汽車空調研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

劉 翔，畢 崟，梁 珂

（湖北汽車工業(yè)學院 汽車工程學院，湖北 十堰 442000 ）

空調是改善室內環(huán)境舒適性的主要途徑，汽車空調作為空調中的一種，保證駕駛者和乘坐者的熱舒適性，是現(xiàn)代汽車上必不可少的部分，也是汽車除了發(fā)動機以外最大的耗能單元。各大汽車企業(yè)通過對新技術的開發(fā)和應用來滿足用戶的不同需求，以此來提高企業(yè)自身競爭力，獲取更大的市場，而汽車空調系統(tǒng)因其對乘坐舒適性和行駛安全性的重要影響已經(jīng)成為汽車制造商競爭市場的主要手段之一。

隨著人均汽車保有量不斷增加，能源匱乏、大氣污染等問題的日益加劇，現(xiàn)階段節(jié)能環(huán)保、高效低耗成為汽車部件設計的主要理念，汽車空調作為汽車主要輔助設備，其能耗占比較大，且溫室氣體排放量約占汽車總排放量的2%～10%，也在向著高效化、節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展，關鍵問題在于汽車空調制冷采暖技術和制冷劑的選擇。尤其對于日益興起的新能源汽車，汽車空調系統(tǒng)能耗將極大影響到車輛的驅動性能，余熱的不足也將給空調采暖帶來新的技術挑戰(zhàn)。故本文對汽車空調關鍵部件和國內外制冷劑的研究現(xiàn)狀進行分析，著重對國內外新能源汽車空調技術的研究對比總結，從而掌握汽車空調技術未來發(fā)展方向，對開發(fā)出更加高效節(jié)能、實用可靠的汽車空調系統(tǒng)提供幫助，同時對汽車生產(chǎn)商提高市場綜合競爭力具有實用意義。

1 汽車空調關鍵部件研究現(xiàn)狀

近十多年來，汽車公司和高?？蒲腥藛T大部分是基于使用十分廣泛的蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)進行改進優(yōu)化相關研究，使這項技術不斷趨于成熟。蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)主要是由壓縮機、蒸發(fā)器、膨脹閥、鼓風機和儲液干燥器等部件構成，各部件與傳感器配合運作。

1.1 壓縮機

壓縮機作為汽車蒸汽式制冷系統(tǒng)的核心部件，主要朝著高效化、輕量化以及減少工作震動與噪聲等方向發(fā)展。其中外部調節(jié)變排量壓縮機和渦旋式壓縮機性能比較出眾，是當前壓縮機主要研究方向。傳統(tǒng)汽車的空調壓縮機通常是依靠發(fā)動機來驅動工作，故兩者之間工作會相互影響。為了改善該問題，減少發(fā)動機動力損失，趙強等設計了一款雙動力源車用壓縮機傳動系統(tǒng)，該系統(tǒng)工作原理是當汽車熄火或發(fā)動機停機時，空調壓縮機由電動機單獨驅動；發(fā)動機工作時，壓縮機由發(fā)動機和電動機共同驅動。文中機械系統(tǒng)動力學自動分析（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems, ADAMS）系統(tǒng)模型如圖1所示，該系統(tǒng)解決了發(fā)動機熄火導致壓縮機無法工作的問題，不足之處是研究只完成了理論部分，未能進行裝車測試，其可靠性和實用性有待進一步驗證，但為壓縮機提供了研究方向。

1.2 熱交換器

如果說壓縮機相當于人的心臟，那么換熱器就是四肢，使空調系統(tǒng)能夠發(fā)揮功用。一般車用空調換熱器為冷凝器和蒸發(fā)器，它們結構十分類似，功用都是實現(xiàn)管道內物質與外界空氣的熱交換。其中蒸發(fā)器是系統(tǒng)制冷的中心，冷媒在其內蒸發(fā)吸收周圍熱量，從結構形式上來說，以往傳統(tǒng)的管片式、管帶式蒸發(fā)器在逐漸被層疊式和平行流式所取代。與傳統(tǒng)蒸發(fā)器相比，層疊式蒸發(fā)器傳熱系數(shù)一般能提高10%到45%；其空氣側阻力一般分別為管帶式和管片式的45%～80%和60%～80%，綜合性能比傳統(tǒng)的更加優(yōu)越。

