李安然,俞彬彬,陳江平. 雙碳背景下的汽車空調(diào)及能源管理[C]//中國(guó)制冷學(xué)會(huì).“2022年雙碳背景下中國(guó)制冷技術(shù)研究及應(yīng)用進(jìn)展論壇”會(huì)議論文集.,2023:11

摘要：

基于我國(guó)雙碳目標(biāo)和基加利修正案履約背景，梳理汽車空調(diào)研究與應(yīng)用進(jìn)展，分析新能源汽車熱泵空調(diào)發(fā)展趨勢(shì)，從研究進(jìn)展，關(guān)鍵技術(shù)和優(yōu)秀案例三個(gè)層面展開，涉及CO2, R290, HFOs等環(huán)保制冷劑替代應(yīng)用、新型車用制冷劑開發(fā)、HFCs管控排放政策、新能源汽車低溫?zé)岜孟到y(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、整車能源管理、零部件創(chuàng)新和研發(fā)進(jìn)展。在此基礎(chǔ)上介紹傳統(tǒng)和新能源汽車空調(diào)碳排放核算方法學(xué)，支撐全生命周期排放分析及測(cè)算，為未來政策制定和行業(yè)技術(shù)選擇提供理論依據(jù)。

新能源汽車是實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的有效手段之一。根據(jù)國(guó)際能源署（IEA）公布的《世界能源展望》研究表明，到2040年時(shí)3億輛上路的電動(dòng)轎車每天可替代300萬桶的石油需求[1]，并且屆時(shí)中國(guó)的石油需求量可因此削減250萬桶/天[2]。根據(jù)嚴(yán)君華等[3]基于生命周期評(píng)價(jià)方法，對(duì)電動(dòng)汽車能耗與氣體排放的分析，在全生命周期內(nèi)純電動(dòng)汽車的環(huán)境成本僅為燃油汽車的36.04%，所以發(fā)展電動(dòng)汽車可以極大的減小環(huán)境污染物的排放，降低環(huán)境治理成本。因此，新能源驅(qū)動(dòng)的技術(shù)轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略成為中國(guó)“十三五”產(chǎn)業(yè)規(guī)劃的重要目標(biāo)之一[4]。雖然電動(dòng)汽車發(fā)展勢(shì)頭迅猛，但其本身的缺陷如冬季續(xù)航問題等也不可忽視。隨著人們對(duì)汽車舒適性要求的提高，目前全球生產(chǎn)的汽車均已配備空調(diào)系統(tǒng)[5]。汽車空調(diào)作為電動(dòng)汽車上除電機(jī)外最大的耗能設(shè)施，其能源轉(zhuǎn)換效率對(duì)電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程的影響十分巨大，新能源汽車熱泵空調(diào)因此成為目前主流的技術(shù)解決方案。然而汽車空調(diào)行業(yè)仍面臨較大的減排壓力和環(huán)保問題，一方面是如何實(shí)現(xiàn)環(huán)保制冷劑替代以減少直接排放量的不確定性，另一方面是如何提高熱泵能效、優(yōu)化整車熱管理及能量管理以減少間接排放的挑戰(zhàn)。

首先，傳統(tǒng)的R134a熱泵系統(tǒng)性能會(huì)隨著環(huán)境溫度降低而劇烈的降低，且在全球范圍內(nèi)，由于R134a的溫室效應(yīng)指數(shù)極高，其GWP（Global Warming Potential）達(dá)到1430，對(duì)HFC類制冷劑的限制使現(xiàn)有汽車空調(diào)制冷劑R134a的替代形勢(shì)迫在眉睫。按照一輛乘用車熱管理系統(tǒng)充注R134a約 0.7 kg計(jì)算, 全國(guó)乘用車的當(dāng)量碳含量約為2.8億噸[6]，因此新能源車輛采用CO2、R290、HFOs等環(huán)保制冷劑進(jìn)行替代具有重要減排意義。在此背景下，2021年9月15日中國(guó)正式宣布加入《基加利修正案》，制定了一系列政策加強(qiáng)氫氟碳化物等非二氧化碳溫室氣體管控，如表1所示。生態(tài)環(huán)境部、發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于嚴(yán)格控制第一批氫氟碳化物化工生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的通知》，規(guī)定自2022年1月1日起，各地不得新建、擴(kuò)建附件所列用作制冷劑、發(fā)泡劑等受控用途的氫氟碳化物化工生產(chǎn)設(shè)施。己建成的附件所列氫氟碳化物化工生產(chǎn)設(shè)施，需要進(jìn)行改建或異址建設(shè)的，不得增加原有氫氟碳化物生產(chǎn)能力或新增附件所列氫氟碳化物產(chǎn)品種類。我國(guó)對(duì)氫氟碳化物類制冷劑的替代已勢(shì)在必行。

