下一代新能源汽车制冷剂,谁是主角?
国际汽车空调联盟
2022-04-07 15:02
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近些年,虽然交通领域新能源化如火如荼,但目前新能源汽车中所采用的制冷剂种类仍沿袭传统燃油车技术路线,即滞于HFC阶段。新能源车所存在的安全隐患、里程焦虑、热管理工质温室效应等瓶颈问题,也从“节能”与“环保”两个方面对车辆热管理行业提出了更高级、更精准的要求。



制冷剂应用现状


自蒸汽压缩式制冷系统问世以来,常用制冷剂类型已历经四次更迭。


以乙醚、乙醇为代表的初代制冷剂仅达到提供制冷功能的需求,很快被R12等第一代制冷剂替代,后者被引入车辆应用领域。相较第一代制冷剂对臭氧层的极大破坏,第二代对臭氧层破坏较小的含氢制冷剂出现。而后,《蒙特利尔议定书》的限制了氟氯碳化物的使用, 并标志着第三代不含氯制冷剂(HFC)的问世。第三代产品目前在国内外应用广泛,虽对臭氧层无破坏,但其对气候的制暖效应较强,固处于淘汰初期。



四代制冷剂产品的基本情况


碳中和背景下,第四代制冷剂(天然或HFO类低GWP制冷剂)因其卓越性能与环保性成为第三代HFC制冷剂的绿色替代方案,下文将主要介绍几种新能源汽车热管理领域中较为热门的替代方案。


制冷剂替代方案一:CO2


CO2作为一种天然工质, ODP为0,GWP为1,环保无污染。1993年,国际制冷学会前主席Lorentzen提出将CO2应用于汽车空调系统,其因制冷效果不佳,发展受阻。近些年, 随着新能源汽车的发展,其制热无发动机的余热利用,跨临界CO2循环因其强劲的制热特性再一次进入大众的视野。


近些年,学者针对CO2在车辆热管理领域的应用展开优化研究,结果表明:使用CO2欠充和过充会对系统性能造成较大衰减;在提升车用跨临界CO2热泵空调系统的紧凑性与轻量化中,研究者开发并使用了跨临界CO2四通换向阀、集成化气分-回热器及各类微通道换热器等,发现跨临界CO2系统的制热能力提升十分明显,在低至 25°C的低温条件下仍然能稳定充分供热, 10°C条件下的制热性能相对R134a依旧提升80%以上;针对车用跨临界CO2系统制冷性能比传统R134a系统稍差的劣势,有学者提出了将CO2与R290、R41等制冷剂混合的方法,使车用空调系统制冷性能提升20%以上, 基本达到与R134a系统相当的状态。


凭借优异的环保效应、宽工况适应性及与车辆系统的兼容性,近些年CO2制冷剂被广泛地推向新能源汽车、客车、轨道交通等领域,并引起了学术界与行业界的广泛关注与总体看好。不过,受限于CO2制冷剂独特的物性,车辆热泵空调向CO2技术的转型需要对系统进行重新设计,这也是限制该技术快速发展的主要掣肘。


制冷剂替代方案二:R1234yf


R1234yf是美国杜邦公司和霍尼韦尔公司为R134a量身打造的替代方案,其热物性与R134a相近,但ODP=0,GWP=4,环保性良好。虽然研究显示,R1234yf制冷剂与传统R134a或R410A的惯用润滑油存在一定的兼容性问题,但目前行业中替代常规R134a制冷剂时,只需将原本车辆热泵空调系统中的R134a制冷剂放空,再重新加入R1234yf即可,无须重新设计,短期适用性最佳。针对环保性,有学者指出,单纯的低GWP与当量温室效应气体排放量低并不严格对等,因此提出了全生命周期碳排放算法,将制冷剂全生命周期过程的所有直接和间接碳排进行合并计算。结果显示,R1234yf全生命周期碳排同样低于传统R134a,甚至低于制冷剂本身GWP更低的纯天然工质CO2。


