出。在圖7中，在20℃的環(huán)境溫度下，可以發(fā)現(xiàn)H/P接近足部空氣溫度下的PTC(藍(lán)色與淺藍(lán)色線)。同時，采用的H/P平均功率在2500瓦左右，與PTC的4000瓦形成對比，持續(xù)時間約為2小時?？雌饋恚琕I H/P能夠保持與PTC相似的舒適度，但顯著降低了37.5%的功耗。在圖8中，在-30℃的環(huán)境溫度下(藍(lán)色粗線)，我們發(fā)現(xiàn)，在PTC加熱，發(fā)動機水加熱和VI H/P(綠色粗線)之間，H/P的足部溫度更好或接近發(fā)動機加和水加熱。在機艙空氣溫度對比中，前十分鐘，PTC表現(xiàn)最好，發(fā)動機水加熱次之，H/P略差。直到大約在駕駛40分鐘時，H/P達(dá)到了與其他相似的水平。雖然還不夠完美，但在-30℃的溫度下，艙內(nèi)的熱舒適性是可以接受的，值得在組件或系統(tǒng)回路上進一步優(yōu)化。從技術(shù)角度來看，在-30℃的極端環(huán)境下，VI H/P加熱回路似乎基本上達(dá)到了客艙加熱目標(biāo)。

圖7 雙級壓縮熱泵道路試驗驗證

表6 除霜比較：雙級壓縮熱泵vs發(fā)動機vs水暖

07  除霜和除霧測試:熱泵Vs PTC Vs水加熱

除了加熱性能外，作為客艙護理的重要組成部分，有必要了解VI H/P在極端寒冷環(huán)境下的除霜和除霜性能。在同一行程的道路試驗中，這些工程已在雅克石完成。對比試驗的評價條件見表6。

在圖8中，上面的兩張照片顯示了除霧后左側(cè)窗戶和擋風(fēng)玻璃左前側(cè)的結(jié)果視圖。H / P加熱與下面兩張照片相反，這兩張照片顯示的是常規(guī)方式除霧的情況。結(jié)果表明，H/P除霧效果良好，甚至優(yōu)于水加熱。

圖8 熱泵系統(tǒng)除霧效果明顯好于水暖

在冬季，擋風(fēng)玻璃除霜是非常重要的，使車輛可以從停放狀態(tài)盡快行駛。特別是發(fā)動機怠速時的除霜速度受到更多的關(guān)注，因為發(fā)動機低速旋轉(zhuǎn)往往導(dǎo)致供熱不足，與車輛運行狀態(tài)相比，除霜速度較慢。因此，除霜測試通常在車輛空轉(zhuǎn)進行。在圖9中，左圖兩張是H/P車，右圖兩張是發(fā)動機加熱車。除霜15分鐘后，H/P風(fēng)擋玻璃清晰度明顯優(yōu)于發(fā)動機(HAC)，說明H/P系統(tǒng)除霜效果較好。

圖9 熱泵除霜效果好于發(fā)動機

08  R410A環(huán)境問題的討論

如前所述，R410A的GWP值為2088，高于R134A和R1234YF，但低于應(yīng)用R404A和R407A的住宅H/P產(chǎn)品。此外，事實上，R410A從未用于汽車應(yīng)用。與此同時，事實也是，到目前為止，EPA并沒有明確的信息在一定的時間表內(nèi)禁止R410A。為了找出R-410A的LCCP環(huán)境特征，人們做了大量的工作，從GREEN-MAC-LCCP (V3)中找出CO2-eq值。不幸的是，由于R410A從未在汽車應(yīng)用中使用，因此到目前為止，在短時間內(nèi)分配答案似乎非常困難。相反，我們從ASHRAE和Purdue e-publication等其他資源中集中檢索了與R410A CO2-eq相關(guān)的一些有用的技術(shù)線索，引文已列在本文的參考文獻(xiàn)列表中。例如， Pham, Hung等人發(fā)現(xiàn)，R410A與R32相比，除了GWP之外還有許多優(yōu)點。與CO2相比，在成本、效率和系統(tǒng)成本上有三個優(yōu)勢。還發(fā)現(xiàn)，在3噸H/P系統(tǒng)上，R410A的LCCP與R1234YF相似，為100%至100.1%(圖11)。另一篇發(fā)現(xiàn)R410A的總壽命排放量接近R1234YF，為112.568 ~ 104.935 kg CO2-eq(圖12)，這可能表明R410A具有被汽車行業(yè)接受的潛力。

圖10 R410A與其他制冷劑優(yōu)劣對比

圖11 R410A與R1234YF具有相似的LCCP

圖12 R410A全生命周期排放量接近R1234YF

結(jié)論與展望

1. 本文報道了基于R410A的VI H/P系統(tǒng)在極寒地區(qū)的一系列實驗室和道路試驗的實驗工作和結(jié)果。

2. 道路測試基本上證明了VI H/P系統(tǒng)能夠在-30℃的環(huán)境中實現(xiàn)為乘客提供舒適和安全的供暖目標(biāo)，包括除霧和除霜功能。

3. 熱泵系統(tǒng)比普通的空調(diào)系統(tǒng)復(fù)雜，特別是在控制邏輯、耐久性和系統(tǒng)校準(zhǔn)方面，值得未來進行更多的優(yōu)化工作。

4. 下一步，為了獲得更好的COP，有必要同時提高熱交換器容量和壓縮機效率。

5. 由于更高的GWP值，值得討論R410A的環(huán)境問題。值得注意的是，世界上已經(jīng)有很多廠家在其系列產(chǎn)品上使用了R404A、R407A等類似的制冷劑。

6. R410A似乎值得在汽車應(yīng)用上進行可行性研究。

7. R32 +VI可作為汽車HVAC應(yīng)用的替代制冷劑。

ZHAI K, CHEN X. R410A based Automotive Heat Pump System That Hits Cabin Heating Goal Successfully in -30 °C Extreme Ambient [Z].SAE International. 2019.https://doi.org/10.4271/2019-01-0910