电动汽车CO热泵空调应用与优化综述（上）

随着科学技术的飞速发展，人类对化石能源的过量攫取引发了大面积雾霾、酸雨、全球变暖等严峻的环境问题。目前，大颗粒物和有毒物质可以通过物理吸附，分解等方法达到标准后排放，而温室气体引发的环境问题却日益加剧。实现CO₂的零排放以使能源供应完全转向可再生能源，仍是一项艰巨的任务。

近年来，我国经济发展快速和人民生活质量提高，再加上网购的快速兴起，客运量、货运量显著增长，物流行业、运输行业等规模也逐渐扩大，交通运输方面带来的碳排放占据我国环境问题的重要地位，从2006年到2016年我国交通业CO₂排放增长了94%。2020年中国政府在第七十五届联合国大会上提出，中国将采取更加有力的政策和措施，力争于2030年前达到碳峰值，努力争取2060年前实现碳中和。而CHEN X等预测交通领域的碳排放将会使国家碳排放峰值推迟到2036年，而交通领域碳排放峰值将会在2043年出现。因此在交通领域减少碳排放，实现节能减排有着重要意义。为响应节能减排的号召，我国从2009年开始推动电动汽车在中国市场的发展，多数车企都开启了电动轨道交通车辆的研发工作。ALIMUJIANG A等以上海为研究案例，认为将传统燃油车改为电动车，有助于经济发展和环境问题改善。因此对于兼顾环境同时大力发展经济，发展电动汽车很有必要。

与传统汽车相比，电动汽车的功能驱动形式和部件结构发生了变化，同时电动汽车的温度与舒适性控制更为复杂。传统燃油汽车的空调系统通常只用于夏季乘员舱的制冷，而冬季主要利用发动机的余热进行乘员舱加热。而电动汽车由于发动机余热较低和电池、电机、逆变器等部件工作温度的限制，在夏季需要空调系统额外对电池系统制冷，在冬季还需额外消耗大量电能用于PTC加热以提供热量，引发电动汽车的里程焦虑问题。针对这个问题，大部分车企采用传统R134a空调系统用于电动汽车的冬季制热，但是其冬季低温制热性能差，低于-10 ℃的环境温度时R134a汽车空调的制热能力已达不到行业标准，无法在北方较寒冷的地区广泛推广。并且R134a的温室效应指数高达1 300，环保性较差，在车用空调制冷剂中即将面临淘汰。

CO₂作为一种天然制冷剂，消耗臭氧潜能值（ODP）为0，全球变暖潜能值（GWP）仅为1，环保性能优异。并且CO₂不可燃，流动物性较好，有良好的安全性能和低温加热性能。其临界压力为7.38 MPa较高，临界温度为30.98 ℃较低，一般在跨临界状态运行，并且用于汽车空调中容积较小，发生泄露危险性也较小。在以往的研究中，有很多学者在跨临界CO₂系统的理论研究和系统性能与优化方向进行了大量的工作，而近年来才有更多的人考虑用于汽车空调的可能性。叶斌对于CO₂作为汽车空调替代物的可行性以及其与设备的适应性进行分析，指出CO₂在理论方面和部件实现方面，都完全具备可行性。采用CO₂工质的电动汽车热泵系统比传统采用R134a的性能更为优异。但是由于CO₂物性与传统空调制冷剂R134a有较大差异，CO₂热泵空调系统需要更严格的密封耐压性，并且跨临界CO₂系统高压侧不发生相变，为类显热换热，因此对系统部件、系统流程等也提出了新的要求，并且系统中回热器与膨胀机只能选择其一进行优化。此外，WANG H等和SONG Y等还分别对比了中国与世界的不同环境气候中CO₂与R407C电动客车热泵空调系统，提出两种工质在性能方面有各自的适宜区域，但从环境方面考虑，CO₂是更好的选择。

