新能源汽車二氧化碳熱泵高壓空調(diào)管的開發(fā)

鄭美玲

(上汽大眾汽車有限公司 ，上海 201805)

0 引言

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)展趨勢。優(yōu)勢在于新能源汽車使用可再生能源電能作為動(dòng)力源，解決了石油燃料的能源危機(jī)，還可以減少碳排放，實(shí)現(xiàn)了環(huán)保的目標(biāo)。但傳統(tǒng)采用PTC 制熱的電動(dòng)空調(diào)會(huì)導(dǎo)致冬季續(xù)駛里程衰減50%以上[1]。國家從維護(hù)能源安全，改善大氣環(huán)境，提高汽車工業(yè)競爭力和實(shí)現(xiàn)我國汽車工業(yè)的跨越式發(fā)展的戰(zhàn)略高度考慮，加大對各大車企在新能源方向的投入和補(bǔ)貼，鼓勵(lì)開發(fā)并生產(chǎn)節(jié)能高效的純電動(dòng)汽車。但是在動(dòng)力電池沒有突破性進(jìn)展的情況下要保證低能耗制熱，二氧化碳熱泵空調(diào)是為數(shù)不多的可行技術(shù)，采用自然工質(zhì)CO2的車用熱泵系統(tǒng)有望克服上述問題，因此備受關(guān)注。

從制冷劑的環(huán)保角度，傳統(tǒng)汽車空調(diào)制冷劑R134a 具有相當(dāng)高的溫室效應(yīng)系數(shù)(GWP=1 350)，屬于強(qiáng)溫室效應(yīng)氣體， 歐盟EC40通過了淘汰含氟氣體法規(guī)(F-gas Regulation) 的決議，并且到2017年新生產(chǎn)車輛停止使用R134a，美國環(huán)保部也將于2021年起將R134a從SNAP目錄中剔除。為應(yīng)對全球氣候變暖，汽車空調(diào)強(qiáng)溫室效應(yīng)氣體R134a制冷劑的替代日益緊迫。而CO2作為自然工質(zhì)，其溫室效應(yīng)系數(shù)GWP僅為1。盡管有些CO2會(huì)從空調(diào)系統(tǒng)中泄漏出去，但泄漏的CO2對環(huán)境產(chǎn)生的影響卻很小[2-3]。

CO2熱泵系統(tǒng)的效能系數(shù)比PTC制熱的空調(diào)系統(tǒng)高出很多，可以有效地延長續(xù)航里程大約30%。主要由以下因素決定：CO2制冷劑特殊的物性，其具有低溫下單位能量密度大、制熱效果好的特點(diǎn)；超臨界循環(huán)壓比小，壓縮機(jī)效率高；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，從而不可逆?zhèn)鳠嵋鸬臒釗p失小。綜上所述，CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱工況下的能源利用率很高，COP(Coefficient of Performance)大概為3[4-5]。

但是CO2熱泵系統(tǒng)也存在一些技術(shù)難點(diǎn)：由于CO2熱泵系統(tǒng)處于跨臨界循環(huán)并且壓力很高(大約為傳統(tǒng)系統(tǒng)的10倍)，所以對于空調(diào)系統(tǒng)零部件耐壓性和安全性有了更高的要求；并且該系統(tǒng)復(fù)雜，包括制熱、制冷、除霧、除濕等多種運(yùn)行模式，需要進(jìn)行大量理論計(jì)算、模擬仿真以及試驗(yàn)來完善系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其中空調(diào)管在系統(tǒng)中起著連接各主要零部件的作用，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，對其密封性和耐壓性的要求高了很多，所以開發(fā)一款適合CO2熱泵系統(tǒng)的空調(diào)管尤為重要[6-8]。

