【熱管理】純電動汽車 CO2熱泵空調及整車熱管理概述

摘 要：隨著“碳達峰”和“碳中和”目標的提出，交通運輸業電氣化的目標進一步加快。其中電動汽車現在面臨著 由于低溫采暖而造成的續航里程衰減嚴重和制冷劑選擇等難題。本文通過總結相關文獻，綜述了提高電動汽車 續航里程的 CO2 熱泵空調技術和電動汽車整車熱管理系統。在制冷劑選擇上，分析了 R134a、R1234yf、R290、 CO2 四種新型制冷劑的優缺點；在 CO2 循環系統中，介紹了基本跨臨界 CO2 循環系統的特點，重點闡述了對基 本跨臨界 CO2循環系統的優化，其中包含帶回熱器的跨臨界 CO2循環系統及使用補氣增焓技術的跨臨界 CO2循 環系統；對于熱泵空調在電動汽車上的應用，分析了直接熱泵的三換熱器系統和二次回路系統的的工作模式和 各自的特點；對于 CO2 熱泵空調在整車熱管理上，介紹了電動汽車乘員艙、動力電池和驅動電機熱管理的需求， 展示了直冷直熱系統和二次回路系統的優缺點；最后總結指出 CO2 熱泵空調系統將有效解決電動汽車冬季續航 里程衰減嚴重的問題且能在整車熱管理上發揮巨大作用，同時仍亟需在高溫工況制冷、耐壓、密封、控制和集 成等問題上進一步探索。

       由于傳統燃油汽車消耗大量石油并排放汽車尾氣，為了應對化石能源短缺、環境持續惡化等問題和 達到“碳達峰”和“碳中和”的目標，發展新能源汽車是當前緩解兩大難題的有效途徑[1]。隨著科技革命與產 業變革的不斷推進，交通運輸業電氣化將是汽車產業的發展潮流和趨勢，同時發展電動車是未來我國汽 車工業產業結構調整與轉型升級的重要戰略舉措[2]。續航里程不足和難以提高是當前限制純電動汽車發展的主要因素。空調系統作為純電動車僅次于電 動機的耗能系統，其能耗的降低將對續航里程的提升至關重要，且空調系統的性能也已成為現代汽車消 費者的基本要求。不同于燃油車的是純電動汽車由于沒有內燃機，所以在冬季的乘員艙采暖無法使用內燃機的余熱。目前，電動汽車空調系統普遍是夏季時采用蒸汽壓縮式空調制冷和冬季時利用電池對 PTC(Positive  Temperature Coefficient,正溫度系數)材料通電加熱以滿足乘員艙的采暖需求。根據美國汽車工業協會 (SAE)研究[3]，采用空調制冷和加熱 PTC 材料制熱的能源消耗占整車能源消耗的 33%。同時 LEE 等[3]研 究指出純電動汽車在冬季動力電池衰減嚴重且采用加熱 PTC 材料采暖情況下滿負荷運轉，其續航里程將 降低近 50%。此外，通過 PTC 材料將電能轉化為熱能 COP 是不可能超過 1.0，但熱泵系統的理論運行 COP 可以大于 1.0。若電動汽車采用熱泵型空調系統代替加熱 PTC 材料滿足冬天的取暖需求時，將可以 顯著提高行駛里程，推動電動汽車快速發展。目前，電動汽車空調的制冷劑使用的是 R134a，該制冷劑是一種無氯氟利昂，不會破壞臭氧層，但 是其是一種高溫室效應氣體，GWP（全球變暖潛能值）高達 1350。歐盟于 2006 年 5 月出臺了關于汽車 空調 MAC 指令 2006/40/EC，指令規定 2017 年之后所有汽車空調的制冷劑 GWP 值不得高于 150[5]，基 本禁止了 R134a 的使用。美國環保部也于 2021 年將 R134a 從 SNAP(Significant New Alternative  Program,重大新代替品政策計劃)目錄中刪除[6]。因此，為應對全球氣候變暖，急需尋找新型制冷劑代替 R134a。其中，自然工質 CO2從新回到人們的視線，其 ODP（消耗臭氧潛能值）為 0，GWP 僅為 1，泄 露的 CO2對環境的影響也微乎其微，表現出對環境的友好性。前國際制冷學會主席 LORENTZEN 等人對 自然工質進行了大量研究，他認為 CO2 有望在汽車空調領域得到大量應用[7]。所以 CO2 將是電動汽車空 調制冷劑 R134a 的優秀替代品。純電動汽車中的熱管理主要分為電池系統熱管理、電機系統熱管理和空調系統熱管理。在傳統的電 動汽車中，三大系統的熱管理通常是各自獨立的，缺乏對整車熱量的統一管理，熱管理效率較低。所以 需在新一代電動汽車設計之初便利用熱泵型空調產生的冷量和熱量完成乘員艙制冷與供暖、動力電池與 電機的溫度控制，實現整車熱量進行集成式管理，從而大幅提高車輛整車的熱管理效率，提高整車能量 利用率。本文介紹了跨臨界 CO2 熱泵系統及其在電動汽車上的應用，首先簡介了 CO2 作為制冷劑逐步得到推 廣的原因，重點分析了跨臨界 CO2 循環及其優化，其次介紹了 CO2 熱泵循環在電動汽車上的應用和集成 式的整車熱管理系統，最后提出了 CO2熱泵系統在電動汽車上應用亟需解決的問題。