冷凝器通常位于汽車最前端，良好的空氣流動與冷卻風扇相互配合將壓縮機的高溫高壓冷媒蒸汽冷卻液化。傳統(tǒng)的冷凝器也分為管片式和管帶式，但當前平行流式和層疊式基本取代了傳統(tǒng)冷凝器。其中平行流式冷凝器是管帶式演變而來，具有換熱效率高、結構緊湊等優(yōu)點，是目前冷凝器主流結構。綜合近幾年換熱器相關研究可以發(fā)現(xiàn)，如何強化熱交換系統(tǒng)換熱比、降低熱阻、集成結構以縮小體積、減輕質量以及提高單位體積傳熱面積等都是熱交換器系統(tǒng)研究主要方向和有待解決的問題。

1.3 膨脹閥

膨脹閥現(xiàn)階段朝著輕量化、可靠、控制靈敏等方向優(yōu)化，同時隨著電子和傳感器技術的不斷發(fā)展，電子控制閥的控制精確程度會不斷加強，將會廣泛地應用在汽車空調系統(tǒng)當中。

2 國內外替代制冷劑研究現(xiàn)狀

自我國在2010年實現(xiàn)了全面取代CFC類工質的替代以后，我國汽車空調系統(tǒng)廣泛使用的是HFC-134a制冷劑，其臭氧消耗潛能（ODP）為0，但全球變暖潛能值（Global Warming Potential,GWP）高達1 430。按照《基加利修正案》的要求，我國要在2024年開始啟動消減HFCs類物質。美國也將于2021年正式實施移除HFC-134a。所以為了緩解全球溫室效應，車載空調替代制冷劑的研究已經(jīng)十分迫切。

HFO-1234yf和CO是國際公認的AC系統(tǒng)替代制冷劑，國外方面有代表性的是奧迪公司，自2016年起開始批量采用R1234yf，并在2018年上市的奧迪A8上采用了CO作為該公司新型制冷劑。國內由于HFO-1234yf價格高昂一直無法普及，國內科研人員對此問題也在積極研究其他替代制冷劑方案。王秋實等針對兩種不同混合比例的R1234yf/R134a混合工質進行實驗分析，結果表明在熱泵空調系統(tǒng)中混合工質相比R134a制熱量提高約2.40%～6.95%，但性能系數(shù)（Coefficient of Performance, COP）略微降低，可認為該混合工質有潛力作為替代制冷劑應用于熱泵空調系統(tǒng)中。葉茂杰分析確定了三種不同質量配比混合工質R290/R13I1、R1270/R13I1和RE170/R134a，通過在焓差室內實驗研究發(fā)現(xiàn)，采用R290/R13I1和RE170/R134a制冷量和COP均有所提高，且兩種新型工質GWP都在150以內，證實了其替代R134a的可行性。其次是基于納米流體概念提出的納米制冷劑，有學者就其在空調上的應用進行了相關研究，劉振洋通過計算、仿真、實驗流程研究了R134a-Fe3O4納米制冷劑在電動汽車空調上的表現(xiàn)性能，用CFD仿真模擬了其在空調冷凝器中的局部流動和傳熱，對比發(fā)現(xiàn)納米制冷劑在液體和氣體狀態(tài)下?lián)Q熱量都比純制冷劑高，且搭建實驗系統(tǒng)測試后結果表明COP也有所提高。從該研究可以看出納米制冷劑使空調系統(tǒng)性能得到提升，具備替代R134a的潛力，也為其余種類的納米制冷劑研究作出了參考。

國外方面，SEREVINA V等人實驗對比研究了R134a、R600a和R290三種制冷劑對汽車空調器性能的影響，發(fā)現(xiàn)R600a整體性能都優(yōu)于其他兩種，其COP最高且比R134a提高了約3.7%，質量流量約為R134a的50%，即R600a制冷劑充入系統(tǒng)的量約為R134a的50%。由此可見R600a是替代R134a的較優(yōu)選擇。WELLID I等人研究了三種不同冷凝器溫度下R436A和R134a系統(tǒng)的COP，發(fā)現(xiàn)R436A空調系統(tǒng)COP相比之下有所降低，但該制冷劑對環(huán)境更為友好，可作為R134a替代制冷劑，另外針對COP減小問題進行實驗研究，發(fā)現(xiàn)采用過冷器后R436A冷卻性能優(yōu)于R134a。故R436A與過冷器配合使用將能更好地實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保需求。PON ABRAHAM J D A等人實驗對比研究了R430A（R290/R600a混合工質）和R134a在汽車空調當中的熱力學性能，發(fā)現(xiàn)R430基本滿足取代R134a的主要要求，且在一定溫度和濕度下，壓縮機轉速在1 000～3 000 r/min內變化時，R430A空調系統(tǒng)COP相較于R134a提高12%～20%，且GWP也更低，作為替代制冷劑有良好應用前景。