1 CO2熱泵空調(diào)管結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

國外正在開發(fā)的一款CO2熱泵空調(diào)管結(jié)構(gòu)，通過其專利和解剖分析發(fā)現(xiàn)，其扣壓處仍通過傳統(tǒng)制冷劑管所采用的EPDM材料的O型圈結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)密封，但是由于CO2小分子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在系統(tǒng)高溫高壓工作條件情況下很容易滲入O型圈并使之老化從而逃逸到外部造成整個(gè)系統(tǒng)的泄漏，而且該連接結(jié)構(gòu)在扣壓時(shí)很可能產(chǎn)生形變?nèi)菀组_裂導(dǎo)致泄漏。所以該結(jié)構(gòu)存在一定的泄漏風(fēng)險(xiǎn)。國內(nèi)CO2熱泵系統(tǒng)和熱泵空調(diào)管都處于研發(fā)狀態(tài)，目前市場上還沒有成熟的產(chǎn)品出現(xiàn)。

上汽大眾研發(fā)團(tuán)隊(duì)克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，基于臺架和實(shí)車測試數(shù)據(jù)作為依據(jù)，開發(fā)了一種抗高壓軟硬管路連接的密封系統(tǒng)，經(jīng)過一系列的試驗(yàn)驗(yàn)證其具有耐高壓、耐高溫、耐振動(dòng)的特性，可以應(yīng)用在新能源汽車CO2熱泵系統(tǒng)。

1.1 CO2系統(tǒng)臺架和整車

CO2的熱物理性質(zhì)與R134a制冷劑差別較大。圖1所示為兩種工質(zhì)的溫熵圖，從圖中可以看出，壓縮機(jī)出口到氣冷器出口的溫度滑移比較大， CO2在放熱過程中處于超臨界狀態(tài)，沒有相變潛熱區(qū)。這一溫度滑移的存在有利于換熱的充分進(jìn)行，提高了CO2熱泵的換熱效率。但是CO2熱泵系統(tǒng)高壓出口的極限壓力為18 MPa，溫度為180 ℃;而R134a制冷系統(tǒng)的高壓出口壓力僅為1 MPa，溫度為80 ℃。

圖1 R134a和CO2系統(tǒng)溫熵

因此傳統(tǒng)汽車空調(diào)系統(tǒng)的空調(diào)管和扣壓密封結(jié)構(gòu)無法承受高溫高壓的要求。因此，開發(fā)一種能夠適用CO2冷媒、適應(yīng)高低溫交變以及高壓工況的空調(diào)管路，需要重新設(shè)計(jì)軟管結(jié)構(gòu)和扣壓處密封方式，這是現(xiàn)在亟待解決的技術(shù)問題[9-11]。

圖2為CO2熱泵系統(tǒng)原理圖。

圖2 CO2熱泵系統(tǒng)布置原理

通過5個(gè)電磁閥的調(diào)節(jié)改變制冷劑流向，實(shí)現(xiàn)夏季制冷、冬季采暖與除濕三大功能。其中壓縮機(jī)到室外換熱器的管段為高溫高壓排氣管，室外氣冷器到室內(nèi)換熱器的管段為高壓低溫管，其余管段為低壓低溫管。

圖3和圖4為上汽大眾研發(fā)團(tuán)隊(duì)根據(jù)圖2原理圖搭建的CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)的臺架和整車，同時(shí)結(jié)合Dymola計(jì)算模型，通過不同模式不同工況的摸底試驗(yàn)，整理出空調(diào)管的具體技術(shù)參數(shù)見表1—表3。

圖3 CO2 臺架試驗(yàn)臺

圖4 CO2整車試驗(yàn)

表1 壓力要求 MPa

表2 溫度要求 ℃

表3 抗拉脫力要求 ℃

1.2 新型CO2空調(diào)管結(jié)構(gòu)