其次，隨著我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，汽車空調(diào)系統(tǒng)與車用驅(qū)動(dòng)(發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)以及電池)系統(tǒng)的供熱與綜合管理將進(jìn)一步深度融合，熱泵空調(diào)系統(tǒng)成為新能源汽車的技術(shù)方案，汽車空調(diào)企業(yè)也正在積極地研究和開發(fā)車用熱泵空調(diào)相關(guān)的零部件與整車系統(tǒng)。新能源汽車熱泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車空調(diào)相比，在制冷、制熱模式和主要部件方面都產(chǎn)生了較大變革，如圖1所示。在能量管理方面，從傳統(tǒng)燃油車到電動(dòng)車，能源的使用也逐漸發(fā)生變化，尤其是整車熱管理的重要性逐步增強(qiáng)，熱管理單車價(jià)值量相比傳統(tǒng)系統(tǒng)大幅提高，熱系統(tǒng)成為保障電動(dòng)汽車安全、緩解里程焦慮、保證電動(dòng)汽車又快又好發(fā)展的關(guān)鍵。新能源汽車的熱管理除了空調(diào)系統(tǒng)外，增加了電機(jī)電控冷卻和電池溫度控制兩個(gè)系統(tǒng)，主要零部件增量為電動(dòng)壓縮機(jī)、高壓PTC、水泵、管路等。新型新能源汽車構(gòu)架下的整車熱管理設(shè)計(jì)將空調(diào)、電池、驅(qū)動(dòng)等各個(gè)系統(tǒng)之間的冷熱管理聯(lián)系進(jìn)一步加強(qiáng)，形成整體熱管理系統(tǒng)工程概念，熱管理系統(tǒng)由空調(diào)系統(tǒng)、電機(jī)和電池及功率電子冷卻系統(tǒng)連接構(gòu)成，將多個(gè)換熱器、電子控制閥、電子水泵和貯罐的復(fù)雜系統(tǒng)連接以滿足空調(diào)和設(shè)備的冷卻。此外，隨著汽車向電動(dòng)化和智能化方向發(fā)展，整車能量管理內(nèi)容增多，對(duì)汽車綜合能量管理的要求也越來越高，從整車層面對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行能量統(tǒng)籌管理已經(jīng)成為電動(dòng)汽車的未來發(fā)展趨勢(shì)。

1 研究進(jìn)展

隨著我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的提出和《<蒙特利爾議定書>基加利修正案》的正式生效[7]，新能源汽車熱泵的綠色高效發(fā)展成為必需的技術(shù)路線[8]。汽車空調(diào)行業(yè)要想實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，一方面，迫切需要將目前廣泛應(yīng)用的HFC(hydrofluorocarbon)制冷劑R134a向低溫室效應(yīng)工質(zhì)轉(zhuǎn)換，減少直接排放；另一方面，需要不斷提高熱泵能效以減少間接排放。

