纯电动汽车CO2热泵空调及整车热管理概述
本文介绍了跨临界 CO2 热泵系统及其在电动汽车上的应用，首先简介了 CO2 作为制冷剂逐步得到推 广的原因，重点分析了跨临界 CO2 循环及其优化，其次介绍了 CO2 热泵循环在电动汽车上的应用和集成 式的整车热管理系统，最后提出了 CO2热泵系统在电动汽车上应用亟需解决的问题。
随着《蒙特利尔协定书》的签订，以 R134a、R410a 和 R407C 为代表的无氯氟利昂制冷剂得到广 泛使用，其中 R134a 的 ODP 为零，在汽车空调领域使用十分广泛。但 R134a 的 GWP 偏高，已经成为 造成温室效应的重要因素之一。欧盟规定 2017 年之后的车用制冷剂的 GWP 不能大于 150，基本上禁止 了 R134a 的使用。《〈蒙特利尔协定书〉基加利修正案》指出中国需在 2024 年将氢氟碳化物的生产和 消费冻结在基线水平。所以急需寻找安全可靠且 ODP 和 GWP 符合规定值的制冷剂。其中 R1234yf、 R744 和 R290 由于 ODP 为零、GWP 低和具备制冷剂所需物性的特点成为了研究重点，表 1展现了这几 种制冷剂和 R134a 的基本物性。但这几种制冷剂各有优缺点，现阶段对于下一代制冷剂的选取仍存在争议。
R1234yf 具有微弱的可燃性，其热物理性质与 R134a 十分接近。有学者对两者的性能进行了对比， ARAL 等在电动汽车热泵空调系统中分别对 R134a 和 R1234yf 的制热性能进行了研究，实验结果表明：R1234yf 的 COP 比 R134a 低 3.6%，制热量相较于 R134a 略高。由此可见 R1234yf 与 R134a 的基本物 性与性能都十分接近，如使用 R1234yf 代替 R134a，现在的电动汽车热泵空调系统不需要改变，缩短研 发周期。但是 R1234yf 与 R134a 相同，其在低温环境下 COP 低、制热量不足,且 R1234yf 价格相对于其 它制冷剂价格高，经济性较差。对于我国幅员辽阔，南北气温差异大，极大限制了 R1234yf 的大规模推 广。
R290（丙烷）是一种可以直接在液化气中获取的天然碳氢工质，其来源广泛，价格低廉，且 ODP 为零、GWP 仅为 3，表现出对环境的友好性。SHI 等[9]对 R134a 和 R290 在电动汽车热泵空调的应用进 行了理论分析，并利用软件对两种工质进行了数值模拟。模拟结果表明：在蒸发温度为-20℃时，R290 的制热量相较于 R134a 系统提高了 51,3%，COP 提高了 3.7%。由此可见 R290 可以克服 R134a 在低温 环境下的制热量不足的问题，十分适合于电动汽车空调。但是 R290 在密闭空间中的浓度在 2.1%-9.5% 范围内存在爆炸的危险，在汽车狭小密封的环境中，R290 会增加行驶过程的安全隐患。
CO2是天然制冷剂，化学性质稳定，作为制冷剂的安全等级为 A1，其 ODP 为零，GWP 仅为 1，对环境影响极小。此外，CO2 作为制冷剂的热力学性能良好，在制冷量以及流动阻力方面优于其他制冷剂， 此外，其在低温下的制热性能优良的特点十分适用在纯电动汽车的空调系统。因此传统制冷剂 CO2 再次 回到了人们的考虑范围。
