吳會(huì)麗 李俊峰

WU Huili LI Junfeng

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

GREE Electric Appliances, Inc. of Zhuhai Zhuhai 519070

1 引言

電動(dòng)汽車作為目前汽車發(fā)展的主流方向之一，具有能源利用多元化，安靜無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)燃油汽車相比，電動(dòng)汽車沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)的熱利用，無(wú)法采用傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)。熱泵空調(diào)系統(tǒng)是很好的解決方案，具有制熱量高、節(jié)能性好等優(yōu)點(diǎn)。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)常規(guī)熱泵型汽車空調(diào)制冷劑仍采用R134a，但以R134a作為制冷劑的熱泵汽車空調(diào)能效比不高，低溫制熱量差，-5℃以下無(wú)法滿足汽車空調(diào)負(fù)荷要求，需PTC電加熱輔助供熱。由此可見(jiàn)，低溫性能也是電動(dòng)汽車空調(diào)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一。

R410A制冷劑在家用熱泵空調(diào)中特別是低溫空調(diào)中已經(jīng)有成熟應(yīng)用，為了探討R410A在汽車空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用的可能性，本文對(duì)R410A系統(tǒng)與R134a系統(tǒng)的低溫性能進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)及分析。

2 R410A對(duì)汽車空調(diào)系統(tǒng)的要求

2.1 R410A制冷劑的兼容性

R134a系統(tǒng)使用PAG冷凍油時(shí)，適應(yīng)的橡膠材料有：氯丁橡膠、三元乙丙膠；R410A制冷劑兼容性與適用性最好的是氫化丁腈橡膠（HNBR）；氫化丁腈橡膠常溫物理性能、高低溫（-30℃～100℃）耐老化性能穩(wěn)定，卸除載荷后變形量小，耐油性能優(yōu)異，選用邵氏硬度范圍60～75可以滿足要求，但成本較高。

2.2 R410A制冷劑對(duì)系統(tǒng)的耐壓要求

由于R410A制冷劑在工作溫區(qū)內(nèi)的壓力較R134a高2倍左右，故系統(tǒng)的耐壓設(shè)計(jì)要求也較高。需要按照R410A系統(tǒng)的運(yùn)行壓力對(duì)系統(tǒng)各部件做相應(yīng)的調(diào)整，比如：管路壁厚需要加厚，微通道換熱器扁管壁厚增加，壓縮機(jī)工作壓力調(diào)整，節(jié)流閥和電磁閥的耐壓都需要進(jìn)一步增加。因?yàn)镽410A制冷劑在家用及商用空調(diào)中均已成熟應(yīng)用，各種元器件也都已成熟，因此只需在現(xiàn)有物料上進(jìn)行車規(guī)元器件的適用性更改即可滿足汽車熱泵空調(diào)的要求。

3 R410A制冷劑特性

圖1 各測(cè)試工況下的制熱量

圖2 各測(cè)試工況下的能效比

圖3 各測(cè)試工況下的功率

R134a是目前汽車空調(diào)應(yīng)用最廣泛的制冷劑，表1是R410A和R134a兩種制冷劑物性的對(duì)比。標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)和臨界溫度分別代表了制冷劑在正壓使用下的飽和溫度下限和上限,標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)越低越適合中低溫制冷場(chǎng)合，臨界溫度越高越適合中高溫?zé)岜脠?chǎng)合。低溫?zé)岜眯推嚳照{(diào)的工作溫度范圍為-20～50℃，從表1中可看出兩種冷媒臨界溫度均能滿足；R134a的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)為-26.2℃，在超低溫制熱時(shí)蒸發(fā)側(cè)換熱溫差很小，吸氣比容大，制熱量不足，不適合超低溫?zé)岜茫欢鳵410A的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)分別為-51.6℃，相較于R134a更加適合應(yīng)用于低溫工況。

4 試驗(yàn)研究

4.1 試驗(yàn)前的準(zhǔn)備

在焓差實(shí)驗(yàn)臺(tái)上模擬汽車空調(diào)整車裝配情況進(jìn)行全工況臺(tái)架性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試，按照國(guó)標(biāo)《汽車用電驅(qū)動(dòng)空調(diào)器》征求意見(jiàn)稿中規(guī)定的低溫型熱泵制熱全工況實(shí)驗(yàn)條件（見(jiàn)表2）為依據(jù)，對(duì)比測(cè)試兩套樣機(jī)。

