新能源汽車CO2熱泵空調(diào)管性能實(shí)驗(yàn)研究

嚴(yán)詩(shī)杰

（上汽大眾汽車有限公司，上海 200185）

0 引言

電動(dòng)汽車作為環(huán)保和節(jié)能的現(xiàn)代智能交通工具，近年來(lái)受到了越來(lái)越多的關(guān)注。從能源發(fā)展戰(zhàn)略角度，新能源汽車是全球汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。中國(guó)從維護(hù)能源安全、改善大氣環(huán)境、提高汽車工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和實(shí)現(xiàn)我國(guó)汽車工業(yè)的跨越式發(fā)展的戰(zhàn)略高度考慮，加大對(duì)各大車企在新能源方向的投入和補(bǔ)貼，鼓勵(lì)開(kāi)發(fā)并生產(chǎn)節(jié)能高效的純電動(dòng)汽車。

隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展，整車熱管理受到了更多的關(guān)注。但是在電池沒(méi)有突破性進(jìn)展的情況下，如何保證低能耗，減小車載空調(diào)系統(tǒng)對(duì)續(xù)航的影響，特別是對(duì)冬季續(xù)航里程的影響，是最為關(guān)鍵的議題。而熱泵空調(diào)是有效解決以上行業(yè)痛點(diǎn)的重要路徑。整車實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出，CO2熱泵系統(tǒng)的能源利用率比熱敏電阻（Positive Temperature Coefficient，PTC，泛指正溫度系數(shù)熱敏電阻）制熱的空調(diào)系統(tǒng)高出很多，-7 ℃的外溫工況下，整車測(cè)試結(jié)果顯示可以將續(xù)航里程延長(zhǎng)大約30%。主要原因如下：首先，CO2具有低溫下單位能量密度大、制熱效果好、超臨界循環(huán)壓比小和壓縮機(jī)效率高的特點(diǎn)；其次，高壓排氣側(cè)處于超臨界狀態(tài)的CO2存在較大溫度滑移，使得進(jìn)口空氣溫度與CO2的排氣溫度可以非常接近，從而使不可逆?zhèn)鳠嵋鸬臒釗p失小[1-5]。因此CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱工況下的性能系數(shù)（Coefficient of Performance，COP）較高，相比于PTC采暖的空調(diào)系統(tǒng)具有較大性能優(yōu)勢(shì)。

從環(huán)保角度，為了應(yīng)對(duì)全球氣候變暖現(xiàn)象，強(qiáng)溫室效應(yīng)的汽車空調(diào)制冷劑R134a的替代形勢(shì)也日益緊迫[6]。2021年4月習(xí)近平主席發(fā)言表態(tài)中國(guó)決定接受《基加利修正案》，加強(qiáng)非CO2溫室氣體管控[7]。2021年9月《基加利修正案》對(duì)中國(guó)正式生效，中國(guó)成為該修正案122個(gè)締約方[8]。但是，R1234yf作為R134a的替代產(chǎn)品仍然存在探討的空間。目前R1234yf存在專利壟斷，價(jià)格高昂以及弱可燃性（A2L制冷劑）等問(wèn)題仍然困擾著國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)。其次，在近幾年的深入研究中，更多的副作用被逐漸揭示。如在PICKARD等[9]的研究中預(yù)測(cè)，使用R1234yf替代R134a后將進(jìn)一步加劇短鏈全氟烷基羧酸（scPFCA）在人體以及植物（農(nóng)作物）中的沉積，長(zhǎng)期危害人體。據(jù)了解，歐洲5國(guó)正在起草一項(xiàng)提案，擬全面禁用全氟烷基化合物（PFAS），其中也包括HFC及HFO。該項(xiàng)提案預(yù)計(jì)于2023年1月公布[10]。而CO2作為自然工質(zhì)，其全球變暖潛能值（Global Warming Potential，GWP）僅為1，低價(jià)環(huán)保無(wú)毒且不易燃，因此采用CO2制冷劑的汽車空調(diào)符合環(huán)保要求，或許是電動(dòng)汽車制冷劑的終極解決方案[11]。

CO2熱泵系統(tǒng)也存在一些技術(shù)難點(diǎn)，如超高溫高壓的運(yùn)行特性對(duì)材料的要求大大提高，對(duì)系統(tǒng)密封性有更高的挑戰(zhàn)，振動(dòng)噪音等要求也異常嚴(yán)苛。CO2熱泵系統(tǒng)的空調(diào)管高達(dá)十多根，壓力范圍囊括低壓、中壓和高壓，每根管子中的制冷劑壓降，殘油率等性能的影響對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用。此前，全球僅康迪泰克（ContiTech）及瑪弗羅（Maflow）兩家歐洲公司成功開(kāi)發(fā)了CO2熱泵空調(diào)管路。所以，國(guó)內(nèi)自主開(kāi)發(fā)一款針對(duì)CO2工作特性，低阻力、低殘油率且耐高壓高溫的熱泵高壓管路是推動(dòng)CO2熱泵系統(tǒng)量產(chǎn)為成熟系統(tǒng)的關(guān)鍵一步。