CO2 与传统制冷工质热物性有很大不同，它的临界温度仅为 31.1℃，临界压力为 7.37MPa。对于车 用 CO2 热泵系统而言，其高压侧的放热过程在临界点之上的超临界区域内，低压侧的蒸发吸热过程在亚 临界区域内，所以车用 CO2热泵系统只能采用跨临界循环。在跨临界 CO2循环中，高压侧 CO2在放热过 程中一直处于超临界区域只进行显热的交换不发生相变，所以在跨临界 CO2 循环中将冷凝器称为气体冷 却器。跨临界 CO2 循环系统与传统工质热泵系统在装置组成上区别不大，主要由压缩机、气体冷却器、 蒸发器和节流装置四部分组成，此外，有时会设置气液分离器、控制系统和自动控制装置等辅助装置， 跨临界 CO2热泵系统的基本流程图和 p-h 图如图 1 所示。
理论上，与传统的蒸汽压缩循环相比，跨临界 CO2 循环在相同条件下效率较低,主要是由两个因素造 成的：其一是在跨临界 CO2 循环中 CO2 在气体冷却器中的平均温度高，导致在冷却过程中热损失较大；另一个因素是由于跨临界 CO2循环在 CO2在膨胀装置前后压差大，节流过程中熵增较大。对于跨临界 CO2 压缩机，由于 CO2 工作压力高、压差大，所以对 CO2 压缩机的强度、密封和润滑等方面提出了新的 要求。虽然跨临界 CO2 循环压差大，但是其压比仅为 3 左右（其它车用制冷剂压缩循环压比达到 8 左 右），因此跨临界 CO2 循环的压缩机有更高的效率，且余隙容积小，压缩机的尺寸可以减小。CO2 在 气体冷却器中的冷却过程是在超临界状态下的单相传热，定压比热是影响其传热的重要因素，CO2 在临 界点附近定压比热值较高，因而控制 CO2 在气体冷却器中传热在临界点附近能有效提高换热效率。并且 CO2 在气体冷却器中的进出口温度对整个系统的 COP 具有重要影响，CO2 气体冷却器出口温度每下降 1℃，COP 大约提高 5%，故在设计 CO2 气体冷却器时，因尽量使气体冷却器出口温度接近空气进口温 度。
单纯的跨临界 CO2 循环相较于其它制冷剂循环是没有优势的，所以需要对跨临界 CO2 循环系统进行 优化。在跨临界 CO2 循环中，气体冷却器侧的放热压力可高达 10MPa 左右，蒸发器侧的吸热压力在 4MPa 左右，所以通过节流装置的压差可达 6MPa 左右，远远高于传统氟利昂制冷剂的节流压差。YANG 等研究发现从超临界区到两相区的等焓节流过程的损失是整个跨临界 CO2 循环最主要的不可逆损失， 减少节流损失或回收膨胀功是提高整个循环效率的关键。现阶段适用于提高电动汽车 CO2 热泵空调系统 性能的方案主要是在系统内加入回热器和引入补气增焓技术，本文将对这几种技术作简要介绍。
CO2循环 在热泵系统中加入回热器会产生两种影响：从对循环系统产生积极效应方面分析，从气体冷却器内 流出的超临界 CO2 气体，在回热器内部进行等压降温冷却，降低蒸发器入口的焓值和干度，蒸发器进出 口焓值变大，增加了单位制冷量，同时干度的降低使制冷剂在蒸发器内的换热效果更好。此外，由于回 热器的加入，流入压缩机的 CO2 气体保持一定过热度，这有利于压缩机安全稳定的运行；从不利方面看， 回热器的引入会提高压缩机的吸气温度，使得制冷剂流量减小，压缩机排气温度高，单位制冷剂的耗功增大。在两种影响的综合作用下，回热器的引入既有可能提高循环系统性能，也有可能降低循环系统性 能，提高还是降低将取决于所选工质的热物性。为了减低跨临界 CO2 循环的节流损失，ROBINSON 等在循环系统中加入回热器，研究发现，回热器的加入可以提高跨临界 CO2循环的 COP。带回热器的 跨临界 CO2循环系统流程图和 p-h 图如图 2 所示。