1 制冷劑的選擇

      隨著《蒙特利爾協定書》的簽訂，以 R134a、R410a 和 R407C 為代表的無氯氟利昂制冷劑得到廣 泛使用，其中 R134a 的 ODP 為零，在汽車空調領域使用十分廣泛。但 R134a 的 GWP 偏高，已經成為 造成溫室效應的重要因素之一。歐盟規定 2017 年之后的車用制冷劑的 GWP 不能大于 150，基本上禁止 了 R134a 的使用。《〈蒙特利爾協定書〉基加利修正案》指出中國需在 2024 年將氫氟碳化物的生產和 消費凍結在基線水平。所以急需尋找安全可靠且 ODP 和 GWP 符合規定值的制冷劑。其中 R1234yf、 R744 和 R290 由于 ODP 為零、GWP 低和具備制冷劑所需物性的特點成為了研究重點，表 1 展現了這幾 種制冷劑和 R134a 的基本物性。但這幾種制冷劑各有優缺點，現階段對于下一代制冷劑的選取仍存在爭 議

       R1234yf 具有微弱的可燃性，其熱物理性質與 R134a 十分接近。有學者對兩者的性能進行了對比， ARAL 等[8]在電動汽車熱泵空調系統中分別對 R134a 和 R1234yf 的制熱性能進行了研究，實驗結果表明：R1234yf 的 COP 比 R134a 低 3.6%，制熱量相較于 R134a 略高。由此可見 R1234yf 與 R134a 的基本物 性與性能都十分接近，如使用 R1234yf 代替 R134a，現在的電動汽車熱泵空調系統不需要改變，縮短研 發周期。但是 R1234yf 與 R134a 相同，其在低溫環境下 COP 低、制熱量不足,且 R1234yf 價格相對于其 它制冷劑價格高，經濟性較差。對于我國幅員遼闊，南北氣溫差異大，極大限制了 R1234yf 的大規模推 廣。 

       R290（丙烷）是一種可以直接在液化氣中獲取的天然碳氫工質，其來源廣泛，價格低廉，且 ODP 為零、GWP 僅為 3，表現出對環境的友好性。SHI 等[9]對 R134a 和 R290 在電動汽車熱泵空調的應用進 行了理論分析，并利用軟件對兩種工質進行了數值模擬。模擬結果表明：在蒸發溫度為-20℃時，  R290 的制熱量相較于 R134a 系統提高了 51,3%，COP 提高了 3.7%。由此可見 R290 可以克服 R134a 在低溫 環境下的制熱量不足的問題，十分適合于電動汽車空調。但是 R290 在密閉空間中的濃度在 2.1%-9.5% 范圍內存在爆炸的危險，在汽車狹小密封的環境中，R290 會增加行駛過程的安全隱患。 