鄭美玲[12]對(duì)進(jìn)口CO2管路進(jìn)行專利分析和零件剖切，發(fā)現(xiàn)其設(shè)計(jì)理念存在不少短板，如材料的選擇、密封方式的定義及加工工藝仍多數(shù)采用傳統(tǒng)空調(diào)管的思路。同時(shí)創(chuàng)新提出了新型CO2空調(diào)管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并對(duì)其可靠性進(jìn)行初步驗(yàn)證。基于以上成果，本文進(jìn)一步探索了該新型管路對(duì)CO2熱泵系統(tǒng)性能上的影響及表現(xiàn)，并通過(guò)臺(tái)架及整車實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了相應(yīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，論證了該管路系統(tǒng)的可靠性及安全性。為該設(shè)計(jì)的實(shí)車應(yīng)用打破了最后的壁壘。

國(guó)產(chǎn)CO2空調(diào)管的成功開(kāi)發(fā)，打破了國(guó)外企業(yè)在高端前沿技術(shù)上的封鎖和壟斷。推動(dòng)行業(yè)跨越式進(jìn)步的同時(shí)也大大降低CO2熱泵的使用門檻，為行業(yè)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 結(jié)構(gòu)分析

在車用CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)[13]中，需要空調(diào)管將系統(tǒng)各零件串聯(lián)/并聯(lián)起來(lái)（圖1）。壓縮機(jī)到氣冷器/室內(nèi)換熱器的管段為高溫高壓排氣管（熱氣管），氣冷器到室內(nèi)換熱器的管段為高壓低溫管（高壓管），其余管段為低壓低溫管（吸氣管）。閥件、儲(chǔ)液罐及水冷器安裝于閥總成上，由鋁管硬管連接。

圖1 CO2熱泵系統(tǒng)布置原理[13]

表1所示為國(guó)外進(jìn)口結(jié)構(gòu)和新型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)對(duì)比。進(jìn)口零件的熱氣管和高壓管/吸氣管采用不同的軟管結(jié)構(gòu)和連接方式。熱氣管采用不銹鋼波紋管作為阻隔層，不銹鋼鋼絲作為增強(qiáng)層，最外層氫化丁腈橡膠層進(jìn)行包裹。而高壓管/熱氣管采用類似R134a傳統(tǒng)空調(diào)管的結(jié)構(gòu)，尼龍層作為阻隔層，芳綸線作為增強(qiáng)層，最外層氫化丁腈橡膠層進(jìn)行包裹。軟管和硬管之間的密封連接方式都是采用三元乙丙的O型圈的扣壓來(lái)完成密封。

表1 兩種空調(diào)管結(jié)構(gòu)對(duì)比

鑒于CO2熱泵系統(tǒng)壓力是傳統(tǒng)R134a制冷劑系統(tǒng)的8倍，高低溫交變溫差大等特點(diǎn)，新型開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)將三類管路統(tǒng)一設(shè)計(jì)為一種最為堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)。軟管均采用不銹鋼波紋管為阻隔層，不銹鋼絲為增強(qiáng)層，同時(shí)，區(qū)別于進(jìn)口件熱氣管中使用的插管工藝，外層采用乙烯丙烯酸酯橡膠一體包膠的工藝。由于CO2小分子工質(zhì)特點(diǎn)及高溫高壓工作范圍要求，O型圈的密封方式已經(jīng)不能滿足該系統(tǒng)。新型CO2熱泵空調(diào)管的扣壓結(jié)構(gòu)，采用激光焊接或氬弧焊的焊接方式，同時(shí)結(jié)合金屬硬密封的方式來(lái)進(jìn)行密封，可以抵抗約34 MPa的爆破壓力和15萬(wàn)次的帶溫度交變的高低壓脈沖臺(tái)架耐久實(shí)驗(yàn)[14-15]。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

2.1 CO2空調(diào)管壓降實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

壓降實(shí)驗(yàn)主要評(píng)估新型CO2空調(diào)管路對(duì)制冷劑產(chǎn)生的流動(dòng)阻力大小。確保新型空調(diào)管路結(jié)構(gòu)不會(huì)造成過(guò)大的壓降，影響系統(tǒng)性能，進(jìn)而降低系統(tǒng)的COP[16-17]。圖2所示為CO2空調(diào)管壓降實(shí)驗(yàn)臺(tái)。

