新能源汽车二氧化碳热泵高压空调管的开发

郑美玲

(上汽大众汽车有限公司 ，上海 201805)

0 引言

从能源发展战略角度，新能源汽车是全球汽车产业发展趋势。优势在于新能源汽车使用可再生能源电能作为动力源，解决了石油燃料的能源危机，还可以减少碳排放，实现了环保的目标。但传统采用PTC 制热的电动空调会导致冬季续驶里程衰减50%以上[1]。国家从维护能源安全，改善大气环境，提高汽车工业竞争力和实现我国汽车工业的跨越式发展的战略高度考虑，加大对各大车企在新能源方向的投入和补贴，鼓励开发并生产节能高效的纯电动汽车。但是在动力电池没有突破性进展的情况下要保证低能耗制热，二氧化碳热泵空调是为数不多的可行技术，采用自然工质CO2的车用热泵系统有望克服上述问题，因此备受关注。

从制冷剂的环保角度，传统汽车空调制冷剂R134a 具有相当高的温室效应系数(GWP=1 350)，属于强温室效应气体， 欧盟EC40通过了淘汰含氟气体法规(F-gas Regulation) 的决议，并且到2017年新生产车辆停止使用R134a，美国环保部也将于2021年起将R134a从SNAP目录中剔除。为应对全球气候变暖，汽车空调强温室效应气体R134a制冷剂的替代日益紧迫。而CO2作为自然工质，其温室效应系数GWP仅为1。尽管有些CO2会从空调系统中泄漏出去，但泄漏的CO2对环境产生的影响却很小[2-3]。

CO2热泵系统的效能系数比PTC制热的空调系统高出很多，可以有效地延长续航里程大约30%。主要由以下因素决定：CO2制冷剂特殊的物性，其具有低温下单位能量密度大、制热效果好的特点；超临界循环压比小，压缩机效率高；高压排气侧处于超临界状态的CO2存在较大温度滑移，使得进口空气温度与CO2的排气温度可以非常接近，从而不可逆传热引起的热损失小。综上所述，CO2热泵空调系统制热工况下的能源利用率很高，COP(Coefficient of Performance)大概为3[4-5]。

但是CO2热泵系统也存在一些技术难点：由于CO2热泵系统处于跨临界循环并且压力很高(大约为传统系统的10倍)，所以对于空调系统零部件耐压性和安全性有了更高的要求；并且该系统复杂，包括制热、制冷、除雾、除湿等多种运行模式，需要进行大量理论计算、模拟仿真以及试验来完善系统设计。其中空调管在系统中起着连接各主要零部件的作用，CO2热泵系统的空调管高达十多根，压力范围囊括低压、中压和高压，对其密封性和耐压性的要求高了很多，所以开发一款适合CO2热泵系统的空调管尤为重要[6-8]。

1 CO2热泵空调管结构现状

国外正在开发的一款CO2热泵空调管结构，通过其专利和解剖分析发现，其扣压处仍通过传统制冷剂管所采用的EPDM材料的O型圈结构来实现密封，但是由于CO2小分子结构的特点，在系统高温高压工作条件情况下很容易渗入O型圈并使之老化从而逃逸到外部造成整个系统的泄漏，而且该连接结构在扣压时很可能产生形变容易开裂导致泄漏。所以该结构存在一定的泄漏风险。国内CO2热泵系统和热泵空调管都处于研发状态，目前市场上还没有成熟的产品出现。

上汽大众研发团队克服上述现有技术存在的缺陷，基于台架和实车测试数据作为依据，开发了一种抗高压软硬管路连接的密封系统，经过一系列的试验验证其具有耐高压、耐高温、耐振动的特性，可以应用在新能源汽车CO2热泵系统。

1.1 CO2系统台架和整车

CO2的热物理性质与R134a制冷剂差别较大。图1所示为两种工质的温熵图，从图中可以看出，压缩机出口到气冷器出口的温度滑移比较大， CO2在放热过程中处于超临界状态，没有相变潜热区。这一温度滑移的存在有利于换热的充分进行，提高了CO2热泵的换热效率。但是CO2热泵系统高压出口的极限压力为18 MPa，温度为180 ℃;而R134a制冷系统的高压出口压力仅为1 MPa，温度为80 ℃。

图1 R134a和CO2系统温熵

因此传统汽车空调系统的空调管和扣压密封结构无法承受高温高压的要求。因此，开发一种能够适用CO2冷媒、适应高低温交变以及高压工况的空调管路，需要重新设计软管结构和扣压处密封方式，这是现在亟待解决的技术问题[9-11]。

图2为CO2热泵系统原理图。

图2 CO2热泵系统布置原理

通过5个电磁阀的调节改变制冷剂流向，实现夏季制冷、冬季采暖与除湿三大功能。其中压缩机到室外换热器的管段为高温高压排气管，室外气冷器到室内换热器的管段为高压低温管，其余管段为低压低温管。

图3和图4为上汽大众研发团队根据图2原理图搭建的CO2热泵空调系统的台架和整车，同时结合Dymola计算模型，通过不同模式不同工况的摸底试验，整理出空调管的具体技术参数见表1—表3。