       CO2是天然制冷劑，化學性質穩定，作為制冷劑的安全等級為 A1，其 ODP 為零，GWP 僅為 1，對 環境影響極小。此外，CO2 作為制冷劑的熱力學性能良好，在制冷量以及流動阻力方面優于其他制冷劑， 此外，其在低溫下的制熱性能優良的特點十分適用在純電動汽車的空調系統。因此傳統制冷劑 CO2 再次 回到了人們的考慮范圍

2 車用 CO2熱泵系統

2.1 跨臨界 CO2熱泵簡介 

       CO2 與傳統制冷工質熱物性有很大不同，它的臨界溫度僅為 31.1℃，臨界壓力為 7.37MPa。對于車 用 CO2 熱泵系統而言，其高壓側的放熱過程在臨界點之上的超臨界區域內，低壓側的蒸發吸熱過程在亞 臨界區域內，所以車用 CO2熱泵系統只能采用跨臨界循環。在跨臨界 CO2循環中，高壓側 CO2在放熱過 程中一直處于超臨界區域只進行顯熱的交換不發生相變，所以在跨臨界 CO2 循環中將冷凝器稱為氣體冷 卻器。跨臨界 CO2 循環系統與傳統工質熱泵系統在裝置組成上區別不大，主要由壓縮機、氣體冷卻器、 蒸發器和節流裝置四部分組成，此外，有時會設置氣液分離器、控制系統和自動控制裝置等輔助裝置， 跨臨界 CO2熱泵系統的基本流程圖和 p-h 圖如圖 1 所示。

       理論上，與傳統的蒸汽壓縮循環相比，跨臨界 CO2 循環在相同條件下效率較低,主要是由兩個因素造 成的：其一是在跨臨界 CO2 循環中 CO2 在氣體冷卻器中的平均溫度高，導致在冷卻過程中熱損失較大；另一個因素是由于跨臨界 CO2循環在 CO2在膨脹裝置前后壓差大，節流過程中熵增較大[10]。對于跨臨界 CO2 壓縮機，由于 CO2 工作壓力高、壓差大，所以對 CO2 壓縮機的強度、密封和潤滑等方面提出了新的 要求。雖然跨臨界 CO2 循環壓差大，但是其壓比僅為 3 左右（其它車用制冷劑壓縮循環壓比達到 8 左 右），因此跨臨界 CO2 循環的壓縮機有更高的效率，且余隙容積小，壓縮機的尺寸可以減小[11]。CO2 在 氣體冷卻器中的冷卻過程是在超臨界狀態下的單相傳熱，定壓比熱是影響其傳熱的重要因素，CO2 在臨 界點附近定壓比熱值較高，因而控制 CO2 在氣體冷卻器中傳熱在臨界點附近能有效提高換熱效率。并且 CO2 在氣體冷卻器中的進出口溫度對整個系統的 COP 具有重要影響，CO2 氣體冷卻器出口溫度每下降 1℃，COP 大約提高 5%，故在設計 CO2 氣體冷卻器時，因盡量使氣體冷卻器出口溫度接近空氣進口溫 度[12]。