首先，制冷劑的替代可減少直接排放，汽車空調(diào)采用環(huán)保制冷劑進(jìn)行替代具有重要減排意義，然而制冷劑行業(yè)減排路線的制定尚存在一系列問題，如新工質(zhì)篩選難度大、新型制冷劑受知識(shí)產(chǎn)權(quán)制約嚴(yán)重以及新能源車熱管理的熱泵系統(tǒng)運(yùn)行范圍寬（-30~45 ℃）、切換模式多、系統(tǒng)集成度高和控制要求高等挑戰(zhàn)。此外，傳統(tǒng)燃油車的汽車空調(diào)制冷劑多采用R134a，但R134a熱泵系統(tǒng)性能會(huì)隨著環(huán)境溫度降低而劇烈的降低，也給車用熱泵系統(tǒng)的開發(fā)帶來了挑戰(zhàn)。Kwon等[9]和Lee等[10]的研究表明一套R(shí)134a的熱泵系統(tǒng)在-20 ℃的環(huán)境下，不能給車廂提供足夠的熱量供給。因此，Zhang等[11]提出了高效的R134a補(bǔ)氣增焓熱泵空調(diào)系統(tǒng)方案。根據(jù)他們的研究，R134a補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)可以在-20 ℃極低溫環(huán)境下供給2097 W的熱量，相較于傳統(tǒng)R134a熱泵系統(tǒng)提升57.7%，同時(shí)系統(tǒng)能效可以達(dá)到1.17。另外，為了達(dá)到《<蒙特利爾議定書>基加利修正案》的法規(guī)要求，由霍尼韋爾和杜邦公司聯(lián)合推出的R1234yf，由于其熱物理性質(zhì)與R134a非常接近，只需要對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行一些微小調(diào)整便可正常運(yùn)行。但是同R134a一樣，R1234yf在低溫下的制熱效率也非常低，采用R1234yf的熱泵空調(diào)系統(tǒng)并不能滿足電動(dòng)汽車的制熱需求，因此全球各大汽車企業(yè)仍然需要尋找新的技術(shù)方案[12]。CO2作為一種天然工質(zhì)，被認(rèn)為是在汽車空調(diào)系統(tǒng)中極具希望及發(fā)展?jié)摿Φ倪x擇。Wang等[13]通過實(shí)驗(yàn)研究了CO2汽車熱泵系統(tǒng)的制熱性能，研究結(jié)果表明CO2汽車熱泵系統(tǒng)在-20 ℃的極低溫環(huán)境，全新風(fēng)的條件下可以供給3600 W的熱量，同時(shí)系統(tǒng)效率可以達(dá)到3.1。但是，CO2汽車空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用同時(shí)也存在一定的缺陷。多個(gè)學(xué)者的研究結(jié)果均表明在30 ℃以上的高溫環(huán)境下，CO2汽車空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行效率較低[14-17]。Brown等基于半理論模型對(duì)CO2汽車空調(diào)系統(tǒng)及R134a汽車空調(diào)系統(tǒng)性能進(jìn)行了對(duì)比研究，研究結(jié)果表明CO2汽車空調(diào)系統(tǒng)效率在32.2 ℃時(shí)相較R134a汽車空調(diào)系統(tǒng)衰減21%，在48.9 ℃時(shí)相較R134a汽車空調(diào)系統(tǒng)其衰減率達(dá)到了34%。同時(shí)，也表明CO2汽車空調(diào)系統(tǒng)效率的衰減在更高溫的環(huán)境下將變得更劇烈[18]。CO2汽車空調(diào)系統(tǒng)的另一個(gè)缺陷則是由于CO2本身臨界溫度較低，這要求CO2系統(tǒng)必須工作在跨臨界循環(huán)，系統(tǒng)運(yùn)行壓力非常高，是現(xiàn)有R134a汽車空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行壓力的6~8倍[19]。傳統(tǒng)制冷劑在熱泵系統(tǒng)遇到的一系列挑戰(zhàn)如圖2所示，這更加促進(jìn)了新型制冷劑的開發(fā)和應(yīng)用。

在新型車用制冷劑的開發(fā)上，國(guó)內(nèi)外的廠商和高校進(jìn)行了許多探索，如表2所示。大金研發(fā)出D1V140制冷劑 （R1132-E/R1234yf為組合物），GWP<1，沸點(diǎn)-44.6 ℃，同工況下，制冷/熱量大于R134a和R1234yf（140%），COP與R1234yf相當(dāng)；以及D2V-YF制冷劑，GWP<150，沸點(diǎn)-50 ℃，制熱量大于R1234yf（200%）且COP相當(dāng)。AGC開發(fā)出HFO-1123組合物，對(duì)現(xiàn)有R1234yf系統(tǒng)僅做微小改變?？颇窖邪l(fā)了H1G3熱泵工質(zhì)，GWP為148，相同制冷量下其制冷COP高于R1234yf和R744，且-30 ℃制熱性能優(yōu)于R1234yf?；裟犴f爾的方案是R1234yf增強(qiáng)型熱泵，其在寒冷工況需PTC加熱。Koura基于YF工質(zhì)研發(fā)新制冷劑，熱物性與R407C接近，GWP<100， A2L，制冷量比R1234yf提升20%，-20 ℃工況下的制熱能力是R1234yf兩倍，0 ℃和10 ℃制熱量和COP優(yōu)于R1234yf；此外LFR3是Koura基于R744混合工質(zhì)研發(fā)的新型不可燃車用制冷劑，全溫區(qū)制冷量和COP比R744提高10%~15%，壓力降低20%，與CO2相比對(duì)環(huán)境的影響更小。上海交大與中化藍(lán)天共同研發(fā)了M2系列制冷劑，GWP為137，A2L，制冷/熱量與R410A相當(dāng)，COP略高。此外，無專利壁壘的天然工質(zhì)正在被主機(jī)廠積極采用，如CO2被大眾、戴姆勒和奧迪采用，R290被上汽采用。