綜合國內外研究發(fā)現(xiàn)，制冷劑選取很大程度上影響空調系統(tǒng)制冷性能，且選擇合適制冷劑以適當比例混合得到的新型混合工質在汽車空調上表現(xiàn)的性能通常優(yōu)于純制冷劑，基于以上研究內容可知，未來一段時間研究關鍵將是確定制冷劑混合比例和混合后工質化學性質是否適用于汽車空調系統(tǒng)以及使用后制冷性能的變化程度。同時也要考慮混合制冷劑的生產(chǎn)工藝成本，保證其商業(yè)性可行性。

3 新能源汽車空調系統(tǒng)研究興起

據(jù)統(tǒng)計，2020年我國新能源汽車保有量達492.02萬輛，與2019年相比增加111.15萬輛，預測2021年增 240萬輛。在新能源汽車大力發(fā)展的同時，汽車空調作為新能源汽車的“小三電”之一，能耗占比較高，影響了新能源汽車行駛里程，對汽車空調系統(tǒng)的研究與改進就尤為關鍵。近些年研究大多是基于不同制冷劑的熱泵空調系統(tǒng)和余熱利用式空調系統(tǒng)，以及一些替代空調技術，如半導體制冷技術、噴射式制冷技術等。相比于傳統(tǒng)汽車空調，新能源空調系統(tǒng)結構和控制系統(tǒng)有待完善，但其有著廣闊的發(fā)展前景和研究空間，同時節(jié)能環(huán)保是不變的主題，其研究的興起是必然的趨勢。

3.1 熱泵空調技術

考慮到無發(fā)動機余熱可供采暖，通常純電動汽車的空調系統(tǒng)采用單冷系統(tǒng)加上正溫度系數(shù)熱敏電阻（Positive Temperature Coefficient, PTC）加熱，但是PTC電加熱模式有較多缺陷，使電動汽車行駛里程降低約24%，故人們將目光轉向更加高效的熱泵系統(tǒng)，同時考慮用PTC電加熱器輔助熱泵系統(tǒng)制熱，保證低溫環(huán)境下制熱達到預期。對電動汽車來說，高效的熱泵系統(tǒng)是可靠的選擇，科研人員對此系統(tǒng)進行了研究以提高性能使其與電動汽車更加匹配。

王丹東等研發(fā)了一套CO跨臨界車用空調系統(tǒng)，研究了系統(tǒng)充注量對 CO車用熱泵空調系統(tǒng)性能、循環(huán)特征及膨脹閥開度的影響，并對比實驗提出了串聯(lián)氣冷器來提高換熱能力的方法，系統(tǒng)運行過程如圖2所示，實驗結果表明，串聯(lián)氣冷器的熱泵空調系統(tǒng)比單一氣冷器的制熱量和COP分別提高了17%～31%和20%～33%。綜合來看，該系統(tǒng)使用天然工質CO為制冷劑，相比H134a系統(tǒng)更加節(jié)能環(huán)保，不過熱泵系統(tǒng)受環(huán)境溫度影響較大，故下一步可對該系統(tǒng)進行裝車運行，研究較低或較高溫度工況下的系統(tǒng)性能，使系統(tǒng)實現(xiàn)進一步優(yōu)化。

對熱泵系統(tǒng)在低溫下制熱性能較差問題，韓南奎等設計了一款利用電機余熱的R134a熱泵空調系統(tǒng)，分析了不同環(huán)境下系統(tǒng)COP，并將兩種有、無余熱利用系統(tǒng)的電動汽車續(xù)航里程進行了對比，結果如圖3所示，搭載余熱利用型熱泵空調車輛行程增加13%～15%。該系統(tǒng)利用電機余熱提高了續(xù)航里程，滿足目前電車整體需求，未來優(yōu)化完善后將有可期的應用前景。

綜合近幾年研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化改進后的熱泵空調系統(tǒng)在純電動汽車上發(fā)揮著重要的作用，正逐漸取代傳統(tǒng)PTC加熱模式，可以預測熱泵空調系統(tǒng)在未來會被廣泛采用。目前針對熱泵系統(tǒng)受研究人員關注的制冷劑選擇一般是R134a、R1234yf和CO，其中R1234yf因其GWP＜1和優(yōu)于R134a的傳熱性能與天然工質CO一同被人們所看好。

3.2 余熱利用式空調系統(tǒng)