由于CO2的分子體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于R134a，其更容易穿透PA層滲透到外部，所以軟管的內(nèi)層需要選用更加防滲透的材料，其中不銹鋼波紋管是比較優(yōu)先的選擇，一方面因?yàn)槠湫阅芊€(wěn)定且加工工藝成熟，另一方面不銹鋼波紋管有一定的柔軟性且可以有效地阻止CO2分子高溫下逃逸；另外由于軟硬管連接扣壓處的O型圈的密封方式也不再適合CO2熱泵系統(tǒng)，所以軟硬管連接和扣壓處的焊接和密封方式是需要重新開發(fā)的。其中如何避免形變，如何避免不同材料(鋼和鋁)之間的化學(xué)腐蝕都是需要重新開發(fā)和驗(yàn)證的。

1.2.1 軟管結(jié)構(gòu)

圖5所示為傳統(tǒng)制冷劑R134a的軟管結(jié)構(gòu)[12-13]，包括內(nèi)層PA，橡膠層和芳綸增強(qiáng)層。而文中開發(fā)R744軟管結(jié)構(gòu)的阻隔層選用波紋管替代PA層。主要目的是阻隔CO2小分子穿透并滲透到外側(cè)，而且保留一定的柔軟度和彈性；橡膠材料仍然保留，主要考慮到此材料可以吸音降噪并且可以減小振動(dòng)的傳遞。中間增強(qiáng)層則采用芳綸和金屬絲，主要是其增加軟管軸向和徑向的拉拔力以便其在高溫高壓，傳統(tǒng)空調(diào)管只采用芳綸線作為增加層是沒問題的，但是CO2系統(tǒng)的高溫工況下，芳綸線在高溫下會(huì)嚴(yán)重變形變軟抗壓效果完全失效，因此增加金屬編織層是必要選擇。

圖5 R134a空調(diào)管軟管結(jié)構(gòu)

1.2.2 扣壓結(jié)構(gòu)

圖6所示為傳統(tǒng)制冷劑R134a的扣壓結(jié)構(gòu)，工藝比較成熟：首先將硬管進(jìn)行滾鉤端部成型，然后套入O型圈，其次將帶O型圈的硬管通過工裝塞入軟管，最后連接處外側(cè)套上護(hù)套進(jìn)行扣壓密封。

圖6 R134a空調(diào)管連接扣壓結(jié)構(gòu)

R744熱泵系統(tǒng)的空調(diào)管由于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)。文中開發(fā)的新型結(jié)構(gòu)扣壓處的焊接密封方式采用全新發(fā)明的結(jié)構(gòu)和工藝，經(jīng)過一系列試驗(yàn)驗(yàn)證證明其可以滿足高溫高壓的要求[14]。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 有限元模擬分析

有限元模擬計(jì)算結(jié)果如圖7和圖8所示。分別給管內(nèi)10 MPa和40 MPa的內(nèi)壓，通過模擬計(jì)算顯示最大應(yīng)力均處在硬管彎管處。所以證明該結(jié)構(gòu)的軟管方案完全可以耐受CO2系統(tǒng)的高壓工況[15-16]。

圖7 有限元模擬10 MPa內(nèi)壓下波紋管的變形及應(yīng)力

圖8 有限元模擬40 MPa內(nèi)壓下波紋管的變形及應(yīng)力

2.2 帶溫度交變的壓力脈沖

脈沖試驗(yàn)臺和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)如圖9所示。

圖9 脈沖試驗(yàn)臺和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

按照如圖9的試驗(yàn)臺架和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓力脈沖試驗(yàn)，流程如下：

將6根樣件以最小彎曲半徑DUTs樣件彎曲180°并使兩端固定緊，與一液壓泵相連充注劑為PAG油，液壓泵置于室溫環(huán)境中； 環(huán)境倉溫度范圍-38～180 ℃，脈沖壓力范圍1～15 MPa。低溫段：-38 ℃下進(jìn)行1 000次脈沖壓力循環(huán)；高溫段：165 ℃下進(jìn)行29 000次脈沖壓力循環(huán)；溫度循環(huán)重復(fù)5次，溫度變化期間壓力脈沖暫停循環(huán)次數(shù)，150 000次后無破損無泄漏。完成密封測試后然后將樣件進(jìn)行剖切，觀察是否有裂紋和皸裂等破損情況，剖切后的截面如圖10所示，表面均無裂縫和損傷。