QI Z提出电动汽车热泵空调的发展面临着4个挑战：低温环境制热性能差、特殊部件需重新设计，复杂的热管理系统设计以及替代制冷剂的选择。使用跨临界CO₂系统可以提高低温制热性能，所以系统部件的设计及优化，系统性能的提升，能兼顾电动汽车制冷、制热、风挡玻璃除雾除霜和电池电机温度控制的热管理系统成为当前研究的重点。目前对于电动汽车CO₂热泵空调的零部件研究较多，系统性能优化与复杂的热管理系统也多种多样，但是尚未形成较为系统的整理，对产业化指导性较为模糊。因此，本文将对电动汽车CO₂热泵空调零部件的优化、系统的发展演变以及性能优化、系统控制优化的研究成果进行总结，为电动汽车CO₂热泵空调系统的发展趋势和产业化提供参考。

1  跨临界CO₂汽车空调制冷循环

典型跨临界CO₂汽车空调制冷系统如图1所示，由图中标出的压缩机、气体冷却器、电子膨胀阀、蒸发器、储液器、回热器等零部件通过管路连接而成。CO₂由压缩机流进气冷与车外空气换热后流进回热器，再经过膨胀阀节流后，CO₂流进蒸发器中与车内空气换热，进入储液器中再流进回热器里过热，这样可以有效地避免压缩机发生液击，经回热后的CO₂再次进入压缩机完成循环。蒸发器出口连接的储液器也可以避免压缩机发生液击现象击并帮助压缩机通过油分离器回油，使压缩机正常工作。

图1  典型跨临界CO₂汽车空调系统流程图

图2为跨临界CO₂汽车空调系统运行时的压焓图，饱和线最高点为CO₂的临界点，其温度为30.98 ℃，压力为7.38 MPa。蒸发器内CO₂主要以两相态存在，与空气的换热为潜热交换。气体冷却器内CO₂以超临界态存在，与空气的换热为类显热交换，不发生相变过程，并且其运行压力要大于7.38 MPa，远高于传统R134a制冷剂的运行压力。并且CO₂的单位体积制冷量较大，在相同换热量下CO₂空调系统可大幅减小制冷系统零部件的尺寸需求，更适用于汽车等结构尺寸受限的场合中。

图2  典型跨临界CO₂压焓图

2.1  压缩机

压缩机作为电动汽车CO₂热泵空调唯一能量输入部件，其输入功率随不同系统工况的变化对系统性能和COP有着重要的影响。对于性能方面，ROZHENTSEV A等在模拟中研究压缩机效率对系统性能的影响，发现压缩机效率降低或者最大排气压力降低，COP也随之降低，压缩机排气温度的限制影响CO₂热泵空调的所有性能。石明星对CO₂汽车空调压缩机进行了建模计算和试验研究等，结果显示质量流量、输入功率和排气温度均随压比增加而增加，模型与试验值相符性较好，能满足工程计算需要。

对于润滑方面，LIU H等比较了PAG和POE润滑油对斜盘式车用CO₂压缩机的影响。发现CO₂在POE中的高溶解度使润滑油粘度急剧下降，导致POE油轻微碳化，降低了压缩机性能，而采用iso56 PAG润滑油的压缩机运行良好。吴端等进一步在试验数据的基础上分析了PAG、POE、PVE、PAO和AB等几类合成润滑油在CO₂汽车空调制冷系统中的稳定性、润滑性、滞留性及对系统性能的影响。发现PAG类润滑油稳定性好，粘温性能优越，超临界下润滑性好，综合性能最出色，可考虑采用为CO₂汽车空调系统用润滑油。杨涛通过仿真与试验也得到了相同的结论。并且制冷剂中润滑油浓度增加，润滑油在换热器管道中的滞留量也增加，会增大换热器压降，在保证压缩机足够润滑的前提下，应考虑尽量减少系统中润滑油含量。

2.2  气体冷却器

跨临界CO₂系统与常规制冷剂蒸汽压缩系统相比，气体冷却器中的换热位于超临界区，属于类显热交换，放热过程会产生较大的温度滑移。并且CO₂系统的COP对气体冷却器出口温度和压力较敏感。KIM S C等的研究发现，跨临界CO₂系统制冷量和COP都随着气冷进风温度的增加而减小。因此，气体冷却器的设计对电动汽车CO₂热泵空调有着重要的影响。