由于回热器的引入会对热泵系统产生两种影响，大量学者对回热器在不同工况下对跨临界 CO2 系统 的影响做了研究。RIGOLA 等[16]进行了跨临界 CO2 循环系统在环境温度为 25℃、35℃、43℃时的理论 与实验研究，结果表明具有合理尺寸的回热器可以大大提高系统的 COP，且环境温度越高，COP 提高越 明显。CHO 等证实回热器的使用不仅可以提高系统的 COP，还可以增加系统的制冷量。在设计工况 下，相较于无回热器的跨临界 CO2循环系统 COP 可提升 6.2%-11.9%。系统制冷量可增加 1.7%-9.1%。TORRELLA 等指出回热器的加入使得跨临界 CO2 循环系统的 COP 升高达 12%。根据实验结果可以 得出，回热器的热效率与蒸发温度密切相关。此外，回热器与压缩机耗功两者之间没有明显的关联。赵 玲华等对带回热器的跨临界 CO2 热泵系统进行了实验研究，并提出了回热率这一概念来评估回热器对 系统性能的影响。研究结果指出：如果系统获得最大 COP 为设计目标，系统回热率取 15%左右为宜。CHEN 和 GU 等基于焓差推导出一个有效表达回热器效率的方法，其理论计算结果表明在跨临界 CO2 系统中高效的回热器是获得高系统性能的一个重要因素。
补气增焓技术能明显提升热泵空调在寒冷地区的适应性。补气增焓技术的系统应用形式主要分为 带经济器和带闪蒸器两种。其工作原理是将出气体冷却器的一部分制冷剂经闪蒸器闪蒸或经济器换热后 喷入压缩机。两种跨临界 CO2 热泵补气增焓系统循环流程图及 p-h 图分别如图 3-4 所示。在经济器系统中，CO2 从气体冷却器流出后经经济器和回热器后分成两路：一路经过膨胀阀 1 部分节流至中间压力（状态点 4）， 然后进入经济器进行换热后由补气口喷入压缩机；另一路 CO2 气体经过经济器后由膨胀阀 2 完全节流后 进入蒸发器蒸发吸热流出后通过回热器换热后进入气液分离器，从气液分离器出来的 CO2 气体进入压缩 机经一级压缩后与从补气口进入的气体混合完成二级压缩变成高温高压 CO2 气体。与经济器系统不同之 处在于，带闪蒸器的系统 CO2从气体冷却器中流出后（状态点 3）经过膨胀阀节流后（状态点 4）进入闪 蒸器闪蒸，气态 CO2（状态点 6）与部分压缩的 CO2（状态点 7）混合（状态点 8）。液态 CO2（状态点 5）经节流阀 2 节流后（状态点 9）进入蒸发器。引入补气增焓的跨临界 CO2 热泵系统，首先降低了蒸发器的入口焓值，从而增大了蒸发器的进出口 焓差。同时中间补气过程能增加经过气体冷却器的制冷剂流量，从而提高系统低温工况的制热量和高温 工况的制冷量。此外中间补气制冷剂温度低于一级压缩制冷剂温度，因此补气系统能有效降低压缩机的 排气温度从而避免过热。
最早的补气增焓系统是由苏联学者与 1976 年首次引入这一概念并建立了一系列数学模型。随后有学 者将补气增焓技术展开了一系列研究。BAEK 等研究了补气型 CO2 热泵系统，研究显示相比于传统热 泵系统，补气型 CO2热泵系统的 COP 和制冷量分别提升了 24%和 45%，且使用补气增焓技术使系统在 低温环境下的性能要高于传统单级压缩系统。CHO 等[24]研究了以 CO2为制冷剂对比了带喷气增焓热泵系 统与普通双级压缩热泵系统的制冷性能，研究表示在相同工况下，带补气增焓技术的热泵系统的 EER 比 普通双级压缩热泵系统提高了 16.5%,且压缩机的排气温度降低了 5～7℃。