對于燃料電池汽車，通常會因電機產(chǎn)生的余熱選擇余熱利用空調系統(tǒng)，但是隨著兩個關鍵因素的發(fā)生：（1）汽車不斷向著高效化、節(jié)能化方向發(fā)展，可利用余熱不斷減少；（2）燃料電池汽車在新能源汽車總體生產(chǎn)與使用上占比最小，且有繼續(xù)減少的趨勢。導致當前研究大多是針對純電動汽車，燃料電池汽車相關部件研究逐漸減少。余熱制冷技術早在上個世紀六十年代就有國外學者開展過相關研究，目前余熱利用式空調技術研究方向主要是噴射式制冷系統(tǒng)和吸收式制冷系統(tǒng)。

基于噴射器的空調系統(tǒng)一方面對環(huán)境污染程度基本可以忽略，另一方面它具有利用低品位熱能來驅動的能力。但噴射冷卻系統(tǒng)目前存在所需支撐系統(tǒng)復雜、COP通常低于1以及汽車余熱不足等問題，該技術就目前來說不適用，存在一定局限性。故相比之下，熱泵空調系統(tǒng)在未來一段時間內會是新能源汽車空調系統(tǒng)的主流方向。

3.3 替代空調系統(tǒng)及存在問題

為了追求更高能效比以獲得最佳續(xù)航里程，人們開始研究替代空調制冷技術。如太陽能蒸汽壓縮制冷空調系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過光伏板接收到太陽能并轉化成電能驅動壓縮機工作進行制冷，國內外對此替代系統(tǒng)都進行了研究，并發(fā)現(xiàn)此系統(tǒng)COP值幾乎與傳統(tǒng)汽車空調持平。但對于應用在汽車上仍存在一些問題：占據(jù)空間較大、不易布置且生產(chǎn)和維修成本較高，以及能量存儲等。光電轉換材料的光熱轉換效率提高和儲能技術進一步發(fā)展將使太陽能空調系統(tǒng)性能大大提高。所以目前來說開發(fā)出更輕量化、高效的太陽能電池板和能量存儲元件是太陽能空調系統(tǒng)的首要目標。

近幾年，熱電制冷技術又稱半導體制冷技術開始出現(xiàn)在人們視野當中，其工作原理完全不同于傳統(tǒng)汽車空調，是一種基于帕爾貼效應的制冷形式。徐小虎就基于太陽能驅動的半導體制冷系統(tǒng)在汽車空調上的應用進行研究，將其與傳統(tǒng)空調進行對比分析，發(fā)現(xiàn)該制冷技術由于光電轉換效率低導致半導體制冷效率低下，無法主導汽車空調制冷，當前這項技術更適合輔助制冷。若未來該技術的光電效率和制冷性能得到提升，將是最具潛力的替代制冷技術。

對于其它汽車替代空調技術，雖然達到了環(huán)保目的，但技術尚不成熟，均處于研發(fā)或裝車測試階段。就目前新能源汽車空調，采用電動壓縮機的蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)商業(yè)化程度較好，同時考慮到環(huán)保與能源問題，熱泵空調系統(tǒng)十分符合可持續(xù)發(fā)展觀念，是目前具有很大發(fā)展?jié)摿Φ能囉每照{系統(tǒng)。

4 結語

本文主要對傳統(tǒng)汽車空調功用，關鍵部件研究現(xiàn)狀以及國內外替代制冷劑研究進行闡述，總結它們目前各自的發(fā)展方向，得出以下結論：汽車空調關鍵部件均向著輕量化、可靠和控制靈敏方向不斷優(yōu)化發(fā)展；對于空調系統(tǒng)替代制冷劑，混合工質表現(xiàn)出的性能較為突出，未來一段時間研究方向是發(fā)掘最為合適的制冷劑混合比例，使得空調COP與制冷效果都能達到期望目標。本文重點對近幾年國內外新能源汽車空調系統(tǒng)的研究進行了針對性的分析，通過介紹現(xiàn)階段較為主流的制冷采暖技術——熱泵空調系統(tǒng)、余熱利用式空調系統(tǒng)，以及其他空調替代制冷技術，對比分析新能源汽車空調未來一段時間的發(fā)展趨勢，旨在對相關科研人員的研究提供一定幫助，以改善汽車空調系統(tǒng)工作對環(huán)境帶來的損害。

環(huán)境和能源問題將一直是我們需要考慮的重點，未來汽車空調系統(tǒng)的研發(fā)應當以環(huán)保和節(jié)能為原則，以滿足大眾需求為設計目標。對新能源汽車同樣如此。現(xiàn)階段，許多新型空調系統(tǒng)不斷被開發(fā)并裝車測試，為汽車空調發(fā)展開辟了十分廣闊的前景，在傳統(tǒng)汽車向著新能源汽車轉變的大趨勢當中，汽車空調也需適應變革，更加輕量化與高效化，這對新能源汽車的發(fā)展和用戶接受程度的加強具有關鍵的推動作用。