圖2 CO2空調(diào)管壓降實(shí)驗(yàn)臺(tái)

實(shí)驗(yàn)使用進(jìn)口件及全新設(shè)計(jì)的CO2空調(diào)管，對(duì)應(yīng)DN6、DN8及DN10這3種規(guī)格，分別選取3根有代表性的空調(diào)管進(jìn)行測(cè)試，其總管長(zhǎng)（軟管長(zhǎng)）分別為900 mm（280 mm），680 mm（200 mm）及800 mm（310 mm）。實(shí)驗(yàn)件被安裝于CO2空調(diào)管壓降實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)工況如表2所示。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后制冷劑將以確定的壓力，溫度以及流量進(jìn)入實(shí)驗(yàn)件。同時(shí)壓差傳感器與實(shí)驗(yàn)件并聯(lián)，在系統(tǒng)趨于穩(wěn)定后，記錄壓差數(shù)據(jù)。其中，壓差傳感器的不確定度為0.3%FS，即±3 kPa。圖3所示為壓降實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表2 壓降實(shí)驗(yàn)條件

圖3 壓降實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖3可知，全新設(shè)計(jì)的CO2空調(diào)管在各尺寸下，壓降表現(xiàn)均好于進(jìn)口件。經(jīng)分析，雖然進(jìn)口件的DN8及DN10的軟管規(guī)格并沒(méi)有使用波紋管設(shè)計(jì)，但是其扣壓結(jié)構(gòu)和工藝限制了其較小的通徑。全新設(shè)計(jì)的CO2空調(diào)管與進(jìn)口件相比，最小通徑要大2.4 mm，大大優(yōu)化空調(diào)管壓降。而較小的壓力損失即代表了較小的焓損失，從而保證了系統(tǒng)能夠更加高效的運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)表明3種管徑的實(shí)驗(yàn)件在不同的測(cè)試條件下，內(nèi)部制冷劑的壓降都很小，證明了新型空調(diào)管具有良好的流動(dòng)低阻力特性。

2.2 CO2空調(diào)管殘油實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

在空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，壓縮機(jī)潤(rùn)滑油隨制冷劑一起被帶離壓縮機(jī)并參與循環(huán)的現(xiàn)象是不可避免的。所以系統(tǒng)中的所有部件包括空調(diào)管都不能影響壓縮機(jī)的回油，否則壓縮機(jī)潤(rùn)滑油不足會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)損壞[18-19]。本實(shí)驗(yàn)的目的是評(píng)估空調(diào)管在系統(tǒng)運(yùn)行中會(huì)截留多少潤(rùn)滑油。

在實(shí)驗(yàn)之前，各空調(diào)管會(huì)被逐一稱重，之后被安裝到車用CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，如圖4所示。空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行方式很多，運(yùn)行狀態(tài)也是多樣的。如果要逐一分析每一種方式下的每一種模式，那將產(chǎn)生不可估量的工作量。本次實(shí)驗(yàn)根據(jù)一維仿真及系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，選取7個(gè)極具代表性的工況點(diǎn)，分別包括了制冷（AC1至AC4）和采暖（HP1至HP3）兩種運(yùn)行方式。具體的參數(shù)設(shè)置如表3所示。

圖4 車用CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)

將車用CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)置于在環(huán)境倉(cāng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)表3工況運(yùn)行。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，關(guān)閉系統(tǒng)。待壓力平衡后，緩慢回收系統(tǒng)中的CO2制冷劑。拆下空調(diào)管并再次稱重。兩次重量之差即為空調(diào)管的殘油量。特別注意的，每進(jìn)行完一個(gè)工況后，系統(tǒng)需徹底清洗，并為壓縮機(jī)重新加油，保證系統(tǒng)初始狀態(tài)一致。

表3 殘油率測(cè)試工況

實(shí)驗(yàn)完成后對(duì)空調(diào)管進(jìn)行稱重記錄。由于空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，潤(rùn)滑油處于動(dòng)態(tài)，即使在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)各種要求保證實(shí)驗(yàn)一致性，仍有一些不可控因素，導(dǎo)致每次稱重的結(jié)果無(wú)法完全相同。比如，停機(jī)后的潤(rùn)滑油遷移，制冷劑回收過(guò)程中的制冷劑遷移，空調(diào)管拆卸過(guò)程中的損失等。所以，為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度，針對(duì)每個(gè)工況，均進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)并稱重。殘油量數(shù)據(jù)取平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。各工況下，3次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果差異均在10%以內(nèi)。