HEO 等研究了采用闪蒸器 的补气增焓热泵系统的制热性能，实验结果表示：在-15℃工况下，相较于普通单级热泵系统，该系统的 制冷剂流量增加了 30%～38%，COP 和制冷量分别提升了 10%和 25%。TELLO-OQUENDO 等人对 比了补气型压缩机和双级压缩机在不同压缩比情况下热泵系统的运行性能。研究结果显示：当压缩比小 于 5 时，补气型压缩系统运行性能要优于双级压缩系统；当压缩比更高时，双级压缩系统的运行性能更 佳。WANG 等提出闪蒸罐系统运行控制更困难，内压力低于补气压力时容易产生回流，而经济器不会 产生回流，适应更大的运行范围。JUNG 等将喷气增焓热泵系统应用于电动汽车，研究了不同结构参 数的补气口对系统的影响。研究表示：补气口的结构参数对系统的性能有很大的影响。
传统的电动汽车空调系统采用的是夏季使用压缩式空调制冷，冬季利用 PTC 电加热方式采暖，分为 水暖 PTC 和风暖 PTC，其系统图如图 5 所示。由于 PTC 是热敏电阻材料，所以采用电加热 PTC 的方式 采暖实际过程中热效率是要小于 1。由于冬季动力电池的性能衰减以及使用 PTC 电加热的方式采暖，电动汽车的续航里程将减少 50%。由于热泵型空调节能高效，所以热泵型空调将成为新能源汽车行业的 重要要发展趋势。其中，热泵空调系统分为直接热泵系统和二次回路系统，本文将对两种系统作简要概 述。
家用型热泵空调是采用室内室外各一个换热器，采用四通换向阀来切换制冷剂的流动方向。但是电 动汽车不同的是，当冬天空调系统从除霜模式切换为制热模式时，车内的换热器的冷凝水将会蒸发并随 着新风吹到车内的挡风玻璃上起雾，会给行车带来安全隐患。于是 SUZUKI 等人开发了一套电动汽车 热泵系统，系统结构图如图 6 所示。该系统使用了三个换热器，其中两个换热器布置在电动汽车风道内。该系统可以实现制冷、采暖和除霜除湿的自由切换，而且有效防止了冬天除霜制热切换时的挡风玻璃起 雾问题，解决了行车中的安全隐患。
该系统制冷时，制冷剂经电动压缩机压缩后通过四通阀后流向车外换热器放热，经电子膨胀阀 1 节 流后流向车内蒸发器蒸发吸热后进入压缩机，实现车内的制冷；采暖时制冷剂从四通阀流出后流入车内 冷凝器放热，经过电子膨胀阀 2 在车外换热器吸热后经电磁阀进入压缩机完成制热循环；除霜除湿模式 下，制冷剂流经三个换热器，首先制冷剂流经车内蒸发器完成湿空气的除湿，然后流入压缩机压缩后经 四通阀进入车内冷凝器将除湿后的空气加热，流出车内冷凝器后经电子膨胀 2 一次节流后流入车外换热 器放热融霜，最后经过电子膨胀阀 1 二次节流后进入车内蒸发器完成除霜除湿循环，该循环不仅实现了 室外换热器的除霜，还完成了车内新风的除湿避免了挡风玻璃的起雾。
现有四通换向阀是铜制品，主要是提供给家用热泵空调，与汽车空调上的铝材焊接性差，导致其容 易腐蚀、抗震动性差，从而在高压与低压间频繁切换存在泄漏的不足。日本电装公司设计了一种旁通 阀系统而代替四通换向阀切换制冷剂方向的车用热泵空调系统，系统结构如图 7 所示。
在制冷模式下，电磁阀 2 关闭，制冷剂经车内冷凝器后由电磁阀 1 流入外部换热器，经过电子膨胀 阀 1 节流进入车内蒸发器，再由气液分离器回到压缩机。制热模式下，电磁阀 1 关闭，制冷剂通过车内 冷凝器经电子膨胀阀 2 进入车外换热器，通过电磁阀 2，经气液分离器回到压缩机完成循环。除湿模式下， 电磁阀 1、2 关闭，制冷剂经过车内蒸发器经分离器进入压缩机，再进入车内冷凝器经电子膨胀阀 2 进入 外部换热器，最后再次进入车内蒸发器。