圖10 軟管內(nèi)部剖切截面

帶高低溫交變的壓力脈沖可以認(rèn)為是空調(diào)管開發(fā)最為嚴(yán)苛的驗(yàn)證試驗(yàn)，其模擬了整車最為極限的工況，6根試驗(yàn)樣件均通過了該項(xiàng)試驗(yàn)，證明該結(jié)構(gòu)是可靠的，并驗(yàn)證了其耐高溫高壓性。

2.3 拉拔力試驗(yàn)

為了驗(yàn)證扣壓焊接處的可靠性，需要進(jìn)行拉拔力試驗(yàn)，選用20根非包膠的樣管即可。因?yàn)樵撛囼?yàn)主要用于測試焊接和扣壓，外層的橡膠和芳綸層均不參與焊接，所以選用金屬光管的樣件進(jìn)行測試即可。

選用20根樣件，在專業(yè)的試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉拔力試驗(yàn)，經(jīng)測試其拉脫力均不小于2 500 N。試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，都滿足要求且脫離斷點(diǎn)均在軟管處。所以證明扣壓處的焊接和連接方式是可靠且穩(wěn)定的。

圖11 拉拔力試驗(yàn)結(jié)果

2.4 爆破壓力試驗(yàn)

優(yōu)化后的CO2空調(diào)管結(jié)構(gòu)的爆破壓力72 MPa，為極限工作壓力的4倍之多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)要求。無論從理論還是試驗(yàn)方面均滿足零部件的爆破要求。從圖12可以看到，爆破失效地方是在彎管處，該處達(dá)到了其材料的極限，這與模擬計(jì)算結(jié)構(gòu)一致，證明該零部件的軟管和扣壓處耐壓性遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足設(shè)計(jì)要求。

圖12 爆破試驗(yàn)測試

3 結(jié)論

該新型空調(diào)管路是一種耐高溫高壓且適用于車用CO2熱泵系統(tǒng)的零部件，通過模擬分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的CO2管路可以適應(yīng)最高極限壓力17 MPa、爆破壓力65 MPa、系統(tǒng)高溫165 ℃、系統(tǒng)泄漏率30 g/年等嚴(yán)苛環(huán)境要求。

該零部件的成功研發(fā)對整個(gè)新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展有著至關(guān)重要的意義：

(1)作為系統(tǒng)零部件數(shù)量需求最多的零部件，如果它的可靠性、安全性和穩(wěn)定性得到保證，那么整個(gè)系統(tǒng)的密封和泄漏風(fēng)險(xiǎn)就可以大大降低。

(2)其次國產(chǎn)化的結(jié)構(gòu)研發(fā)成功，通過技術(shù)創(chuàng)新與攻關(guān)，取得R744新能源汽車抗高壓空調(diào)管路項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)的突破，打破國外企業(yè)技術(shù)封鎖與市場壟斷。有利于汽車核心零部件企業(yè)更好地拓展國內(nèi)外市場和組織產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，從而有效拉動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)的協(xié)同發(fā)展，促進(jìn)行業(yè)規(guī)模壯大和經(jīng)濟(jì)效益的提高。

(3)該零部件的國內(nèi)研發(fā)可以帶動(dòng)整個(gè)散件國產(chǎn)化，其具有很好的經(jīng)濟(jì)性，這也對推動(dòng)CO2熱泵系統(tǒng)的普及有著巨大的推動(dòng)意義。

節(jié)能降耗保護(hù)環(huán)境。通過技術(shù)創(chuàng)新，可實(shí)現(xiàn)R134a型熱泵空調(diào)替代，本項(xiàng)目產(chǎn)品能夠在高壓環(huán)境中長時(shí)間使用，有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，大大提高新能源汽車?yán)m(xù)航里程，進(jìn)一步提高新能源汽車產(chǎn)業(yè)在節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。