【汽车空调】双碳背景下的汽车空调及能源管理

摘要：

基于我国双碳目标和基加利修正案履约背景，梳理汽车空调研究与应用进展，分析新能源汽车热泵空调发展趋势， 从研究进展，关键技术和优秀案例三个层面展开，涉及CO2, R290, HFOs等环保制冷剂替代应用、新型车用制冷剂开发、 HFCs管控排放政策、新能源汽车低温热泵系统拓扑结构、整车能源管理、零部件创新和研发进展。在此基础上介绍传统和 新能源汽车空调碳排放核算方法学，支撑全生命周期排放分析及测算，为未来政策制定和行业技术选择提供理论依据。

新能源汽车是实现双碳目标的有效手段之一。根据国际能源署（IEA）公布的《世界能源展望》研 究表明，到2040年时3亿辆上路的电动轿车每天可替 代300万桶的石油需求[1]，并且届时中国的石油需求 量可因此削减250万桶/天[2]。根据严君华等[3]基于生 命周期评价方法，对电动汽车能耗与气体排放的分 析，在全生命周期内纯电动汽车的环境成本仅为燃 油汽车的36.04%，所以发展电动汽车可以极大的减 小环境污染物的排放，降低环境治理成本。因此， 新能源驱动的技术转型战略成为中国“十三五”产 业规划的重要目标之一[4]。虽然电动汽车发展势头 迅猛，但其本身的缺陷如冬季续航问题等也不可忽 视。随着人们对汽车舒适性要求的提高，目前全球 生产的汽车均已配备空调系统[5]。汽车空调作为电动 汽车上除电机外最大的耗能设施，其能源转换效率 对电动车续航里程的影响十分巨大，新能源汽车热 泵空调因此成为目前主流的技术解决方案。然而汽 车空调行业仍面临较大的减排压力和环保问题，一 方面是如何实现环保制冷剂替代以减少直接排放量 的不确定性，另一方面是如何提高热泵能效、优化 整车热管理及能量管理以减少间接排放的挑战。

首先，传统的R134a热泵系统性能会随着环境温 度降低而剧烈的降低，且在全球范围内，由于R134a 的温室效应指数极高，其GWP（Global Warming Potential）达到1430，对HFC类制冷剂的限制使现有 汽车空调制冷剂R134a的替代形势迫在眉睫。按照一 辆乘用车热管理系统充注R134a约 0.7 kg计算, 全国乘 用车的当量碳含量约为2.8亿吨[6]，因此新能源车辆 采用CO2、R290、HFOs等环保制冷剂进行替代具有 重要减排意义。在此背景下，2021年9月15日中国正 式宣布加入《基加利修正案》，制定了一系列政策 加强氢氟碳化物等非二氧化碳温室气体管控，如表1 所示。生态环境部、发展改革委、工业和信息化部 联合发布了《关于严格控制第一批氢氟碳化物化工 生产建设项目的通知》，规定自2022年1月1日起， 各地不得新建、扩建附件所列用作制冷剂、发泡剂 等受控用途的氢氟碳化物化工生产设施。己建成的 附件所列氢氟碳化物化工生产设施，需要进行改建 或异址建设的，不得增加原有氢氟碳化物生产能力 或新增附件所列氢氟碳化物产品种类。我国对氢氟 碳化物类制冷剂的替代已势在必行。

其次，随着我国新能源汽车产业的发展，汽 车空调系统与车用驱动(发动机、电机以及电池)系 统的供热与综合管理将进一步深度融合，热泵空调 系统成为新能源汽车的技术方案，汽车空调企业也 正在积极地研究和开发车用热泵空调相关的零部件 与整车系统。新能源汽车热泵系统与传统内燃机汽 车空调相比，在制冷、制热模式和主要部件方面都 产生了较大变革，如图1所示。在能量管理方面， 从传统燃油车到电动车，能源的使用也逐渐发生变 化，尤其是整车热管理的重要性逐步增强，热管理 单车价值量相比传统系统大幅提高，热系统成为保 障电动汽车安全、缓解里程焦虑、保证电动汽车又 快又好发展的关键。新能源汽车的热管理除了空调 系统外，增加了电机电控冷却和电池温度控制两个 系统，主要零部件增量为电动压缩机、高压PTC、 水泵、管路等。新型新能源汽车构架下的整车热管 理设计将空调、电池、驱动等各个系统之间的冷热 管理联系进一步加强，形成整体热管理系统工程概 念，热管理系统由空调系统、电机和电池及功率电 子冷却系统连接构成，将多个换热器、电子控制 阀、电子水泵和贮罐的复杂系统连接以满足空调和 设备的冷却。此外，随着汽车向电动化和智能化方 向发展，整车能量管理内容增多，对汽车综合能量 管理的要求也越来越高，从整车层面对各子系统进 行能量统筹管理已经成为电动汽车的未来发展趋 势。