另外在能量管理方面，優(yōu)化整車的能量管理、提高熱泵能效等措施可以減少間接排放量。整車的能量管理可分為系統(tǒng)層的能量利用和熱管理層的能量消耗。與傳統(tǒng)燃油車不同，電動(dòng)汽車的能源為電能，驅(qū)動(dòng)單元為電機(jī)，熱管理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要包括電池回路、電機(jī)回路、空調(diào)回路和暖風(fēng)芯體回路等。新能源汽車的能量流如圖3所示。其中空調(diào)系統(tǒng)主要是為乘員艙進(jìn)行制冷、制熱，另外在某些工況下通過冷卻裝置對(duì)電池回路進(jìn)行冷卻[6]。在冬季寒冷環(huán)境的制熱工況下，由于沒有傳統(tǒng)燃油車的發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱，暖風(fēng)芯體若采用高壓PTC進(jìn)行加熱，將直接消耗電能，造成新能源汽車冬季的續(xù)駛里程大幅度縮減，并且?guī)砀嗟拈g接碳排放。因此，由于熱泵空調(diào)系統(tǒng)具有制熱能效比高的特點(diǎn)，逐漸被廣泛地應(yīng)用于純電動(dòng)和插電式混合動(dòng)力車型中，以緩解新能源汽車冬季續(xù)駛里程縮減的問題。新能源汽車的能量管理，是從整車層面對(duì)各子總成進(jìn)行能量的綜合優(yōu)化利用，其對(duì)熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求也逐漸由傳統(tǒng)粗放型向精細(xì)化、集成化轉(zhuǎn)變。優(yōu)化整車能量管理需要對(duì)新能源車進(jìn)行能量流的分析和優(yōu)化，并建立新能源車能量流模型并采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)新能源車各個(gè)負(fù)載的耗電情況可視化及續(xù)航里程分析。還要分析各個(gè)優(yōu)化方案對(duì)系統(tǒng)性能及車輛續(xù)航里程貢獻(xiàn)及評(píng)價(jià)，包括熱泵空調(diào)系統(tǒng)、電池?zé)峁芾恚ū兀⒂酂峄厥?、回風(fēng)比例設(shè)定、熱管理控制策略優(yōu)化、局部控溫等。另外上述的整車能量流系統(tǒng)也可以用于收集應(yīng)用車型大數(shù)據(jù)，為新型電動(dòng)汽車的開發(fā)，提供技術(shù)支持。

再者，目前人們對(duì)于電動(dòng)汽車熱泵制冷劑環(huán)保特性的評(píng)價(jià)，還主要停留在GWP方面，對(duì)使用該制冷劑后系統(tǒng)性能的變化關(guān)注較少。因此，有必要采用全生命周期氣候性能 (LCCP) 指標(biāo)綜合評(píng)估直接和間接兩種影響，計(jì)算電動(dòng)汽車熱泵系統(tǒng)“從搖籃到墳?zāi)埂闭麄€(gè)生命周期內(nèi)產(chǎn)生的當(dāng)量CO2排放總量。區(qū)別于單一評(píng)價(jià)指標(biāo)， LCCP可以綜合考量制冷劑“環(huán)?！迸c其在系統(tǒng)中的“節(jié)能”效果，并綜合評(píng)估兩種影響。除直接排放部分外，LCCP還將間接排放部分計(jì)算在內(nèi)，因此可以更精確有效地評(píng)估汽車空調(diào)、新型制冷劑的綜合環(huán)保性能，并且能夠評(píng)估不同系統(tǒng)、零部件和材料的環(huán)保差異。

上海交通大學(xué)團(tuán)隊(duì)為新能源汽車熱泵系統(tǒng)開發(fā)一個(gè)全面的LCCP模型，通過對(duì)構(gòu)成LCCP指標(biāo)的每個(gè)模塊進(jìn)行詳細(xì)分析，依據(jù)熱泵系統(tǒng)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、不同地域的氣候條件、車輛行駛及熱泵使用情況等信息，建立起一個(gè)適用于不同城市氣候條件和行駛條件的LCCP模型，如圖4所示。并利用LCCP模型對(duì)采用新型制冷劑的電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行研究，比較系統(tǒng)的環(huán)境性能優(yōu)劣，能夠?yàn)檫x擇新制冷劑技術(shù)的政策制定者提供決策依據(jù)。在整個(gè)熱泵系統(tǒng)的使用壽命過程中，制冷劑及其在系統(tǒng)中應(yīng)用所造成的等效二氧化碳排放總量EMtotal，包括直接排放和間接排放，如公式3.6-1所示：