但长期使用过程中,也逐渐暴露出一些安全性问题。例如,近期R1234yf被认定为轻微可燃制冷剂,R1234yf溶于水可能形成三氟乙酸等,甚至,最新的研究提出,HFO类制冷剂在大气中会分解产生CF3CHO(三氟乙醛),最终分解产生CHF3(HFC-23)。HFC-23是一种强温室效应气体,可能最终导致HFO类制冷剂的GWP值进行重新评估。此外,受限于美国公司的专利保护, R1234yf高昂的价格也是目前限制其在国内广泛普及的主要问题。




制冷剂替代方案三:R290


R290(丙烷,CH3CH2CH3)同样属于天然工质,其ODP=0, GWP=3.3,热物理性能参数与R134a相近,但标准沸点更低,因此可以适用于更低的环境温度。相比汽车空调常用的制冷剂R134a,R290除了在环保性上具有更好的表现之外,由于更高的气化潜热、更小的分子质量、更高的工作压力及工作密度,可以大大减少车辆热泵空调系统中制冷剂的充注量,更加符合轻量化、紧凑化原则。


由于R290的标准沸点很低,因此比较适用于低温环境以热泵制热工况运行。不过,虽然R290的热物性及环保性良好,但安全等级仅为A3,属于可燃制冷剂,一般需要构建二次循环,而可燃性也成为其使用过程中始终存在的安全隐患。


制冷剂替代方案四:R410A和R32


应对新能源汽车的冬季制热问题,R410A因制热特性优异也获得了一定的关注,其ODP=0, 但GWP值高于2000。近些年,比亚迪连续推出了搭载R410A热泵空调系统及R410A补气增焓式热泵空调系统的新能源乘用车,使用效果证明,采用补气增焓方法的R410A热泵空调系统在冬季制热条件下具备十分突出的性能优势,甚至可以在 20°C以上的低温环境下正常运行并提供足够制热量,节省了PTC电加热功耗,使电动车冬季续航里程有所恢复。然而,目前车辆领域采用R410A的尝试一般只是为了借鉴其在家用领域的成熟技术,从而作为车辆行业制冷剂的暂时性过渡替代物,在当前车辆领域应用背景下不具有长远的前景。


R32(二氟甲烷,CH2F2))同属碳氢化合物,ODP=0,但GWP高达675,其环保优势并不明显。研究显示,由于R32的低温制热性能与高温制冷性能均能达到较优良水平,节省了很多低温PTC电辅热耗功,因此运行能耗较低,间接当量碳排放较少,从全生命周期环保性的角度来说,也许是一种具备一定前景的制冷剂替代选择。由于R32是R410A的组成成分之一,但GWP显著低于R410A,因此相对R410A系统,R32系统能够大幅降低当量CO2及SO2的排放量,尤其将R32与GWP值很低的R744、HFO类制冷剂混合使用后,既能兼顾热泵空调系统的制冷与制热能力,又能大幅降低混合工质的当量GWP值,是一种值得深入研究的方案。



小结


由此看来,下一代新能源汽车热管理系统的制冷剂替代路线可谓尚不明确,形成以CO2/R290/R1234yf为主流、各形式混合工质为辅的百花齐放状态。下一代新能源汽车热管理制冷剂技术路线基本受两大因素影响和制约:一方面是国家相关标准和法规, 应对环境污染、气候变暖问题的具体政策实施;另一方面, 还受新能源汽车本身固有的需求特性的演变和不同区域下的功能多样性影响。


综合考虑“节能”与“环保”,从更为长远的发展看,自然工质将逐渐成为新能源汽车热管理系统的主流。在我国碳中和的大背景下,新能源汽车热管理系统的下一代发展如何以绿色高效化为导向,这一工作已经成为当前毋庸置疑的问题。


来源:中国汽车资讯中心网