1 研究进展

随着我国“双碳”目标的提出和《<蒙特利尔议 定书>基加利修正案》的正式生效[7]，新能源汽车热 泵的绿色高效发展成为必需的技术路线[8]。汽车空调 行业要想实现碳中和目标，一方面，迫切需要将目 前广泛应用的HFC(hydrofluorocarbon)制冷剂R134a向 低温室效应工质转换，减少直接排放；另一方面， 需要不断提高热泵能效以减少间接排放。

首先，制冷剂的替代可减少直接排放，汽车空 调采用环保制冷剂进行替代具有重要减排意义，然 而制冷剂行业减排路线的制定尚存在一系列问题， 如新工质筛选难度大、新型制冷剂受知识产权制约 严重以及新能源车热管理的热泵系统运行范围宽 （-30~45 ℃）、切换模式多、系统集成度高和控制 要求高等挑战。此外，传统燃油车的汽车空调制冷 剂多采用R134a，但R134a热泵系统性能会随着环境 温度降低而剧烈的降低，也给车用热泵系统的开发 带来了挑战。Kwon等[9]和Lee等[10]的研究表明一套 R134a的热泵系统在-20 ℃的环境下，不能给车厢提 供足够的热量供给。因此，Zhang等[11]提出了高效的 R134a补气增焓热泵空调系统方案。根据他们的研 究，R134a补气增焓系统可以在-20 ℃极低温环境下 供给2097 W的热量，相较于传统R134a热泵系统提 升57.7%，同时系统能效可以达到1.17。另外，为了 达到《<蒙特利尔议定书>基加利修正案》的法规要 求，由霍尼韦尔和杜邦公司联合推出的R1234yf，由 于其热物理性质与R134a非常接近，只需要对现有系 统进行一些微小调整便可正常运行。但是同R134a 一样，R1234yf在低温下的制热效率也非常低，采用 R1234yf的热泵空调系统并不能满足电动汽车的制热 需求，因此全球各大汽车企业仍然需要寻找新的技 术方案[12]。CO2作为一种天然工质，被认为是在汽车 空调系统中极具希望及发展潜力的选择。Wang等[13] 通过实验研究了CO2汽车热泵系统的制热性能，研究 结果表明CO2汽车热泵系统在-20 ℃的极低温环境， 全新风的条件下可以供给3600 W的热量，同时系统 效率可以达到3.1。但是，CO2汽车空调系统的应用 同时也存在一定的缺陷。多个学者的研究结果均表 明在30 ℃以上的高温环境下，CO2汽车空调系统的 运行效率较低[14-17]。Brown等基于半理论模型对CO2 汽车空调系统及R134a汽车空调系统性能进行了对比 研究，研究结果表明CO2汽车空调系统效率在32.2 ℃ 时相较R134a汽车空调系统衰减21%，在48.9 ℃时相 较R134a汽车空调系统其衰减率达到了34%。同时， 也表明CO2汽车空调系统效率的衰减在更高温的环境 下将变得更剧烈[18]。CO2汽车空调系统的另一个缺陷 则是由于CO2本身临界温度较低，这要求CO2系统必 须工作在跨临界循环，系统运行压力非常高，是现 有R134a汽车空调系统运行压力的6~8倍[19]。传统制冷剂在热泵系统遇到的一系列挑战如图2所示，这更 加促进了新型制冷剂的开发和应用。