其中，直接排放是基于制冷劑的GWP和排放到大氣中的制冷劑質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算，如公式3.6-2所示：

其中，Adp.GWP是用于評(píng)估制冷劑在大氣中降解產(chǎn)物所造成的環(huán)境影響。RLreg、RLirreg、RLser、RLEOL分別代表由于系統(tǒng)管路和連接處造成的常規(guī)制冷劑泄漏量，事故型非常規(guī)泄漏量，維修服務(wù)過程中造成的制冷劑泄漏量以及報(bào)廢過程造成的二次泄漏量[4]。

其中，Mfg是指生產(chǎn)制冷劑和系統(tǒng)部件制造過程中造成的排放，包含了系統(tǒng)（部件）從工廠運(yùn)輸?shù)浇M裝工廠環(huán)節(jié)造成的排放；OT代表制冷系統(tǒng)運(yùn)輸過程中的當(dāng)量CO2排放；EOL是指制冷劑和系統(tǒng)部件報(bào)廢處理及回收過程造成的當(dāng)量CO2排放；SO是指系統(tǒng)運(yùn)行過程中造成的排放。考慮到Mfg和EOL排放和工業(yè)制造相關(guān)，汽車類型對(duì)其影響極少，因此采用已有方法對(duì)其進(jìn)行計(jì)算[4]。但是OT和SO的計(jì)算是區(qū)別于傳統(tǒng)方法的，原因有以下幾點(diǎn)：（1）電動(dòng)汽車熱泵系統(tǒng)是由電驅(qū)動(dòng)的，因此，造成排放的主要原因是電消耗而非燃油消耗；（2）不同于皮帶輪壓縮機(jī)，其轉(zhuǎn)速由內(nèi)燃機(jī)決定，電動(dòng)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速是由車內(nèi)空調(diào)負(fù)荷決定的；（3）由于不存在燃油燃燒造成的余熱損失，在寒冷環(huán)境下，電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)向駕駛室供熱需要消耗電力，這部分同樣需要加入排放計(jì)算。

該研究評(píng)估了中國(guó)各省份2020—2060年使用各種低GWP制冷劑的新能源汽車熱泵對(duì)環(huán)境的時(shí)空影響，結(jié)果表明低GWP制冷劑在不同氣候區(qū)具有不同的減排潛力，即不同省份或氣候區(qū)的新能源汽車全生命周期總排放與氣候條件密切相關(guān)。其中CO2/R41為混合工質(zhì)，M2為上海交大與中化藍(lán)天共同研發(fā)的新型工質(zhì)，具體參數(shù)可見上文表2。值得一提的是，直接排放取決于制冷劑的GWP并幾乎不受氣候影響，而間接排放受氣候的影響顯著。在間接排放中，生產(chǎn)制造和EOL處理僅占5%左右，而系統(tǒng)運(yùn)行排放占85%。按照目前的技術(shù)路線，預(yù)計(jì)到2030年全國(guó)單輛車的平均生命周期排放量將減少14%，到2060年將減少45.4%。圖5和圖6即為該模型的結(jié)果分析，表明在研究涉及的5種低GWP制冷劑中，從國(guó)家層面看各制冷劑的減排潛力由高到低依次為R290>R1234yf>CO2/R41>M2>CO2。