2.2 跨臨界 CO2循環的優化 

單純的跨臨界 CO2 循環相較于其它制冷劑循環是沒有優勢的，所以需要對跨臨界 CO2 循環系統進行 優化。在跨臨界 CO2 循環中，氣體冷卻器側的放熱壓力可高達 10MPa 左右，蒸發器側的吸熱壓力在 4MPa 左右，所以通過節流裝置的壓差可達 6MPa 左右，遠遠高于傳統氟利昂制冷劑的節流壓差。YANG 等[13]研究發現從超臨界區到兩相區的等焓節流過程的損失是整個跨臨界 CO2 循環最主要的不可逆損失， 減少節流損失或回收膨脹功是提高整個循環效率的關鍵。現階段適用于提高電動汽車 CO2 熱泵空調系統 性能的方案主要是在系統內加入回熱器和引入補氣增焓技術，本文將對這幾種技術作簡要介紹。2.2.1 帶回熱器的跨臨界 CO2循環 在熱泵系統中加入回熱器會產生兩種影響：從對循環系統產生積極效應方面分析，從氣體冷卻器內 流出的超臨界 CO2 氣體，在回熱器內部進行等壓降溫冷卻，降低蒸發器入口的焓值和干度，蒸發器進出 口焓值變大，增加了單位制冷量，同時干度的降低使制冷劑在蒸發器內的換熱效果更好。此外，由于回 熱器的加入，流入壓縮機的 CO2 氣體保持一定過熱度，這有利于壓縮機安全穩定的運行；從不利方面看， 回熱器的引入會提高壓縮機的吸氣溫度，使得制冷劑流量減小，壓縮機排氣溫度高，單位制冷劑的耗功 增大。在兩種影響的綜合作用下，回熱器的引入既有可能提高循環系統性能，也有可能降低循環系統性 能，提高還是降低將取決于所選工質的熱物性[14]。為了減低跨臨界 CO2 循環的節流損失，ROBINSON 等[15]在循環系統中加入回熱器，研究發現，回熱器的加入可以提高跨臨界 CO2循環的 COP。帶回熱器的 跨臨界 CO2循環系統流程圖和 p-h 圖如圖 2 所示。

       由于回熱器的引入會對熱泵系統產生兩種影響，大量學者對回熱器在不同工況下對跨臨界 CO2 系統 的影響做了研究。RIGOLA 等[16]進行了跨臨界 CO2 循環系統在環境溫度為 25℃、35℃、43℃時的理論 與實驗研究，結果表明具有合理尺寸的回熱器可以大大提高系統的 COP，且環境溫度越高，COP 提高越 明顯。CHO 等[17]證實回熱器的使用不僅可以提高系統的 COP，還可以增加系統的制冷量。在設計工況 下，相較于無回熱器的跨臨界 CO2循環系統 COP 可提升 6.2%-11.9%。系統制冷量可增加 1.7%-9.1%。TORRELLA 等[18]指出回熱器的加入使得跨臨界 CO2 循環系統的 COP 升高達 12%。根據實驗結果可以 得出，回熱器的熱效率與蒸發溫度密切相關。此外，回熱器與壓縮機耗功兩者之間沒有明顯的關聯。趙 玲華等[19]對帶回熱器的跨臨界 CO2 熱泵系統進行了實驗研究，并提出了回熱率這一概念來評估回熱器對 系統性能的影響。研究結果指出：如果系統獲得最大 COP 為設計目標，系統回熱率取 15%左右為宜。CHEN 和 GU 等[20]基于焓差推導出一個有效表達回熱器效率的方法，其理論計算結果表明在跨臨界 CO2 系統中高效的回熱器是獲得高系統性能的一個重要因素。