在新型车用制冷剂的开发上，国内外的厂商 和高校进行了许多探索，如表2所示。大金研发出 D1V140制冷剂 （R1132-E/R1234yf为组合物）， GWP<1，沸点-44.6 ℃，同工况下，制冷/热量大于 R134a和R1234yf（140%），COP与R1234yf相当；以及D2V-YF制冷剂，GWP<150，沸点-50 ℃，制热 量大于R1234yf（200%）且COP相当。AGC开发出 HFO-1123组合物，对现有R1234yf系统仅做微小改 变。科慕研发了H1G3热泵工质，GWP为148，相同 制冷量下其制冷COP高于R1234yf和R744，且-30 ℃ 制热性能优于R1234yf。霍尼韦尔的方案是R1234yf 增强型热泵，其在寒冷工况需PTC加热。Koura基 于YF工质研发新制冷剂，热物性与R407C接近， GWP<100， A2L，制冷量比R1234yf提升20%，-20 ℃工况下的制热能力是R1234yf两倍，0 ℃和10 ℃ 制热量和COP优于R1234yf；此外LFR3是Koura基于 R744混合工质研发的新型不可燃车用制冷剂，全温 区制冷量和COP比R744提高10%~15%，压力降低 20%，与CO2相比对环境的影响更小。上海交大与 中化蓝天共同研发了M2系列制冷剂，GWP为137， A2L，制冷/热量与R410A相当，COP略高。此外， 无专利壁垒的天然工质正在被主机厂积极采用，如 CO2被大众、戴姆勒和奥迪采用，R290被上汽采用。

另外在能量管理方面，优化整车的能量管理、 提高热泵能效等措施可以减少间接排放量。整车的 能量管理可分为系统层的能量利用和热管理层的能 量消耗。与传统燃油车不同，电动汽车的能源为电 能，驱动单元为电机，热管理拓扑结构主要包括电 池回路、电机回路、空调回路和暖风芯体回路等。新能源汽车的能量流如图3所示。其中空调系统主 要是为乘员舱进行制冷、制热，另外在某些工况下 通过冷却装置对电池回路进行冷却[6]。在冬季寒冷 环境的制热工况下，由于没有传统燃油车的发动机 废热，暖风芯体若采用高压PTC进行加热，将直接 消耗电能，造成新能源汽车冬季的续驶里程大幅度 缩减，并且带来更多的间接碳排放。因此，由于热 泵空调系统具有制热能效比高的特点，逐渐被广泛 地应用于纯电动和插电式混合动力车型中，以缓解 新能源汽车冬季续驶里程缩减的问题。新能源汽车 的能量管理，是从整车层面对各子总成进行能量的 综合优化利用，其对热管理系统设计的要求也逐渐 由传统粗放型向精细化、集成化转变。优化整车能 量管理需要对新能源车进行能量流的分析和优化， 并建立新能源车能量流模型并采用实验数据对模型 进行校准，实现新能源车各个负载的耗电情况可视 化及续航里程分析。还要分析各个优化方案对系统 性能及车辆续航里程贡献及评价，包括热泵空调系 统、电池热管理（保温）、余热回收、回风比例设 定、热管理控制策略优化、局部控温等。另外上述 的整车能量流系统也可以用于收集应用车型大数 据，为新型电动汽车的开发，提供技术支持。

再者，目前人们对于电动汽车热泵制冷剂环保 特性的评价，还主要停留在GWP方面，对使用该制 冷剂后系统性能的变化关注较少。因此，有必要采 用全生命周期气候性能 (LCCP) 指标综合评估直接和 间接两种影响，计算电动汽车热泵系统“从摇篮到 坟墓”整个生命周期内产生的当量CO2排放总量。区 别于单一评价指标， LCCP可以综合考量制冷剂“环 保”与其在系统中的“节能”效果，并综合评估两 种影响。除直接排放部分外，LCCP还将间接排放 部分计算在内，因此可以更精确有效地评估汽车空 调、新型制冷剂的综合环保性能，并且能够评估不 同系统、零部件和材料的环保差异。