2 關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)新能源汽車的續(xù)航里程焦慮問題，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能常用減少車內(nèi)熱負(fù)荷的方法，其一采用制熱時(shí)內(nèi)循環(huán)補(bǔ)償，其二采用雙層流空調(diào)箱設(shè)計(jì)[20]，但仍不能解決空調(diào)制熱功耗大問題。而利用熱泵系統(tǒng)通過壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)將環(huán)境中吸收的熱量以及壓縮機(jī)自身做功產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移到乘客艙內(nèi)是非常有效的方法[21-22]。這是由于相較于PTC加熱器在工作時(shí)效率恒小于1，而正常工作的熱泵系統(tǒng)效率恒大于1，因此制熱效率的優(yōu)勢(shì)較為明顯。如首款直接式熱泵空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用于尼桑LEAF車型，可實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度0 ℃時(shí)，制熱效率COP相對(duì)于電加熱器提升至2.5，工作溫度主要在0 ℃之上；之后寶馬I3實(shí)現(xiàn)水側(cè)間接式熱泵空調(diào)系統(tǒng)，COP略低于空氣側(cè)熱泵系統(tǒng)約為2。但是LEAF及I3熱泵空調(diào)的主要適用是-5 ℃之上的環(huán)境溫度。國(guó)內(nèi)外專家基于實(shí)車測(cè)試機(jī)模擬分析指出，環(huán)境低于-5 ℃，熱泵制熱性能將大幅度下降[22-23]，故目前已上市的汽車熱泵系統(tǒng)工作溫度很多都是在0 ℃附近。這是由于蒸發(fā)壓力降低時(shí)，壓縮機(jī)吸氣的密度也會(huì)隨之降低，從而導(dǎo)致系統(tǒng)中質(zhì)量流量減小，制熱性能衰減。同時(shí)，由于壓縮機(jī)壓比增大，壓縮機(jī)容積效率下降，其系統(tǒng)的能效也會(huì)隨之降低；且系統(tǒng)排氣溫度也會(huì)增加，影響系統(tǒng)工作的可靠性。若要提高系統(tǒng)在極端工況下的制熱性能，必須解決以上問題。直接式與間接式熱泵系統(tǒng)架構(gòu)如圖7所示。

為提升低溫下熱泵空調(diào)系統(tǒng)的性能，新的技術(shù)應(yīng)用不斷被嘗試，比如雙級(jí)壓縮系統(tǒng)循環(huán)，壓縮機(jī)前路旁通循環(huán)以及壓縮機(jī)中間補(bǔ)氣循環(huán)。第一種結(jié)構(gòu)太過復(fù)雜，第二種系統(tǒng)制熱性能及效率均低于壓縮機(jī)中間補(bǔ)氣循環(huán)[22-23]。壓縮機(jī)中間補(bǔ)氣技術(shù)通過提高壓縮機(jī)排氣質(zhì)量流量以及降低室外蒸發(fā)器前的焓值以提升系統(tǒng)制熱性能[24]。補(bǔ)氣增焓技術(shù)是一種可以應(yīng)對(duì)極端工況的系統(tǒng)形式[5] [21-22]。其核心是將中間壓力的制冷劑氣體引入壓縮機(jī)的中間級(jí)，增加系統(tǒng)冷凝器流量的同時(shí)冷卻了被壓縮的氣體，使得排氣溫度降低，在增加系統(tǒng)制熱量的同時(shí)保障了系統(tǒng)的可靠性。

從圖8可以看出，兩種補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)的主要差別在于中間級(jí)。在經(jīng)濟(jì)器補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)中，中間級(jí)的制冷劑由冷凝器后面分出，經(jīng)節(jié)流后在經(jīng)濟(jì)器中過熱，然后噴射到壓縮機(jī)中間級(jí)中；而在閃蒸罐補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)中，由冷凝器流出的制冷劑首先經(jīng)過第一級(jí)節(jié)流，然后在閃蒸罐中實(shí)現(xiàn)氣液分離；氣相進(jìn)入壓縮機(jī)中間級(jí)進(jìn)行補(bǔ)氣，液相經(jīng)二次節(jié)流進(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行蒸發(fā)。從性能角度而言，這兩種系統(tǒng)形式的制熱性能沒有明顯差距。有文獻(xiàn)表明閃蒸罐系統(tǒng)的性能要稍微優(yōu)于經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)[5][25]，但該系統(tǒng)的控制邏輯非常復(fù)雜[5] [27]。經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)對(duì)于補(bǔ)氣壓力的調(diào)節(jié)范圍和系統(tǒng)的控制成本都要優(yōu)于閃蒸罐系統(tǒng)，因此得到了較為廣泛的應(yīng)用[5]。國(guó)際上針對(duì)環(huán)境溫度為-5 ℃的熱泵系統(tǒng)技術(shù)已有儲(chǔ)備，并應(yīng)用于量產(chǎn)車上，針對(duì)更低溫度的熱泵系統(tǒng)的成熟應(yīng)用仍在研究開發(fā)階段；國(guó)內(nèi)在汽車熱泵技術(shù)上儲(chǔ)備較少，近兩年隨著電動(dòng)汽車蓬勃發(fā)展，也帶動(dòng)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的研發(fā)投入。適應(yīng)更低環(huán)境溫度壓縮機(jī)中間補(bǔ)氣增焓回路的熱泵系統(tǒng)，是未來純電動(dòng)汽車減少空調(diào)制熱消耗的重要措施之一，同時(shí)對(duì)該技術(shù)的發(fā)展也會(huì)推動(dòng)純電動(dòng)汽車國(guó)內(nèi)外進(jìn)一步開發(fā)適用于更低溫度的熱泵空調(diào)系統(tǒng)?；谛履茉雌嚐岜玫墓δ苄枨?，以及綜合直接式熱泵系統(tǒng)架構(gòu)和間接式熱泵系統(tǒng)架構(gòu)回路的優(yōu)缺點(diǎn)，上海交通大學(xué)開發(fā)的全功能熱泵系統(tǒng)回路如圖9所示。

