【r744冷媒用什么代换】电动汽车热泵空调应该用什么制冷剂？

电动汽车没有发动机，不能用作空调压缩机的动力源，也不能提供汽车空调冬季供暖用热源，因此需要使用车辆用蓄电池取暖，而依靠PTC电加热，电动车续航里程可以减少35%以上。因此，如何在保证电动汽车舒适性的同时，利用热泵空调系统实现高效的热量管理成为亟待解决的问题。其中制冷剂的选择对热泵系统设计和性能有重要作用。

与普通家用热泵空调不同，电动汽车热泵空调始终使用3个换热器系统，有效解决除霜除雾转为除热模式时出现的车前窗“闪光雾”问题，保证空调性能，提高了行车的安全性。3热交换器的电动汽车热泵系统流程图如图1所示。电动汽车热泵空调的性能受制冷剂选择、制冷剂充量、蒸发器和冷凝器选择、压缩机速度和位移、系统结构形式等多种因素的影响。

电动汽车热泵空调系统中最常用的制冷剂是R134a。2006年欧盟议会正式通过了从2011年开始停止使用新开发车型的R134a，从2017年开始停止使用新生产车辆的规定。

很多公司和大学都进行了相应的研究。目前，美国主要推进HFO类R1234yf，欧洲推崇天然制冷工质CO2，雷诺-日产联盟选择R445A作为汽车空调制冷剂，除此之外，汽车空调的替代制冷剂还包括R152a、R290等，表1是普通电动车热泵制冷剂的基本物性。

1。HFC制冷剂

1.1 R134a

R134a具有无色、无毒、不可燃、粘度低、汽化潜热高、比热大等特点，是目前发展中国家汽车空调最常用的制冷剂。但是，温室效应潜力值高(GWP=1300)，面临削减，未能满足欧洲MAC指令中汽车空调制冷剂GWP<150的要求。以R134a为工作液的汽车热泵(AHP)系统性能研究表明，压缩机转速、环境温度是影响系统性能的主要因素(见图2和图3)。冷凝器和蒸发器的破坏是由于制冷剂和空气之间的平均温差造成的，因此必须在换热器中进行改善。

R134a随着环境温度的降低，容量迅速增加，存在单位容积制热低的问题，导致系统压缩机功率和CP大幅下降，因此使用R134a热泵的电动汽车仍然需要辅助加热系统。

1.2 R152a

R152a制冷剂的临界温度略高于R134a，临界压力接近R134a。R152a的优点是GWP值低(138)，主要缺陷是安全等级为A2，具有可燃性。

R152a系统比R134a系统CP高，传热特性好，压降低，但压缩机排气温度升高也会影响压缩机耐久性和润滑油稳定性。目前的研究大量使用二次回路系统(图4)，防止制冷剂与乘客座位直接接触，从而确保使用安全。目前，R152a还没有电动汽车热泵的报道。

2。HFO类制冷剂(R1234yf)

R1234yf的热物理特性几乎与R134a进行了测试，冷却能力和CP等性能参数与R134相同。

a 相近，可直接替代现有汽车空调中的 R134a，且R1234yf 毒性略低于R134，存在微弱可燃性。在热泵模式中，R1234yf 制热能力略高于R134a，COP平均低 3.6%，效率低于 R134a。由于R1234yf与R134a 性能接近，R1234yf替代R134a 只需对系统作小的改变。但R1234yf 与 R134a 都存在制热能力不足的问题，当环境温度等于或低于-10 ℃时，需要配备采用 PTC 加热。

3.自然工质

3.1 CO2

CO₂（R744）冷媒环境性能优异、不燃无毒、运动粘度低、成本低。由于 CO₂在低环境温度下制热性能优异，近年来CO₂热泵成为该领域的研究热点。蒸发温度每降低 5 ℃，R134a 和CO₂的吸气密度分别平均降低18%和15%，低温下，CO₂工质的热泵系统流量、制热量均高于R134a，见图 5

通过对系统元件和循环模式进行设计，采用 CO₂工质的电动汽车热泵系统比传统采用 R134a 的系统性能更优异，但其不足之处在于临界温度低（仅 31.1 ℃）、跨临界循环压力高（7.4 MPa）、压比小、节流损失大，其压缩机和热泵系统成本高。

3.2 R290

R290（丙烷）属于天然工质，无毒、价格低廉，具有优异的环保性能、热力学性能和电绝缘性能，化学性质稳定，对金属无腐蚀作用。其缺点是在空气中爆炸极限范围为 2.1%～9.5%（体积百分比），存在燃爆可能。对电动汽车热泵系统中的冷媒 R134a、R407C、R290 进行了理论分析，仿真结果表明，与 R134a 相比，R290 系统的制热能力显著提高了 51.3%，COP 提高了 3.7%。通过研究室外环境温度、室内循环空气比、压缩机转速、室内风量流量和室外风量对电动汽车丙烷移动式热泵系统性能影响，结果显示，室外温度和室内风量流量对系统COP 影响较大。综上所述，室外环境温度在-10 ℃以上时，从性能和成本方面考虑，R290 热泵系统可能是电动汽车的最佳解决方案。