上海交通大学团队为新能源汽车热泵系统开 发一个全面的LCCP模型，通过对构成LCCP指标的 每个模块进行详细分析，依据热泵系统台架实验数 据、不同地域的气候条件、车辆行驶及热泵使用情 况等信息，建立起一个适用于不同城市气候条件和 行驶条件的LCCP模型，如图4所示。并利用LCCP模 型对采用新型制冷剂的电动汽车热泵空调系统进行 研究，比较系统的环境性能优劣，能够为选择新制 冷剂技术的政策制定者提供决策依据。在整个热泵 系统的使用寿命过程中，制冷剂及其在系统中应用 所造成的等效二氧化碳排放总量EMtotal，包括直接排 放和间接排放，如公式3.6-1所示：

其中，直接排放是基于制冷剂的GWP和排放到 大气中的制冷剂质量进行计算，如公式3.6-2所示：

其中，Adp.GWP是用于评估制冷剂在大气中降 解产物所造成的环境影响。RLreg、RLirreg、RLser、 RLEOL分别代表由于系统管路和连接处造成的常规制 冷剂泄漏量，事故型非常规泄漏量，维修服务过程 中造成的制冷剂泄漏量以及报废过程造成的二次泄 漏量[4]。

其中，Mfg是指生产制冷剂和系统部件制造过程 中造成的排放，包含了系统（部件）从工厂运输到 组装工厂环节造成的排放；OT代表制冷系统运输过 程中的当量CO2排放；EOL是指制冷剂和系统部件报 废处理及回收过程造成的当量CO2排放；SO是指系 统运行过程中造成的排放。考虑到Mfg和EOL排放和 工业制造相关，汽车类型对其影响极少，因此采用 已有方法对其进行计算[4]。但是OT和SO的计算是区 别于传统方法的，原因有以下几点：（1）电动汽车 热泵系统是由电驱动的，因此，造成排放的主要原 因是电消耗而非燃油消耗；（2）不同于皮带轮压缩 机，其转速由内燃机决定，电动压缩机的转速是由 车内空调负荷决定的；（3）由于不存在燃油燃烧造 成的余热损失，在寒冷环境下，电动汽车空调系统 向驾驶室供热需要消耗电力，这部分同样需要加入 排放计算。

该研究评估了中国各省份2020—2060年使用各 种低GWP制冷剂的新能源汽车热泵对环境的时空影 响，结果表明低GWP制冷剂在不同气候区具有不 同的减排潜力，即不同省份或气候区的新能源汽车 全生命周期总排放与气候条件密切相关。其中CO2/ R41为混合工质，M2为上海交大与中化蓝天共同研 发的新型工质，具体参数可见上文表2。值得一提 的是，直接排放取决于制冷剂的GWP并几乎不受气 候影响，而间接排放受气候的影响显著。在间接排 放中，生产制造和EOL处理仅占5%左右，而系统运 行排放占85%。按照目前的技术路线，预计到2030 年全国单辆车的平均生命周期排放量将减少14%， 到2060年将减少45.4%。图5和图6即为该模型的结 果分析，表明在研究涉及的5种低GWP制冷剂中， 从国家层面看各制冷剂的减排潜力由高到低依次为 R290>R1234yf>CO2/R41>M2>CO2。

2 关键技术

针对新能源汽车的续航里程焦虑问题，为实现 节能常用减少车内热负荷的方法，其一采用制热时 内循环补偿，其二采用双层流空调箱设计[20]，但仍 不能解决空调制热功耗大问题。而利用热泵系统通 过压缩机的驱动将环境中吸收的热量以及压缩机自 身做功产生的热量转移到乘客舱内是非常有效的方 法[21-22]。这是由于相较于PTC加热器在工作时效率 恒小于1，而正常工作的热泵系统效率恒大于1，因 此制热效率的优势较为明显。如首款直接式热泵空 调系统应用于尼桑LEAF车型，可实现环境温度0 ℃ 时，制热效率COP相对于电加热器提升至2.5，工作温度主要在0 ℃之上；之后宝马I3实现水侧间接式热 泵空调系统，COP略低于空气侧热泵系统约为2。但 是LEAF及I3热泵空调的主要适用是-5 ℃之上的环境 温度。国内外专家基于实车测试机模拟分析指出， 环境低于-5 ℃，热泵制热性能将大幅度下降[22-23]， 故目前已上市的汽车热泵系统工作温度很多都是在 0 ℃附近。这是由于蒸发压力降低时，压缩机吸气 的密度也会随之降低，从而导致系统中质量流量减 小，制热性能衰减。同时，由于压缩机压比增大， 压缩机容积效率下降，其系统的能效也会随之降 低；且系统排气温度也会增加，影响系统工作的可 靠性。若要提高系统在极端工况下的制热性能，必 须解决以上问题。直接式与间接式热泵系统架构如 图7所示。