图8是带补气增焓的电动汽车直接热泵空调系统，并搭载在了 2017 年款的普锐斯 Prime 中，该系统 提高了在低温环境下乘客舱的采暖性能，并在没有电加热辅助的情况下实现了除湿的功能。相比于不带 补气增焓的热泵系统，在压缩机相同转速下，带补气增焓的热泵空调系统制热量将提高 26%。此外相较 于带 PTC 的热泵空调系统，在相同制热量的情况下带补气增焓的热泵空调系统能耗比要低 63%，可以使 电动汽车的行驶里程提高 21%。
相较于不带补气增焓技术的热泵空调系统，该系统在采暖模式时经电子膨胀阀 2 部分节流的制冷剂 会在闪蒸罐内闪蒸并分为两部分，闪蒸后的气态制冷剂经电磁阀 3 进入压缩机再压缩，液态制冷剂经闪 蒸罐后的压力阀节流后流入外部换热器从外界环境吸收热量，通过该方式增加了通过冷凝器的制冷剂流量，从而提高了制热性能。该系统的除湿有串联和并联两种模式可供选择，在串联除湿模式中，制冷剂 在冷凝器内放热后经电子膨胀 2 部分节流后进入外部换热器换热，再经电子膨胀阀 1 节流后进入蒸发器 蒸发吸热，蒸发后的制冷剂经压缩机压缩后再次进入冷凝器。该模式下是通过蒸发器将空气进行冷却除 湿然后通过冷凝器加热至目标温度；此模式下外部换热器向外部环境吸收热量或者将热量散发到外部环 境中，这将取决于两个电子膨胀阀的控制。与串联模式不同的是，当系统处于并联除湿工作模式时，从 冷凝器中放热的后制冷剂将会分为两部分，一部分经电子膨胀 2 节流后进入外部换热器从外界环境吸收 热量经电磁阀 2 返回压缩机再压缩，另一部分制冷剂经电磁阀 1 由电子膨胀阀 1 节流后进入蒸发器，最 后回到压缩机。该模式下位于蒸发器后的压力阀可以控制蒸发温度防止结霜，此外，此时外部换热器的 蒸发温度可以低于蒸发器的蒸发温度，可以从外部环境中吸收更多的热量，将除湿后的空气加热到更高的温度，可以保持系统在低温环境在仍然可以稳定工作。
由于电动汽车热泵空调的阀件较多，而 CO2 热泵系统需要以跨临界循环运行，系统的运行压力较高， 对阀体的密封性及材料要求较高。图 9 所示是二次回路电动汽车热泵空调系统的设计思路，制冷剂不会 直接进入乘员舱制冷或制热。系统将分为制冷剂回路和载冷剂回路，由冷凝器、蒸发器、压缩机、气液 分离器和电子膨胀阀构成制冷剂回路，其中制冷剂回路只有一个膨胀阀，可以极大的减少高压阀的数量。当乘员舱有制冷或采暖需求时，载冷剂将流入冷凝器或蒸发器进行换热后将乘员舱内的空气加热或冷却， 以此达到制冷或采暖的需求。
二次回路的电动汽车热泵空调系统可以减少高压阀的数量，但是同样二次回路将会增加能量的损失， 系统的COP会略低于直接热泵。现阶段对于 CO2热泵空调系统采用直接热泵还是二次回路存在争议， 两种方案都存在明显的优缺点，对于最终的选择将需要进一步的研究论证。
电动汽车与燃油汽车不同，不仅乘员舱需要进行热量管理，电池和电机的安全性和效率都与其温度 密切相关，电池包内部热量不能及时散出会导致电池温度上升、电池温度变大，甚至引起热失控，因此 电池和电机的温度控制对电动汽车尤为重要。所以对于电动汽车需要利用热泵空调产生的热量和冷量 对乘员舱进行温湿度控制和动力电池及电机的温度控制，实现电动汽车整车热量集成式管理，提高整体 能量利用率。图 10 所示是一套使用 CO2 热泵空调的整车热管理系统。该系统热泵空调主要采用直冷/直热构架， 制冷蒸发器与热泵冷凝器直接进入乘员舱内实现温度的调节。此外，该系统的电池与电机回路通过三通 阀(TV)的切换可实现水路的串联和并联，使得电池散热可以采用自然散热和主动制冷两种方式。在低温 环境下，采用水路热力阀（TRV）旁通散热水箱（Raditor）利用电机余热对电池进行加热，降低电池制 热模式下对水路低压 PTC 的需求，进一步降低整车热管理能耗，提升低温续航。乘员舱和电池混合制冷 的模式下，电池 Chiller 前的 EXV2 主要用于制冷剂流量的分配。