2.2.2 帶補氣增焓技術的跨臨界 CO2循環 

       補氣增焓技術能明顯提升熱泵空調在寒冷地區的適應性[21]。補氣增焓技術的系統應用形式主要分為 帶經濟器和帶閃蒸器兩種。其工作原理是將出氣體冷卻器的一部分制冷劑經閃蒸器閃蒸或經濟器換熱后 噴入壓縮機。         兩種跨臨界 CO2 熱泵補氣增焓系統循環流程圖及 p-h 圖分別如圖 3-4 所示。在經濟器系統中，CO2 從氣體冷卻器流出后經經濟器和回熱器后分成兩路：一路經過膨脹閥 1 部分節流至中間壓力（狀態點 4）， 然后進入經濟器進行換熱后由補氣口噴入壓縮機；另一路 CO2 氣體經過經濟器后由膨脹閥 2 完全節流后 進入蒸發器蒸發吸熱流出后通過回熱器換熱后進入氣液分離器，從氣液分離器出來的 CO2 氣體進入壓縮 機經一級壓縮后與從補氣口進入的氣體混合完成二級壓縮變成高溫高壓 CO2 氣體。與經濟器系統不同之 處在于，帶閃蒸器的系統 CO2從氣體冷卻器中流出后（狀態點 3）經過膨脹閥節流后（狀態點 4）進入閃 蒸器閃蒸，氣態 CO2（狀態點 6）與部分壓縮的 CO2（狀態點 7）混合（狀態點 8）。液態 CO2（狀態點 5）經節流閥 2 節流后（狀態點 9）進入蒸發器。 

       引入補氣增焓的跨臨界 CO2 熱泵系統，首先降低了蒸發器的入口焓值，從而增大了蒸發器的進出口 焓差。同時中間補氣過程能增加經過氣體冷卻器的制冷劑流量，從而提高系統低溫工況的制熱量和高溫 工況的制冷量。此外中間補氣制冷劑溫度低于一級壓縮制冷劑溫度，因此補氣系統能有效降低壓縮機的 排氣溫度從而避免過熱[22]。

       最早的補氣增焓系統是由蘇聯學者與 1976 年首次引入這一概念并建立了一系列數學模型。隨后有學 者將補氣增焓技術展開了一系列研究。BAEK 等[23]研究了補氣型 CO2 熱泵系統，研究顯示相比于傳統熱 泵系統，補氣型 CO2熱泵系統的 COP 和制冷量分別提升了 24%和 45%，且使用補氣增焓技術使系統在 低溫環境下的性能要高于傳統單級壓縮系統。CHO 等[24]研究了以 CO2為制冷劑對比了帶噴氣增焓熱泵系 統與普通雙級壓縮熱泵系統的制冷性能，研究表示在相同工況下，帶補氣增焓技術的熱泵系統的 EER 比 普通雙級壓縮熱泵系統提高了 16.5%,且壓縮機的排氣溫度降低了 5～7℃。HEO 等[25]研究了采用閃蒸器 的補氣增焓熱泵系統的制熱性能，實驗結果表示：在-15℃工況下，相較于普通單級熱泵系統，該系統的 制冷劑流量增加了 30%～38%，COP 和制冷量分別提升了 10%和 25%。TELLO-OQUENDO 等人[26]對 比了補氣型壓縮機和雙級壓縮機在不同壓縮比情況下熱泵系統的運行性能。研究結果顯示：當壓縮比小 于 5 時，補氣型壓縮系統運行性能要優于雙級壓縮系統；當壓縮比更高時，雙級壓縮系統的運行性能更 佳。WANG 等[27]提出閃蒸罐系統運行控制更困難，內壓力低于補氣壓力時容易產生回流，而經濟器不會 產生回流，適應更大的運行范圍。JUNG 等[28]將噴氣增焓熱泵系統應用于電動汽車，研究了不同結構參 數的補氣口對系統的影響。研究表示：補氣口的結構參數對系統的性能有很大的影響。

3 CO2熱泵在電動汽車上的應用及整車熱管理

3.1 電動汽車用 CO2熱泵系統 

       傳統的電動汽車空調系統采用的是夏季使用壓縮式空調制冷，冬季利用 PTC 電加熱方式采暖，分為 水暖 PTC 和風暖 PTC，其系統圖如圖 5 所示。由于 PTC 是熱敏電阻材料，所以采用電加熱 PTC 的方式 采暖實際過程中熱效率是要小于 1。由于冬季動力電池的性能衰減以及使用 PTC 電加熱的方式采暖，電動汽車的續航里程將減少 50%[3]。由于熱泵型空調節能高效，所以熱泵型空調將成為新能源汽車行業的 重要要發展趨勢。其中，熱泵空調系統分為直接熱泵系統和二次回路系統，本文將對兩種系統作簡要概 述。