为提升低温下热泵空调系统的性能，新的技术 应用不断被尝试，比如双级压缩系统循环，压缩机 前路旁通循环以及压缩机中间补气循环。第一种结 构太过复杂，第二种系统制热性能及效率均低于压 缩机中间补气循环[22-23]。压缩机中间补气技术通过提 高压缩机排气质量流量以及降低室外蒸发器前的焓 值以提升系统制热性能[24]。补气增焓技术是一种可 以应对极端工况的系统形式[5] [21-22]。其核心是将中间 压力的制冷剂气体引入压缩机的中间级，增加系统 冷凝器流量的同时冷却了被压缩的气体，使得排气 温度降低，在增加系统制热量的同时保障了系统的 可靠性。

从图8可以看出，两种补气增焓系统的主要差别 在于中间级。在经济器补气增焓系统中，中间级的 制冷剂由冷凝器后面分出，经节流后在经济器中过 热，然后喷射到压缩机中间级中；而在闪蒸罐补气 增焓系统中，由冷凝器流出的制冷剂首先经过第一 级节流，然后在闪蒸罐中实现气液分离；气相进入 压缩机中间级进行补气，液相经二次节流进入蒸发 器进行蒸发。从性能角度而言，这两种系统形式的 制热性能没有明显差距。有文献表明闪蒸罐系统的 性能要稍微优于经济器系统[5][25]，但该系统的控制逻 辑非常复杂[5] [27]。经济器系统对于补气压力的调节 范围和系统的控制成本都要优于闪蒸罐系统，因此 得到了较为广泛的应用[5]。国际上针对环境温度为-5 ℃的热泵系统技术已有储备，并应用于量产车上， 针对更低温度的热泵系统的成熟应用仍在研究开发阶段；国内在汽车热泵技术上储备较少，近两年随 着电动汽车蓬勃发展，也带动热泵空调系统的研发 投入。适应更低环境温度压缩机中间补气增焓回路 的热泵系统，是未来纯电动汽车减少空调制热消耗 的重要措施之一，同时对该技术的发展也会推动纯 电动汽车国内外进一步开发适用于更低温度的热泵 空调系统。基于新能源汽车热泵的功能需求，以及 综合直接式热泵系统架构和间接式热泵系统架构回 路的优缺点，上海交通大学开发的全功能热泵系统 回路如图9所示。

另外，在产业界，我国新能源汽车主机厂及 零部件供应商积极创新，技术方案紧追国外一线厂 商，如表3所示。比亚迪的e平台3.0在热管理上采取 了类似特斯拉集成化的阀岛方案，对冷媒回路进行 了大规模集成，且采用集成的热泵技术，将驾驶舱 制暖预热交给热泵电动空调系统以及来自“8合1” 电驱电控系统的余热，取消对应PTC模组，动力电 池低温需求则由热泵电空调支持，并由冷媒直接换 热。华为的热管理系统TMS采用一体化设计，打通 电驱、电池、乘员舱等领域，并降低热泵低压侧不 可逆损失，可以实现热泵系统最低工作温度由业界 的-10 ℃降至-18 ℃，相比传统非热泵方案能效比 提升至2，标定周期可缩短60%。蔚来2022款ES8取 消了 PTC 的空调加热方式，使用了与ES6 类似的热 泵制热方式，利用电池、电机废热提供冬季空调系 统，并使用四通阀链接空调回路、电池回路、电机 回路，空调系统包含第一和第三通道，第二和第四 通道分别串联至电池热管理和电机热管理系统，将 电池和电机废热提供给乘员舱以降低冬季耗电。小 鹏 P7的整车热管理系统采用一体化储液罐设计和单 PTC 加热方案，利用一个四通阀实现整车系统级的 热循环，并将电机冷却水路与电池温控水路串接， 使用电机余热加热电池，降低系统能量损失。小鹏 P7整车热管理方案和比亚迪e平台3.0热管理方案实物 图如图10所示。