仍存在的问题为 R290 在 R134a 压缩机中测试时压缩机耗功偏高，COP 略低，需要进一步设计降低耗功的R290 专用压缩机；R290 的工作压力略高于 R134a，需要对连接橡胶软管的系统进行优化，以承受压力；R290 的点火温度一般在 600 ℃以上,其辐射通量随着流量的增大而显著增加，为防止 R290 燃爆，需要设计一系列的安全防范措施。

4. 混合冷媒

4.1 R410A

工质研究进展 R410A 的标准沸点为-51.6 ℃，相较于 R134a （沸点为-26.2 ℃）更加适合应用于低温工况，常用于空调用截止阀、球阀等阀件，起密封作用的 O 形圈材料氢化丁腈橡胶（HNBR）与 R410A 及其冷冻油兼容性良好。通过测试R134a、R407C、R410A 对热泵空调制热性能的影响，在环境温度为-15 ℃时，仅 R410A 工质能使车室内温度上升到 18 ℃，见图 6。从理论分析和实验测试两方面对比 R410A 与 R134a 的冷媒特性及低温性能。实验结果表明，在相同两器配置下，R410A 热泵汽车空调系统可以减少压缩机排量和冷媒灌注量，同时低温制热量有大幅度提升，见图 7。 R410A 已有成熟的电动汽车热泵系统，制热制冷性能均可满足电动汽车需求，但其 GWP 值很高，为2088，面临削减。 R410A 作为冷媒时系统运行压力略高，需要开发相应高耐压的关键元器件，比如电磁阀、蒸发器、冷凝器等

从理论分析和实验测试两方面对比 R410A 与 R134a 的冷媒特性及低温性能。实验结果表明，在相同两器配置下，R410A 热泵汽车空调系统可以减少压缩机排量和冷媒灌注量，同时低温制热量有大幅度提升，见图 7

R410A 已有成熟的电动汽车热泵系统，制热制冷性能均可满足电动汽车需求，但其 GWP 值很高，为2088，面临削减。 R410A 作为冷媒时系统运行压力略高，需要开发相应高耐压的关键元器件，比如电磁阀、蒸发器、冷凝器等。

4.2 R445A 工质研究进展

R445A 的沸点为-21.5 ℃，燃烧性较弱，在-20 ℃工况下性能良好。通过分子模拟对冷媒混合物 R445A 的气液平衡、密度和粘度进行了预测。在蒸发温度分别为-5 ℃和 5 ℃，冷凝温度分别为 30 ℃和 60 ℃的条件下，对R1234yf、R444A 和 R445A 冷媒进行热力学评估。结果显示，R445A 的制冷量高于 R1234yf，但COP 低于 R1234yf。用混合冷媒 R134a/R744(配比为 94%/6%)代替 R445A（R1234ze(E)/R134a/R744配比为 85%/9%/6%）开展实验。发现在室外环境温度为-20 ℃～-10 ℃时，R134a/R744 系统比 R134a 系统的制热量高 15%～50%；在室外温度为-20 ℃时，R134a 系统无法正常工作，而 R134a/R744 系统还可以获得将近 3.5 kW 的热量。结果见图 8。

综上所述，目前 R445A 电动汽车热泵综合性能不及 R1234yf 和 R744，但其燃烧性低、低温下制热性能优良以及对热泵系统部件要求较低，是一种潜在的替代工质。

4.3 其他混合冷媒研究进展

对 R1234yf/R134a 配比为 56/ 44（即 R513A）和配比为 89/11 的混配工质开展制冷制热工况实验。制冷工况下，环境温度改变对最佳电子膨胀阀开度影响不大；制热工况下，随工况温度的降低，对应最佳膨胀阀开度降低。相对于R134a 系统，混合冷媒空调系统制热量增加约 14.0%～17.1%，COP 提升 4.3%～14%。对 CO2、R41 和几种 CO2-R41 共混物在汽车空调和热泵系统中的应用性能开展研究。结果表明，随CO2 质量分数的增加，系统制热量逐渐增大，COP逐渐减小，压缩机功率和冷媒质量流量均增大，结果见图 9。为满足电动汽车冷媒要求，近年来混合冷媒逐步成为研究热点，常用的组元有 R134a、 R1234yf、R32、R152a、R290、R744 等，通过采用优势互补的原则来弥补单工质的局限性，从而使混合工质兼顾热物性、环保和安全性。

5.总结

理想的电动汽车热泵空调冷媒要求为：零ODP值、低GWP值、无毒、不可燃、制冷制热循环性能优异、原料易得且成本低廉。

目前电动汽车热泵空调冷媒大多采用 R134a，但由于其GWP 值为1300，远高于欧洲等主要国家对冷媒GWP 值的限定，在出口方面受限，同时当外界温度较低时，R134a 系统制热量衰减明显，因此开发高效环保的电动汽车热泵冷媒迫在眉睫。目前研究热点集中在R1234yf 和CO2，这两种冷媒因基础物性特点，分别存在制热性能不足和排气压力过高等缺点。

在政策法规的推动下，冷媒替代主流是使用天然冷媒、HFOs 及其混合冷媒，目前的电动汽车热泵冷媒仍存在局限性，无法满足理想冷媒的要求。鉴于单工质的开发难度大，以及专利限制等因素，通过优势互补开发新型环保混合冷媒是有效的应对措施，也是该领域的发展趋势之一。

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