另外，在產(chǎn)業(yè)界，我國(guó)新能源汽車主機(jī)廠及零部件供應(yīng)商積極創(chuàng)新，技術(shù)方案緊追國(guó)外一線廠商，如表3所示。比亞迪的e平臺(tái)3.0在熱管理上采取了類似特斯拉集成化的閥島方案，對(duì)冷媒回路進(jìn)行了大規(guī)模集成，且采用集成的熱泵技術(shù)，將駕駛艙制暖預(yù)熱交給熱泵電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)以及來自“8合1”電驅(qū)電控系統(tǒng)的余熱，取消對(duì)應(yīng)PTC模組，動(dòng)力電池低溫需求則由熱泵電空調(diào)支持，并由冷媒直接換熱。華為的熱管理系統(tǒng)TMS采用一體化設(shè)計(jì)，打通電驅(qū)、電池、乘員艙等領(lǐng)域，并降低熱泵低壓側(cè)不可逆損失，可以實(shí)現(xiàn)熱泵系統(tǒng)最低工作溫度由業(yè)界的-10 ℃降至-18 ℃，相比傳統(tǒng)非熱泵方案能效比提升至2，標(biāo)定周期可縮短60%。蔚來2022款ES8取消了 PTC 的空調(diào)加熱方式，使用了與ES6 類似的熱泵制熱方式，利用電池、電機(jī)廢熱提供冬季空調(diào)系統(tǒng)，并使用四通閥鏈接空調(diào)回路、電池回路、電機(jī)回路，空調(diào)系統(tǒng)包含第一和第三通道，第二和第四通道分別串聯(lián)至電池?zé)峁芾砗碗姍C(jī)熱管理系統(tǒng)，將電池和電機(jī)廢熱提供給乘員艙以降低冬季耗電。小鵬 P7的整車熱管理系統(tǒng)采用一體化儲(chǔ)液罐設(shè)計(jì)和單PTC 加熱方案，利用一個(gè)四通閥實(shí)現(xiàn)整車系統(tǒng)級(jí)的熱循環(huán)，并將電機(jī)冷卻水路與電池溫控水路串接，使用電機(jī)余熱加熱電池，降低系統(tǒng)能量損失。小鵬P7整車熱管理方案和比亞迪e平臺(tái)3.0熱管理方案實(shí)物圖如圖10所示。

汽車空調(diào)及整車熱管理的零部件方面，三花智控深耕汽車熱管理零部件的研發(fā)，積極布局新能源汽車領(lǐng)域所需的熱管理部件及子系統(tǒng)更深層次的應(yīng)用。截至2022年上半年，三花在建項(xiàng)目包括年產(chǎn)730萬套新能源汽車熱管理系統(tǒng)組件、年產(chǎn)150萬套新能源熱管理部件、年產(chǎn)400萬套新能源汽車熱泵部件以及年產(chǎn)1100萬套新能源汽車用高效換熱器等項(xiàng)目。美的威靈汽車部件去年宣布驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)和輔助/自動(dòng)駕駛系統(tǒng)三大產(chǎn)品線全線投產(chǎn)，目前威靈熱管理系統(tǒng)的產(chǎn)品包括 R134a 電動(dòng)壓縮機(jī)、CO2 電動(dòng)壓縮機(jī)、中功率電子水泵、大功率電子水泵等，熱泵產(chǎn)品已經(jīng)在小鵬汽車全線，蔚來ES6、 ES8上使用。銀輪股份的研發(fā)實(shí)力強(qiáng)勁，新能源汽車零部件技術(shù)儲(chǔ)備完善，近年來致力于新能源汽車零部件方面的研究，實(shí)現(xiàn)了液冷板、泵閥類產(chǎn)品的生產(chǎn)，取得了水路集成模塊及系統(tǒng)集成和匹配技術(shù)的突破，實(shí)現(xiàn)了前端模塊、冷媒冷卻液集成模塊、熱泵空調(diào)箱總成模塊的配套生產(chǎn)，擁有國(guó)內(nèi)頂尖的熱交換器批量化生產(chǎn)能力和系統(tǒng)化技術(shù)儲(chǔ)備。三花與銀輪的熱管理汽零產(chǎn)品如圖11所示。