3.1.1 直接熱泵系統 

       家用型熱泵空調是采用室內室外各一個換熱器，采用四通換向閥來切換制冷劑的流動方向。但是電 動汽車不同的是，當冬天空調系統從除霜模式切換為制熱模式時，車內的換熱器的冷凝水將會蒸發并隨 著新風吹到車內的擋風玻璃上起霧，會給行車帶來安全隱患。于是 SUZUKI 等人[29]開發了一套電動汽車 熱泵系統，系統結構圖如圖 6 所示。該系統使用了三個換熱器，其中兩個換熱器布置在電動汽車風道內。該系統可以實現制冷、采暖和除霜除濕的自由切換，而且有效防止了冬天除霜制熱切換時的擋風玻璃起 霧問題，解決了行車中的安全隱患。

      該系統制冷時，制冷劑經電動壓縮機壓縮后通過四通閥后流向車外換熱器放熱，經電子膨脹閥 1 節 流后流向車內蒸發器蒸發吸熱后進入壓縮機，實現車內的制冷；采暖時制冷劑從四通閥流出后流入車內 冷凝器放熱，經過電子膨脹閥 2 在車外換熱器吸熱后經電磁閥進入壓縮機完成制熱循環；除霜除濕模式 下，制冷劑流經三個換熱器，首先制冷劑流經車內蒸發器完成濕空氣的除濕，然后流入壓縮機壓縮后經 四通閥進入車內冷凝器將除濕后的空氣加熱，流出車內冷凝器后經電子膨脹 2 一次節流后流入車外換熱 器放熱融霜，最后經過電子膨脹閥 1 二次節流后進入車內蒸發器完成除霜除濕循環，該循環不僅實現了 室外換熱器的除霜，還完成了車內新風的除濕避免了擋風玻璃的起霧。

       現有四通換向閥是銅制品，主要是提供給家用熱泵空調，與汽車空調上的鋁材焊接性差，導致其容 易腐蝕、抗震動性差，從而在高壓與低壓間頻繁切換存在泄漏的不足[30]。日本電裝公司設計了一種旁通 閥系統而代替四通換向閥切換制冷劑方向的車用熱泵空調系統[31]，系統結構如圖 7 所示。

       在制冷模式下，電磁閥 2 關閉，制冷劑經車內冷凝器后由電磁閥 1 流入外部換熱器，經過電子膨脹 閥 1 節流進入車內蒸發器，再由氣液分離器回到壓縮機。制熱模式下，電磁閥 1 關閉，制冷劑通過車內 冷凝器經電子膨脹閥 2 進入車外換熱器，通過電磁閥 2，經氣液分離器回到壓縮機完成循環。除濕模式下， 電磁閥 1、2 關閉，制冷劑經過車內蒸發器經分離器進入壓縮機，再進入車內冷凝器經電子膨脹閥 2 進入 外部換熱器，最后再次進入車內蒸發器。 

       圖 8 是帶補氣增焓的電動汽車直接熱泵空調系統，并搭載在了 2017 年款的普銳斯 Prime 中，該系統 提高了在低溫環境下乘客艙的采暖性能，并在沒有電加熱輔助的情況下實現了除濕的功能。相比于不帶 補氣增焓的熱泵系統，在壓縮機相同轉速下，帶補氣增焓的熱泵空調系統制熱量將提高 26%。此外相較 于帶 PTC 的熱泵空調系統，在相同制熱量的情況下帶補氣增焓的熱泵空調系統能耗比要低 63%，可以使 電動汽車的行駛里程提高 21%[32]。