系統(tǒng)初始油量200 g，7個(gè)工況后，各空調(diào)管中的總殘油量及殘油率如圖5所示。由圖5可知，空調(diào)管的殘油率最高不超過(guò)19%，在幾乎所有工況下，新型設(shè)計(jì)的空調(diào)管比進(jìn)口件有近似或者更加優(yōu)異的殘油特性。因此全系使用不銹鋼波紋管并沒(méi)有對(duì)系統(tǒng)回油產(chǎn)生負(fù)面影響，且表現(xiàn)符合設(shè)計(jì)要求。

圖5 殘油量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3 CO2空調(diào)管整車制冷及采暖實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

經(jīng)過(guò)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，初步證明了新型設(shè)計(jì)的空調(diào)管可滿足CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本性能要求，并且壓降和殘油量性能優(yōu)于進(jìn)口零件，將其安裝于實(shí)驗(yàn)車上。通過(guò)測(cè)試安裝新型設(shè)計(jì)空調(diào)管系統(tǒng)的整車制冷及采暖性能，驗(yàn)證對(duì)整車空調(diào)性能的影響。

整車制冷及采暖實(shí)驗(yàn)均在環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。制冷實(shí)驗(yàn)工況為環(huán)境40 ℃，40%濕度，空調(diào)設(shè)置最大制冷模式，以32 km/h車速運(yùn)行30 min后再怠速運(yùn)行15 min；采暖實(shí)驗(yàn)工況為環(huán)境-20 ℃，空調(diào)設(shè)置除霜模式，溫度最高，以50 km/h車速運(yùn)行30 min后，切換自動(dòng)模式，設(shè)置溫度為22 ℃，繼續(xù)運(yùn)行15 min。

圖6所示為制冷及采暖實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖6可知，在制冷工況下，30 min后，出風(fēng)口平均溫度降至5.7 ℃，頭部空間平均溫度達(dá)到20.5 ℃。采暖工況下，15 min后，車內(nèi)平均溫度升至19.8 ℃。因此，在最大制冷及熱泵模式下，使用全新設(shè)計(jì)空調(diào)管的CO2熱泵系統(tǒng)可以滿足整車設(shè)計(jì)需求[20]。

圖6 制冷及采暖實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.4 CO2空調(diào)管整車耐久性實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證全新設(shè)計(jì)CO2熱泵空調(diào)管的整車耐久性表現(xiàn)，特將該套管路安裝于多輛實(shí)驗(yàn)車上，并進(jìn)行了100 000 km長(zhǎng)耐久測(cè)試，8 000 km苛刻工況耐久測(cè)試及分別在黑河-吐魯番-海南進(jìn)行的三溫區(qū)耐久測(cè)試，共計(jì)十余輛車，具體工況及車輛數(shù)量如表5所示。在跑車過(guò)程中，空調(diào)性能的表現(xiàn)是關(guān)鍵考核項(xiàng)，會(huì)被重點(diǎn)關(guān)注。

表5 耐久測(cè)試工況

經(jīng)過(guò)大量的耐久性跑車實(shí)驗(yàn)表明，CO2熱泵在各工況下均能為司乘提供舒適的空調(diào)體驗(yàn)。全新設(shè)計(jì)CO2熱泵空調(diào)管的可靠性、穩(wěn)定性被驗(yàn)證的同時(shí)，也證明其符合熱泵系統(tǒng)性能要求。

3 結(jié)論

本文通過(guò)臺(tái)架及整車實(shí)驗(yàn)，研究了全新設(shè)計(jì)空調(diào)管在CO2熱泵系統(tǒng)中的性能表現(xiàn)，得出如下結(jié)論：

1）全新設(shè)計(jì)空調(diào)管壓降性能與進(jìn)口件相當(dāng)，最大壓降小于120 kPa，符合設(shè)計(jì)要求；得益于較大的扣壓處通徑，在DN8規(guī)格上壓降表現(xiàn)顯著優(yōu)于進(jìn)口件；

2）全新設(shè)計(jì)空調(diào)管在各工況下的殘油率均小于19%，符合設(shè)計(jì)要求，大部分工況下優(yōu)于進(jìn)口件；

3）安裝全新設(shè)計(jì)空調(diào)管的實(shí)車系統(tǒng)，在制冷工況下，30 min后的頭部空間平均溫度達(dá)到20.5 ℃；采暖工況下，15 min后的車內(nèi)平均溫度達(dá)到19.8 ℃，符合設(shè)計(jì)要求；

4）經(jīng)過(guò)道路耐久性實(shí)驗(yàn)，安裝全新空調(diào)管的系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，其耐久可靠性符合實(shí)車要求。