3 優(yōu)秀案例

在新能源汽車熱泵空調(diào)領(lǐng)域中，上海交通大學(xué)早在2003年即開始進(jìn)行前瞻性布局并開展相關(guān)研究，目前已完成多個(gè)標(biāo)桿項(xiàng)目，成為開發(fā)車用熱泵空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)秀參考案例。圖12介紹了CO2車用熱泵空調(diào)的研究歷程，時(shí)間軸上方是國(guó)際上的研發(fā)進(jìn)展，時(shí)間軸下方介紹了上海交通大學(xué)團(tuán)隊(duì)的進(jìn)展及案例。上海交通大學(xué)在2003年與上汽集團(tuán)合作開發(fā)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)CO2汽車空調(diào)系統(tǒng)，并在桑塔納汽車實(shí)現(xiàn)了樣車開發(fā)與測(cè)試，之后與長(zhǎng)安汽車、上汽大眾、一汽等制造商開發(fā)了針對(duì)整車的CO2空調(diào)系統(tǒng)以及CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)，并于近期進(jìn)行了ID4對(duì)標(biāo)及面向量產(chǎn)的研發(fā)熱域控制等相關(guān)研究。除了在乘用車領(lǐng)域外，CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)在客車空調(diào)領(lǐng)域、列車空調(diào)領(lǐng)域也備受關(guān)注。上海交通大學(xué)與宇通客車成功開發(fā)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)、與鼎漢技術(shù)開發(fā)了CO2列車空調(diào)熱泵系統(tǒng)，并成功出口德國(guó)。另外國(guó)內(nèi)東風(fēng)汽車集團(tuán)、北汽新能源、蔚來汽車等在近幾年也投入到開發(fā)CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)的工作中，先后開展了CO2臺(tái)架搭建和測(cè)試以及整車搭載和測(cè)試。

此外，R290作為HFCs替代型制冷劑，其在傳統(tǒng)家用空調(diào)中已經(jīng)成為未來中國(guó)市場(chǎng)主要替代制冷劑選擇之一。R290的ODP為0，GWP為3，完全滿足各國(guó)法規(guī)的要求。同時(shí)R290的運(yùn)行壓力與R134a近似，現(xiàn)有部件的承壓完全滿足其運(yùn)行要求?，F(xiàn)有研究中針對(duì)R290易燃易爆的特性，構(gòu)建基于載冷劑液體循環(huán)的二次回路系統(tǒng)，制冷劑回路完全處于乘員艙外的發(fā)動(dòng)機(jī)箱中，是規(guī)避制冷劑安全風(fēng)險(xiǎn)的有效解決方案。還有研究表明，二次回路還具有降低系統(tǒng)充注量，減少系統(tǒng)接頭從而降低泄漏風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成化、小型化的優(yōu)勢(shì)，如電裝、博澤、蘋果等整車及零部件廠商已經(jīng)開始進(jìn)行相關(guān)的研究與應(yīng)用，部分廠商的二次回路空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖13所示。但二次回路中由于中間載冷劑介質(zhì)的引入，二次換熱過程帶來的性能衰減不可忽視，如圖14所示。二次回路系統(tǒng)的能效提升仍是應(yīng)用過程中的一大難題[28-30]。

上海交通大學(xué)與上汽集團(tuán)合作開發(fā)的R290二次回路電動(dòng)汽車熱泵系統(tǒng)，完成某車型R290二次回路系統(tǒng)實(shí)車改造及性能測(cè)試，完成制冷/制熱性能測(cè)試，對(duì)比原車R134a系統(tǒng)，R290二次回路制冷性能與原車性能相當(dāng)；制熱性能提升明顯，出風(fēng)溫度提升6 ℃以上，系統(tǒng)制熱量提升1000 W，COP最高提升11%。目前，業(yè)界也已經(jīng)廣泛展開了基于二次回路的高效R290汽車空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，針對(duì)二次回路系統(tǒng)中的能效衰減問題進(jìn)行研究，從兩相流分析、換熱器優(yōu)化、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)等角度提出優(yōu)化解決方案，可進(jìn)一步的推動(dòng)天然碳?xì)渲评鋭㏑290在電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)上的應(yīng)用。