       相較于不帶補氣增焓技術的熱泵空調系統，該系統在采暖模式時經電子膨脹閥 2 部分節流的制冷劑 會在閃蒸罐內閃蒸并分為兩部分，閃蒸后的氣態制冷劑經電磁閥 3 進入壓縮機再壓縮，液態制冷劑經閃 蒸罐后的壓力閥節流后流入外部換熱器從外界環境吸收熱量，通過該方式增加了通過冷凝器的制冷劑流量，從而提高了制熱性能。該系統的除濕有串聯和并聯兩種模式可供選擇，在串聯除濕模式中，制冷劑 在冷凝器內放熱后經電子膨脹 2 部分節流后進入外部換熱器換熱，再經電子膨脹閥 1 節流后進入蒸發器 蒸發吸熱，蒸發后的制冷劑經壓縮機壓縮后再次進入冷凝器。該模式下是通過蒸發器將空氣進行冷卻除 濕然后通過冷凝器加熱至目標溫度；此模式下外部換熱器向外部環境吸收熱量或者將熱量散發到外部環 境中，這將取決于兩個電子膨脹閥的控制。與串聯模式不同的是，當系統處于并聯除濕工作模式時，從 冷凝器中放熱的后制冷劑將會分為兩部分，一部分經電子膨脹 2 節流后進入外部換熱器從外界環境吸收 熱量經電磁閥 2 返回壓縮機再壓縮，另一部分制冷劑經電磁閥 1 由電子膨脹閥 1 節流后進入蒸發器，最 后回到壓縮機。該模式下位于蒸發器后的壓力閥可以控制蒸發溫度防止結霜，此外，此時外部換熱器的 蒸發溫度可以低于蒸發器的蒸發溫度，可以從外部環境中吸收更多的熱量，將除濕后的空氣加熱到更高 的溫度，可以保持系統在低溫環境在仍然可以穩定工作。

3.1.2 二次回路熱泵系統 

       由于電動汽車熱泵空調的閥件較多，而 CO2 熱泵系統需要以跨臨界循環運行，系統的運行壓力較高， 對閥體的密封性及材料要求較高。圖 9 所示是二次回路電動汽車熱泵空調系統的設計思路，制冷劑不會 直接進入乘員艙制冷或制熱。系統將分為制冷劑回路和載冷劑回路，由冷凝器、蒸發器、壓縮機、氣液 分離器和電子膨脹閥構成制冷劑回路，其中制冷劑回路只有一個膨脹閥，可以極大的減少高壓閥的數量。當乘員艙有制冷或采暖需求時，載冷劑將流入冷凝器或蒸發器進行換熱后將乘員艙內的空氣加熱或冷卻， 以此達到制冷或采暖的需求。

       二次回路的電動汽車熱泵空調系統可以減少高壓閥的數量，但是同樣二次回路將會增加能量的損失， 系統的 COP 會略低于直接熱泵。現階段對于 CO2 熱泵空調系統采用直接熱泵還是二次回路存在爭議， 兩種方案都存在明顯的優缺點，對于最終的選擇將需要進一步的研究論證。 

3.2 基于 CO2熱泵的電動汽車熱管理 

       電動汽車與燃油汽車不同，不僅乘員艙需要進行熱量管理，電池和電機的安全性和效率都與其溫度 密切相關，電池包內部熱量不能及時散出會導致電池溫度上升、電池溫度變大，甚至引起熱失控，因此 電池和電機的溫度控制對電動汽車尤為重要[33]。所以對于電動汽車需要利用熱泵空調產生的熱量和冷量 對乘員艙進行溫濕度控制和動力電池及電機的溫度控制，實現電動汽車整車熱量集成式管理，提高整體 能量利用率。 

       圖 10 所示是一套使用 CO2 熱泵空調的整車熱管理系統。該系統熱泵空調主要采用直冷/直熱構架， 制冷蒸發器與熱泵冷凝器直接進入乘員艙內實現溫度的調節。此外，該系統的電池與電機回路通過三通 閥(TV)的切換可實現水路的串聯和并聯，使得電池散熱可以采用自然散熱和主動制冷兩種方式。在低溫 環境下，采用水路熱力閥（TRV）旁通散熱水箱（Raditor）利用電機余熱對電池進行加熱，降低電池制 熱模式下對水路低壓 PTC 的需求，進一步降低整車熱管理能耗，提升低溫續航。乘員艙和電池混合制冷 的模式下，電池 Chiller 前的 EXV2 主要用于制冷劑流量的分配。

