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1. 新能源車空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展概況 1.1 空調(diào)系統(tǒng)在熱管理系統(tǒng)中起著重要作用 狹義汽車熱管理是指：對所有車載熱源系統(tǒng)進(jìn)行綜合管理和優(yōu)化,；廣義汽車熱管理系統(tǒng)還包括空調(diào)系統(tǒng),。熱管理在汽車節(jié)能,、環(huán)保,、安全,、舒適性等方面具有重要作用,。 對于傳統(tǒng)汽車,，其熱管理系統(tǒng)包括發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng),、潤滑系統(tǒng),、進(jìn)排氣系統(tǒng),、發(fā)動機(jī)機(jī)艙空氣流動系統(tǒng)以及駕駛室的空調(diào)暖風(fēng)系統(tǒng)等。具體涉及冷卻介質(zhì),、熱交換器、風(fēng)扇,、泵、底盤空氣流通,、傳感器等,。 圖 1：傳統(tǒng)汽車熱管理系統(tǒng) 對于新能源車汽車,，其熱管理系統(tǒng)包括空調(diào)系統(tǒng),，除此還包括電池?zé)峁芾?、電機(jī)電控?zé)峁芾砑捌渌O(shè)備的冷卻。新能源車和傳統(tǒng)燃油車最大的不同在于動力系統(tǒng),，前者是電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,，后者是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能再轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,。新能源汽車的熱管理系統(tǒng)與燃油車區(qū)別主要體現(xiàn)在以下兩點： ①傳統(tǒng)燃油車熱管理系統(tǒng)是圍繞發(fā)動機(jī)構(gòu)建的（發(fā)動機(jī)帶動空調(diào)壓縮機(jī),、水泵運(yùn)轉(zhuǎn),，座艙制暖來源于發(fā)動機(jī)廢熱）,。沒有發(fā)動機(jī)或發(fā)動機(jī)只部分時間工作要求空調(diào)壓縮機(jī)和水泵電動化,，并且需要采用其他方式（PTC或熱泵）為座艙制暖；②新能源汽車的動力電池需要精細(xì)的散熱和加熱管理,。相比于燃油車,，新能源汽車新增動力電池?zé)峁芾砘芈罚ㄔ黾觕hiller,、電池冷卻水板,、閥件,、PTC等）,。1.2 新能源車空調(diào)電能驅(qū)動,，制熱方案為 PTC,、熱泵模式新能源車空調(diào)系統(tǒng)由電能驅(qū)動。對于新能源汽車（特別是純電動汽車）,，既沒有發(fā)動機(jī)作為空調(diào)壓縮機(jī)的動力源，也沒有發(fā)動機(jī)余熱可以利用達(dá)到取暖,、除霜的效果。通常來講,，新能源車空調(diào)系統(tǒng)的冷源,、熱源和其他能源都來自電池,。
圖4：傳統(tǒng)汽車空調(diào)系統(tǒng) 汽車空調(diào)直接影響駕駛舒適性,，對于新能源汽車來講，還影響其續(xù)航里程,。根據(jù) ANL 對 Nissan Leaf 的測試,，在高速公路循環(huán)路況下,，當(dāng)外界溫度為 20F（-6.7℃）時，調(diào)節(jié)車內(nèi)溫度至 72F（22.2℃）,，車輛續(xù)航里程與不開空調(diào)時相比下降 30%,；當(dāng)外界溫度為 95F（35℃）時，調(diào)節(jié)車內(nèi)溫度至72F（22.2℃）,，車輛續(xù)航里程與不開空調(diào)時相比下降4%,。 圖6：不同路況下開啟空調(diào)對 Nissan Leaf 續(xù)航里程的影響%目前空調(diào)系統(tǒng)制熱方案包括PTC和熱泵模式等。