图 11 是苹果电动汽车的整车热管理系统，该系统采用二次回路的方案对乘员舱、动力电池和电机 进行整车的热量管理。其一次回路使用 CO2 作为制冷剂独立设计，二次回路将水作为载冷剂，包含加热 回路、冷却回路、电池回路和电机回路，可实现乘员舱采暖制冷、电机散热和加热、电池冷却和加热等 功能。该系统分别通过气液热交换器(Liquid Cooled Gas Cooler,LCGC)和制冷剂-水热交换器(Chiller)与 制冷剂回路进行热量和冷量的交换。二次回路在气液热交换器获得的热量可通过三通阀选择被利用或流 向车外换热器排出。当乘员舱需要采暖时，泵 1 开启利用载冷剂将热量携带至空调箱内的暖风芯体加热 乘员舱内的空气；在温度极低的情况下，在给乘员舱供暖的同时另需要加热电池，此时利用加热 PTC 材 料辅助加热，此时载冷剂将在暖风芯体内释放热量的同时通过热交换器 1 换热，泵 3 开启加热动力电池。冷量通过 Chiller 传递到二次回路，此时泵 2 开启，当乘员舱需要制冷时可将携带至冷却芯体冷却乘员舱 空气，同时在泵 3 开启的情况下可通过热交换器 2 将冷量传递到电池，在电池温度过高是可达到降温的 作用，冷量也可通过热交换器 3 经过四通阀传递到电机已以达到给电机降温的作用，当车辆无制冷需求 时可通过车外换热器排出。
CO2 由于其对环境的友好性、来源广泛、安全系数好，将在制冷剂变更过程中发挥巨大作用。此外 CO2 换热系数高和单位容积制冷量大的特点有利于减少换热器的体积和压缩机的排量，能有效较小系统 的体积，非常适合汽车空调。其次，CO2 热泵空调系统拥有良好的低温启动制热功能，在室外极低温情况下依然可以提供较大的制热量并维持较高的 COP。所以 CO2热泵空调系统将是未来电动汽车热泵空调 的发展方向。但是 CO2 热泵系统需要在电动汽车领域大规模推广，未来的工作还需要解决以下几方面的 问题。
（1）跨临界 CO2系统在低温时有很高的制热量，但是在高温环境下的制冷模式时，气冷器的冷却效 果有限，节流后干度较高，制冷性能较差。所以需要解决高温环境下的制冷量不足，COP 下降的问题。
（2）由于 CO2的临界压力为 7.3MPa,跨临界 CO2系统的运行压力高，低压侧为 3～5MPa，高压侧 达到 8～14MPa。所以整个系统零部件需要解决耐高压的问题和高压下的寿命周期问题，此外还需考虑 整个系统的密封问题，确保系统安全可靠的运行。
（3）CO2 在跨临界循环的气体冷却器中的放热过程处于超临界状态，不发生相变，放热后的温度与 高压压力无关，且具有较大的温度滑移，给系统控制增加了难度。电动汽车热泵空调不仅需要给乘员舱提供制冷、采暖、除霜和除湿的功能，还需要考虑电机和电池 包的温度控制，所以需要设计高效简洁的整车集成式的热管理系统。此外，纯电动汽车整车热管理的阀 体多、管路复杂，不仅成本提升还增加了系统所需的空间。所以对于多阀体和管路的集成将成为接下来工作的重点。