       圖 11 是蘋果電動汽車的整車熱管理系統[34]，該系統采用二次回路的方案對乘員艙、動力電池和電機 進行整車的熱量管理。其一次回路使用 CO2 作為制冷劑獨立設計，二次回路將水作為載冷劑，包含加熱 回路、冷卻回路、電池回路和電機回路，可實現乘員艙采暖制冷、電機散熱和加熱、電池冷卻和加熱等 功能。該系統分別通過氣液熱交換器(Liquid Cooled Gas Cooler,LCGC)和制冷劑-水熱交換器(Chiller)與 制冷劑回路進行熱量和冷量的交換。二次回路在氣液熱交換器獲得的熱量可通過三通閥選擇被利用或流 向車外換熱器排出。當乘員艙需要采暖時，泵 1 開啟利用載冷劑將熱量攜帶至空調箱內的暖風芯體加熱 乘員艙內的空氣；在溫度極低的情況下，在給乘員艙供暖的同時另需要加熱電池，此時利用加熱 PTC 材 料輔助加熱，此時載冷劑將在暖風芯體內釋放熱量的同時通過熱交換器 1 換熱，泵 3 開啟加熱動力電池。冷量通過 Chiller 傳遞到二次回路，此時泵 2 開啟，當乘員艙需要制冷時可將攜帶至冷卻芯體冷卻乘員艙 空氣，同時在泵 3 開啟的情況下可通過熱交換器 2 將冷量傳遞到電池，在電池溫度過高是可達到降溫的 作用，冷量也可通過熱交換器 3 經過四通閥傳遞到電機已以達到給電機降溫的作用，當車輛無制冷需求 時可通過車外換熱器排出。

4 結論與展望 

      CO2 由于其對環境的友好性、來源廣泛、安全系數好，將在制冷劑變更過程中發揮巨大作用。此外 CO2 換熱系數高和單位容積制冷量大的特點有利于減少換熱器的體積和壓縮機的排量，能有效較小系統 的體積，非常適合汽車空調。其次，CO2 熱泵空調系統擁有良好的低溫啟動制熱功能，在室外極低溫情況下依然可以提供較大的制熱量并維持較高的 COP。所以 CO2熱泵空調系統將是未來電動汽車熱泵空調 的發展方向。但是 CO2 熱泵系統需要在電動汽車領域大規模推廣，未來的工作還需要解決以下幾方面的 問題。 

      （1）跨臨界 CO2系統在低溫時有很高的制熱量，但是在高溫環境下的制冷模式時，氣冷器的冷卻效 果有限，節流后干度較高，制冷性能較差。所以需要解決高溫環境下的制冷量不足，COP 下降的問題。 

     （2）由于 CO2的臨界壓力為 7.3MPa,跨臨界 CO2系統的運行壓力高，低壓側為 3～5MPa，高壓側 達到 8～14MPa。所以整個系統零部件需要解決耐高壓的問題和高壓下的壽命周期問題，此外還需考慮 整個系統的密封問題，確保系統安全可靠的運行。 

     （3）CO2 在跨臨界循環的氣體冷卻器中的放熱過程處于超臨界狀態，不發生相變，放熱后的溫度與 高壓壓力無關，且具有較大的溫度滑移，給系統控制增加了難度。電動汽車熱泵空調不僅需要給乘員艙提供制冷、采暖、除霜和除濕的功能，還需要考慮電機和電池 包的溫度控制，所以需要設計高效簡潔的整車集成式的熱管理系統。此外，純電動汽車整車熱管理的閥 體多、管路復雜，不僅成本提升還增加了系統所需的空間。所以對于多閥體和管路的集成將成為接下來 工作的重點。