目前市場上主流的新能源車空調(diào)系統(tǒng)中,，（1）制冷方案：基本都采用電動壓縮制冷方式,，如?？怂剐履茉窜嚳照{(diào)系統(tǒng)的制冷采用的是“壓縮機(jī)-冷凝器-膨脹閥-蒸發(fā)器”的制冷循環(huán),；（2）制熱方案：主要包括PTC（液體/空氣）和熱泵系統(tǒng)等,，如?？怂剐履茉窜囋跍囟容^低或車輛起動時采用PTC加熱方案,，電機(jī)溫度達(dá)到一定數(shù)值后采用電機(jī)余熱方案,，特斯拉Model-X制熱模式采用空氣PTC方案，比液體PTC方案的效率更高,。? PTC：Positive Temperature Coefficient,，泛指正溫度系數(shù)很大的半導(dǎo)體材料,。? 熱泵：是一種將低位熱源的熱能轉(zhuǎn)移到高位熱源的裝置,。
圖7：新能源車?yán)渑p模式熱泵空調(diào)原理圖1.3 熱泵技術(shù)在新能源車領(lǐng)域已成為未來發(fā)展趨勢PTC 熱敏電阻制熱存在功耗大的缺陷。新能源車通過 PTC 熱敏電阻制熱,，即通過電阻的熱效應(yīng)生產(chǎn)熱量,，具備了結(jié)構(gòu)簡單且制熱效果好的優(yōu)點，但是存在著功耗過大的嚴(yán)重缺陷,。PTC 加熱方案耗能較多，對新能源車?yán)m(xù)航里程的影響更甚,。
熱泵空調(diào)技術(shù)是將低位熱源的熱能轉(zhuǎn)移到高位。水泵是將低處的水泵到高處，熱泵則類似,，是一種可以將低位熱源的熱能強(qiáng)制轉(zhuǎn)移到高位熱源的空調(diào)裝置,。熱泵系統(tǒng)中使用四通換向閥可以使熱泵空調(diào)的蒸發(fā)器和冷凝器功能互相對換，改變熱量轉(zhuǎn)移方向,，從而達(dá)到夏天制冷冬天制熱的效果,。當(dāng)前熱泵系統(tǒng)的類型主要有直接式熱泵空調(diào)系統(tǒng)、間接式熱泵空調(diào)系統(tǒng)和補(bǔ)氣增焓直接式熱泵空調(diào)系統(tǒng)等,。熱泵空調(diào)相對于 PTC 加熱的優(yōu)勢就在于更加節(jié)能,。熱泵空調(diào)方案的耗能大約為 PTC 加熱模式的 50%,。因此,，從應(yīng)用層面來看，熱泵空調(diào)方案更具優(yōu)勢,，但其技術(shù)要求也相對較高,，特別需要解決低溫情形下室外換熱器結(jié)霜的問題。圖9：榮威 Ei5 純熱泵與 PTC 制熱能耗對比試驗圖熱泵空調(diào)在新能源車領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)快速推廣,。當(dāng)前熱泵空調(diào)技術(shù)在新能源車領(lǐng)域已經(jīng)得到了市場驗證,，國際主要車型包括大眾、奧迪,、雷諾,、寶馬、日產(chǎn)等品牌均已量產(chǎn)裝車,。近年來國產(chǎn)電動汽車熱泵空調(diào)也開始裝車,，典型車型如榮威 Ei5,、榮威 MARVEL X,、長安 CS75 PHEV 等車型覆蓋純電和混動。表1：主要車企熱泵空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用情況（2019年）1.4 二氧化碳制冷劑助力熱泵空調(diào)系統(tǒng)性能升級R134a 型熱泵空調(diào)系統(tǒng)為當(dāng)前市場主流,。按照新能源車熱泵空調(diào)的制冷劑劃分,，熱泵空調(diào)可以分為 R134a 型、CO2 型,、R1234yf 型等。R134a（1,， 1,，1，2-四氟乙烷）是一種使用最廣泛的中低溫環(huán)保制冷劑,，它具有良好的綜合性能,，使其成為一種非常有效和安全的 R12（二氯二氟甲烷）替代品。