汽车空调及整车热管理的零部件方面，三花智 控深耕汽车热管理零部件的研发，积极布局新能源 汽车领域所需的热管理部件及子系统更深层次的应 用。截至2022年上半年，三花在建项目包括年产730 万套新能源汽车热管理系统组件、年产150万套新能 源热管理部件、年产400万套新能源汽车热泵部件以 及年产1100万套新能源汽车用高效换热器等项目。美的威灵汽车部件去年宣布驱动系统、热管理系统 和辅助/自动驾驶系统三大产品线全线投产，目前威 灵热管理系统的产品包括 R134a 电动压缩机、CO2 电 动压缩机、中功率电子水泵、大功率电子水泵等， 热泵产品已经在小鹏汽车全线，蔚来ES6、 ES8上使 用。银轮股份的研发实力强劲，新能源汽车零部件 技术储备完善，近年来致力于新能源汽车零部件方 面的研究，实现了液冷板、泵阀类产品的生产，取 得了水路集成模块及系统集成和匹配技术的突破， 实现了前端模块、冷媒冷却液集成模块、热泵空调 箱总成模块的配套生产，拥有国内顶尖的热交换器 批量化生产能力和系统化技术储备。三花与银轮的 热管理汽零产品如图11所示。

3 优秀案例

在新能源汽车热泵空调领域中，上海交通大 学早在2003年即开始进行前瞻性布局并开展相关研 究，目前已完成多个标杆项目，成为开发车用热泵 空调系统的优秀参考案例。图12介绍了CO2车用热 泵空调的研究历程，时间轴上方是国际上的研发进 展，时间轴下方介绍了上海交通大学团队的进展及 案例。上海交通大学在2003年与上汽集团合作开发 了国内首台CO2汽车空调系统，并在桑塔纳汽车实现 了样车开发与测试，之后与长安汽车、上汽大众、 一汽等制造商开发了针对整车的CO2空调系统以及 CO2热泵空调系统，并于近期进行了ID4对标及面向 量产的研发热域控制等相关研究。除了在乘用车领 域外，CO2热泵空调系统在客车空调领域、列车空调 领域也备受关注。上海交通大学与宇通客车成功开 发了国内首台CO2热泵空调系统、与鼎汉技术开发了 CO2列车空调热泵系统，并成功出口德国。另外国内 东风汽车集团、北汽新能源、蔚来汽车等在近几年 也投入到开发CO2热泵空调系统的工作中，先后开展 了CO2台架搭建和测试以及整车搭载和测试。

此外，R290作为HFCs替代型制冷剂，其在传统 家用空调中已经成为未来中国市场主要替代制冷剂 选择之一。R290的ODP为0，GWP为3，完全满足各 国法规的要求。同时R290的运行压力与R134a近似， 现有部件的承压完全满足其运行要求。现有研究中 针对R290易燃易爆的特性，构建基于载冷剂液体循 环的二次回路系统，制冷剂回路完全处于乘员舱外 的发动机箱中，是规避制冷剂安全风险的有效解决 方案。还有研究表明，二次回路还具有降低系统充 注量，减少系统接头从而降低泄漏风险，实现系统 集成化、小型化的优势，如电装、博泽、苹果等整 车及零部件厂商已经开始进行相关的研究与应用， 部分厂商的二次回路空调系统结构如图13所示。但 二次回路中由于中间载冷剂介质的引入，二次换热 过程带来的性能衰减不可忽视，如图14所示。二次 回路系统的能效提升仍是应用过程中的一大难题[28- 30]。

上海交通大学与上汽集团合作开发的R290二次 回路电动汽车热泵系统，完成某车型R290二次回路 系统实车改造及性能测试，完成制冷/制热性能测 试，对比原车R134a系统，R290二次回路制冷性能与 原车性能相当；制热性能提升明显，出风温度提升 6 ℃以上，系统制热量提升1000 W，COP最高提升 11%。目前，业界也已经广泛展开了基于二次回路的 高效R290汽车空调系统设计，针对二次回路系统中 的能效衰减问题进行研究，从两相流分析、换热器 优化、系统架构设计等角度提出优化解决方案，可 进一步的推动天然碳氢制冷剂R290在电动汽车热泵 空调上的应用。