由于R410A系統(tǒng)吸氣比容是同工況下R134a的48%左右，在達(dá)到相同額定制冷能力的前提下，經(jīng)模擬計(jì)算后優(yōu)化了R410A樣機(jī)的壓縮機(jī)排量和制冷劑灌注量，兩套對(duì)比樣機(jī)的選型配置信息如表3。需要說(shuō)明的是，兩臺(tái)樣機(jī)在進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)過(guò)程中都是設(shè)定最大制熱模式后自由運(yùn)行。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1～4分別是兩個(gè)樣機(jī)在四種工況下的制熱量、能效比、功率、壓縮機(jī)頻率的對(duì)比圖，從圖中可以看出，隨著外環(huán)溫度的降低，R410A樣機(jī)的制熱能力優(yōu)勢(shì)越明顯，尤其在外側(cè)-7℃、-12℃兩個(gè)工況下，能力相比R134a系統(tǒng)分別提升了25.97%和49.55%。而R134a樣機(jī)在-7℃以下工況的制熱量并不能滿足車內(nèi)負(fù)荷要求，需要借助其他熱源來(lái)滿足車內(nèi)取暖要求。

能效比方面，四個(gè)工況下R410A樣機(jī)均比R134a樣機(jī)高，分別高出了5.23%、11.59%、14.93%、30.44%，由此可以看出，在不改變兩器配置的情況下，采用R410A作為制冷劑可以直接提升樣機(jī)的能效水平。實(shí)際整車運(yùn)行過(guò)程中，隨著車內(nèi)溫度的快速上升，車內(nèi)負(fù)荷變小，壓縮機(jī)頻率可隨之降低，由于R410A系統(tǒng)制熱量較大，其頻率可以運(yùn)行得更低，綜合能效比可進(jìn)一步提高。

表1 R410A與R134a制冷劑特性對(duì)比

表2 《汽車用電驅(qū)動(dòng)空調(diào)器》制熱實(shí)驗(yàn)全工況

表3 對(duì)比樣機(jī)配置信息

從圖5可以看到R410A樣機(jī)的系統(tǒng)壓力比R134a樣機(jī)高，R134a樣機(jī)在-7℃、-12℃時(shí)，吸氣壓力已經(jīng)低于大氣壓力（0.1MPa），壓縮機(jī)的吸氣比容大，參與系統(tǒng)的制冷劑循環(huán)量小，樣機(jī)性能變差。

結(jié)合圖5對(duì)圖3做進(jìn)一步說(shuō)明，-7℃、-12℃工況下R410A樣機(jī)功率高于R134a樣機(jī)，這是因?yàn)榇藭r(shí)R134a樣機(jī)系統(tǒng)中參與循環(huán)的制冷劑很少，壓縮機(jī)功耗減小。有文獻(xiàn)表明R410A的飽和壓力約為R134a的2.25～3.2倍，圖5所述可以很好的證明這一點(diǎn)。這就要求R410A系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮管路、元器件、兩器等的耐壓性能。

5 結(jié)論

（1）從滿足車內(nèi)取暖要求角度出發(fā)，采用R410A作為制冷劑優(yōu)勢(shì)更加明顯，它能提升機(jī)組在低溫環(huán)境下的制熱量，解決電動(dòng)汽車冬季取暖問(wèn)題。在兩器配置相同的情況下，R410A樣機(jī)的制熱量在外側(cè)-7℃、-12℃兩個(gè)工況下能力可分別提升25.97%、49.55%；

圖4 各測(cè)試工況下的頻率

圖5 系統(tǒng)壓力

（2）采用R410A制冷劑的熱泵汽車空調(diào)系統(tǒng)可以減少壓縮機(jī)排量和制冷劑灌注量，可縮小熱泵系統(tǒng)的體積，進(jìn)而減少整車總重量，也能提高電動(dòng)汽車的續(xù)航里程；

（3）R410A作為制冷劑時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行壓力雖高，但是仍在可控的范圍內(nèi)，并且現(xiàn)有管路材料可以滿足耐壓要求，關(guān)鍵元器件比如電磁閥、兩器等需要做相應(yīng)高耐壓的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。