目前各種電動汽車的空調(diào)系統(tǒng)主要使用制冷劑 R134a,，零部件設(shè)計,、生產(chǎn)及售后服務(wù)及維護(hù)，均依據(jù) R134a 制冷劑物理性能設(shè)計,。高效及環(huán)境安全性突出,，二氧化碳熱泵空調(diào)有望成為未來趨勢。由于R134a 具有溫室效應(yīng)（在《京都議定書》中被列為限制使用的工質(zhì)）,，所以仍面臨巨大的替代壓力,。二氧化碳作為制冷劑，可充分發(fā)揮其高環(huán)保,、低價,、高制熱能效的特點，因此二氧化碳熱泵空調(diào)在新能源車領(lǐng)域具備很廣闊的應(yīng)用前景,。二氧化碳熱泵就是采用二氧化碳作為制冷劑的熱泵或空調(diào),，二氧化碳冷媒代號為 R744，所以二氧化碳熱泵也稱 R744 熱泵,。二氧化碳熱泵與普通的熱泵工作原理基本是一樣的,，都屬于蒸汽壓縮式。不同的地方在于,，二氧化碳熱泵屬于超臨界循環(huán),，即在冷凝器端，二氧化碳是不會被冷凝成液體的,，而傳統(tǒng)冷媒在冷凝器端是被冷凝成液體再節(jié)流的,。R1234yf 存在安全性問題，二氧化碳空調(diào)系統(tǒng)仍占據(jù)全面優(yōu)勢,。歐盟要求 2017 年起 GWP>150 的制冷劑禁止在所有車型的空調(diào)上使用,，對此杜邦與霍尼韋爾開發(fā)了 R1234yf（HFO-1234yf、四氟丙烯）作為新一代制冷劑。但是,，R1234yf 的生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生 HF（氫氟酸）等多種臭氧層破壞物質(zhì),，并存在一定的安全問題，因此德系車企將二氧化碳作為發(fā)展方向,。R1234yf,、二氧化碳兩者進(jìn)行對比，二氧化碳在環(huán)保性能,、安全性能,、制造成本和可持續(xù)發(fā)展上均占據(jù)優(yōu)勢，未來發(fā)展前景廣闊,。表3：二氧化碳與 R1234yf 空調(diào)系統(tǒng)綜合比較二氧化碳制冷劑全面高壓的系統(tǒng)環(huán)境對系統(tǒng)管路提出更高要求,，克來機(jī)電新產(chǎn)品二氧化碳管路 2020 年正式推出。二氧化碳作為制冷劑的主要難點在于需要更高的運(yùn)行壓力,，對系統(tǒng)的控制提出了更高的要求,。二氧化碳工作高壓超 100kgf/cm2，因而熱泵系統(tǒng)的配件,、管路等不僅要達(dá)到系統(tǒng)的要求,，還要充分研究其在高壓下的壽命周期，確保系統(tǒng)安全可靠,。本土企業(yè)克來機(jī)電,，2020 年 1 月公告，擬募集資金不超過 5000 萬元,，用于新能源車用二氧化碳空調(diào)管路組裝項目的建設(shè),。子公司眾源新產(chǎn)品二氧化碳空調(diào)管能夠解決目前二氧化碳管路系統(tǒng)產(chǎn)品缺陷導(dǎo)致二氧化碳泄漏的問題，對二氧化碳空調(diào)在車輛上普及使用有一定的促進(jìn)作用,。國內(nèi)三花智控在二氧化碳熱泵空調(diào)系統(tǒng)領(lǐng)域布局完善,。目前國外一些企業(yè)已推出二氧化碳熱泵空調(diào)樣機(jī)，也在奔馳 E 級車部分車型有所使用,。本土企業(yè)三花智控已做到除壓縮機(jī)外的全覆蓋,，并且在二氧化碳熱泵領(lǐng)域布局超前。2018年3月,，三花智控加盟新能源車二氧化碳熱泵空調(diào)系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)聯(lián)盟,，與東風(fēng)汽車等多家公司共同研發(fā)應(yīng)用。目前三花智控已經(jīng)形成CO2產(chǎn)品解決方案,，如CO2膨脹閥,、單向閥、氣液分離器等,，其中電子膨脹閥實現(xiàn)了COP平均提高10％以上,。
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