对于换热器尺寸结构方面，吴金星等指出跨临界CO₂空调换热器必须向紧凑式微通道方向发展, 并尽量采用细小管径，增加管径数目以及增加管程数。邓建强等通过计算认为，由于超临界CO₂粘度小，尽管微通道内径很小，但其沿程流动阻力不大。马富芹等发现微通道紧凑式换热器的管径不能任意减小, 换热量也不能任意提高，管径等换热器尺寸、微通道数目、通道的长度等之间具有相互制约性，不可随意确定。曹科分析了翅片间距、高度、厚度、宽度、空气流速及空气温度等物理量的影响，发现翅片高度的影响最大，翅片厚度最小，并给出了最佳参数组合，并且扁管插入集流管深度最浅时，流量分配最均匀。刘伟发现影响超临界CO₂换热特性的主要因素可以归结为比热和流动边界层内物性的变化。减小管径、增加流程数均有助于增大换热量，但也会加大管内压降，综合考虑选用3个流程排布方式最优。刘遵超提出了一种新型梭形翅片，开发了采用新型梭形翅片的微通道气冷器，采用响应面分析法对其结构尺寸进行优化，进一步提出了能够提高气冷器流量分配性能的变组合深度集流管和内插分流片集流管。

对于换热器性能方面，简林桦等发现排压增高时，CO₂侧换热系数降低，压降减小；CO₂流量增加时，两侧流体的出口温度都相应提高，且CO₂侧压降明显增加。WANG D A等在-20 ℃环境温度研究了气体冷却器的加热能力。发现提高气冷进口温度可以提高气冷的换热能力，增加换热器的厚度可以大幅提高加热性能。但气体冷却器的空气侧出口表面空气温度的不均匀性会导致不同通风口的出口温度不一致，降低乘客舒适度。WANG Y等进一步在电动汽车CO₂热泵系统引入了串联气体冷却器，发现串联气体冷却器可降低气体冷却器出口温度，换热能力提高了33.7%，COP提高了35%。YANG J等提出一种基于分布式参数模型和遗传算法相结合的微通道气冷模型多变量回归方法，预测的制冷剂出口温度和压降与试验数据的最大偏差为1.2 ℃和2 kPa。

2.3  蒸发器

电动汽车CO₂热泵空调的蒸发器换热直接影响夏季工况下制冷性能，也间接影响系统蒸发温度和系统性能。对于蒸发器的尺寸结构方面，刘欣欣对微通道蒸发器CO₂的流动传热特性进行了研究，发现随着质量流速、热流密度、蒸发温度的增大，CO₂蒸发传热系数提高，蒸发干涸点干度减小。并且基于流动特性，提出了变截面百叶窗翅片，综合性能因子提高了7.65%，整体性能优于传统矩形翅片换热器。当曲率数为0.51、百叶窗角度为27°、百叶窗间距为1.1 mm、翅片间距为1.2 mm时综合性能最优。梁贞潜等提出，在系统换热器总体积不变的情况下，蒸发器体积存在最优百分占比，在该占比下系统性能较高。

换热器性能方面，MATHUR G D发现随着蒸发温度增加，制冷量和COP都会增加，且保持蒸发压力不变时，排气压力变大，COP变小。JIN J等提出了一种预测电动汽车CO₂空调系统蒸发器性能的分析计算模型，发现蒸发器压降对系统性能产生不利影响，集流管和微通道入口处的压降占比很小，但要避免蒸发器在钎焊时的微通道管堵塞问题。AYAD F等对CO₂在微通道中的蒸发进行了研究，建立了微型通道内CO₂蒸发传热系数的预测模型，验证了该模型的有效性。

2.4  回热器

要提高跨临界CO₂循环能效，使用回热器是一种简单且有效的措施，它可以降低膨胀阀后的焓值，显著提高制冷量，并且系统结构简单，成本较低。在电动汽车跨临界CO₂空调中使用回热器，能降低阀前温度，提高系统的单位质量制冷量，但也会使吸气温度和排气温度升高，可能超过压缩机排气温度的限制，因此，有必要就回热器对系统的影响进行更深入的研究。TAO Y B等发现使用回热器降低了跨临界循环的节流损失，对性能提升有利。WANG Z等比较了基本CO₂循环、带回热器的CO₂循环、带压力控制的CO₂循环以及带回热器和压力控制的CO₂循环，发现当排气压力低于最优压力时，加入回热器可以显著提升系统性能。张会勇等提出，CO₂系统存在最优过热度，最优过热度随着气体冷却器出口温度的增大而增大。FANG J等提出了回热效率的概念，发现使用回热器提高了制冷量和COP，同时减小了质量流量，从而减小压降带来的不可逆损失。从不可逆损失考虑，提高压缩机性能和气体冷却器的换热效率，降低系统低压侧压降将是进一步提高系统的主要措施。

2.5  储液器及充注量

在电动汽车CO₂热泵空调中，储液器大小影响制冷剂充注量，而制冷剂充注量对系统性能有较大影响。在跨临界汽车CO₂系统中存在最优充注范围。HAZARIKA M M等发现在充注量在最优值左右18%范围内时，COP变化较小，超出这个范围后COP会显著降低。CHO H等发现跨临界CO₂制冷系统在欠充条件下，COP的减小比在过充条件下的衰退更为显著，且欠充影响系统性能的主要因素是膨胀损失，而过充的主要因素是气体冷却器的损失。CHOI J M等发现当CO₂充注量增加时，COP先增后减，如果保持充注量不变COP随着转速的增大而增大，对应的最优阀开度减小。WANG D等研究发现，压缩机的吸气过热度也可以用来判断充注量是否合适。

YIN X等发现，在制冷剂欠充或过充时，系统 COP和制冷量会显著下降。吸气温度、排气温度和阀前温度对充注量变化敏感，可作为判断合适充注量的参数。对跨临界CO₂汽车空调，提出了0.111~0.321的最优充注率。WANG A等进一步研究了制冷剂的迁移特性，发现制冷剂欠充时易聚在高压侧，过充时，额外的制冷剂主要积聚在气液分离器内。随着环境温度的降低，高压侧制冷剂的质量增加。魏香羽等对电动客车CO₂空调系统的充注量进行了分析，提出客车空调系统最优充注量范围为6~8 kg。张振宇等等人通过试验研究了充注量和阀开度对带有气液分离器的CO₂汽车空调系统性能的影响，研究发现充注量在1.1~1.5 kg系统状态相对稳定，系统存在一个最优充注的平台期，出现平台期。在欠充状态下，阀的开度对低压影响较大，在过充状态下，阀的开度对高压的影响较大。

2.6  系统管路

跨临界CO₂空调系统的运行压力较高，远高于R134a系统，并且压降对系统性能影响较大，因此对系统管路也有更高的要求。郑美玲对电动汽车CO₂热泵系统中的空调管路进行了研究，以系统台架与实车测试的重要性能参数为指导，全新开发一款耐高温高压的管路，并通过了一系列的验证认可试验, 证明了该设计的可靠性及稳定性。SUBEI C等研究了跨临界CO₂热泵空调的管路压降，认为管路压降对系统性能同样会产生一定的影响，在仿真研究中不应被忽略。

2.7  电动车CO₂热泵空调系统零部件优化总结

对上述现有的电动车CO₂热泵空调系统的零部件研究及发展进行了整理，各个部件在提升自身性能进而提高系统性能方面上都有可优化的角度。压缩机的效率会对系统性能产生影响，因此可以考虑从提高效率的角度如选择适合及适量的润滑油对压缩机进行优化。气冷器、蒸发器、回热器也可以从如何提高换热、减小压降的角度进行优化。对上述提到的几个部件的相关研究文献的主要结论以及优化方向总结如下，以方便对电动车CO₂热泵空调系统的零部件产业化提供指导。

表1  电动汽车CO₂热泵空调系统各部件研究结论以及优化方向

(更多内容请期待下期）

本文选自《制冷与空调》2022年9月刊56-69页

作者：刘宇轩  任佳航  殷翔  宋昱龙  曹锋

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