图3 CO2 台架试验台

图4 CO2整车试验

表1 压力要求 MPa

表2 温度要求 ℃

表3 抗拉脱力要求 ℃

1.2 新型CO2空调管结构

由于CO2的分子体积远远小于R134a，其更容易穿透PA层渗透到外部，所以软管的内层需要选用更加防渗透的材料，其中不锈钢波纹管是比较优先的选择，一方面因为其性能稳定且加工工艺成熟，另一方面不锈钢波纹管有一定的柔软性且可以有效地阻止CO2分子高温下逃逸；另外由于软硬管连接扣压处的O型圈的密封方式也不再适合CO2热泵系统，所以软硬管连接和扣压处的焊接和密封方式是需要重新开发的。其中如何避免形变，如何避免不同材料(钢和铝)之间的化学腐蚀都是需要重新开发和验证的。

1.2.1 软管结构

图5所示为传统制冷剂R134a的软管结构[12-13]，包括内层PA，橡胶层和芳纶增强层。而文中开发R744软管结构的阻隔层选用波纹管替代PA层。主要目的是阻隔CO2小分子穿透并渗透到外侧，而且保留一定的柔软度和弹性；橡胶材料仍然保留，主要考虑到此材料可以吸音降噪并且可以减小振动的传递。中间增强层则采用芳纶和金属丝，主要是其增加软管轴向和径向的拉拔力以便其在高温高压，传统空调管只采用芳纶线作为增加层是没问题的，但是CO2系统的高温工况下，芳纶线在高温下会严重变形变软抗压效果完全失效，因此增加金属编织层是必要选择。

图5 R134a空调管软管结构

1.2.2 扣压结构

图6所示为传统制冷剂R134a的扣压结构，工艺比较成熟：首先将硬管进行滚钩端部成型，然后套入O型圈，其次将带O型圈的硬管通过工装塞入软管，最后连接处外侧套上护套进行扣压密封。

图6 R134a空调管连接扣压结构

R744热泵系统的空调管由于CO2小分子工质特点及高温高压工作范围要求，O型圈的密封方式已经不能满足该系统。文中开发的新型结构扣压处的焊接密封方式采用全新发明的结构和工艺，经过一系列试验验证证明其可以满足高温高压的要求[14]。

2 实验验证

2.1 有限元模拟分析

有限元模拟计算结果如图7和图8所示。分别给管内10 MPa和40 MPa的内压，通过模拟计算显示最大应力均处在硬管弯管处。所以证明该结构的软管方案完全可以耐受CO2系统的高压工况[15-16]。

图7 有限元模拟10 MPa内压下波纹管的变形及应力

图8 有限元模拟40 MPa内压下波纹管的变形及应力

2.2 带温度交变的压力脉冲

脉冲试验台和试验标准如图9所示。

图9 脉冲试验台和试验标准

按照如图9的试验台架和试验标准进行压力脉冲试验，流程如下：

将6根样件以最小弯曲半径DUTs样件弯曲180°并使两端固定紧，与一液压泵相连充注剂为PAG油，液压泵置于室温环境中； 环境仓温度范围-38～180 ℃，脉冲压力范围1～15 MPa。低温段：-38 ℃下进行1 000次脉冲压力循环；高温段：165 ℃下进行29 000次脉冲压力循环；温度循环重复5次，温度变化期间压力脉冲暂停循环次数，150 000次后无破损无泄漏。完成密封测试后然后将样件进行剖切，观察是否有裂纹和皲裂等破损情况，剖切后的截面如图10所示，表面均无裂缝和损伤。

图10 软管内部剖切截面

带高低温交变的压力脉冲可以认为是空调管开发最为严苛的验证试验，其模拟了整车最为极限的工况，6根试验样件均通过了该项试验，证明该结构是可靠的，并验证了其耐高温高压性。

2.3 拉拔力试验

为了验证扣压焊接处的可靠性，需要进行拉拔力试验，选用20根非包胶的样管即可。因为该试验主要用于测试焊接和扣压，外层的橡胶和芳纶层均不参与焊接，所以选用金属光管的样件进行测试即可。

选用20根样件，在专业的试验机上进行拉拔力试验，经测试其拉脱力均不小于2 500 N。试验结果如图11所示，都满足要求且脱离断点均在软管处。所以证明扣压处的焊接和连接方式是可靠且稳定的。

图11 拉拔力试验结果

2.4 爆破压力试验

优化后的CO2空调管结构的爆破压力72 MPa，为极限工作压力的4倍之多，远远超过设计要求。无论从理论还是试验方面均满足零部件的爆破要求。从图12可以看到，爆破失效地方是在弯管处，该处达到了其材料的极限，这与模拟计算结构一致，证明该零部件的软管和扣压处耐压性远远满足设计要求。

图12 爆破试验测试

3 结论

该新型空调管路是一种耐高温高压且适用于车用CO2热泵系统的零部件，通过模拟分析和试验验证，该设计结构的CO2管路可以适应最高极限压力17 MPa、爆破压力65 MPa、系统高温165 ℃、系统泄漏率30 g/年等严苛环境要求。

该零部件的成功研发对整个新能源汽车空调系统的发展有着至关重要的意义：

(1)作为系统零部件数量需求最多的零部件，如果它的可靠性、安全性和稳定性得到保证，那么整个系统的密封和泄漏风险就可以大大降低。

(2)其次国产化的结构研发成功，通过技术创新与攻关，取得R744新能源汽车抗高压空调管路项目关键技术的突破，打破国外企业技术封锁与市场垄断。有利于汽车核心零部件企业更好地拓展国内外市场和组织产业化生产，从而有效拉动产业链上下游企业的协同发展，促进行业规模壮大和经济效益的提高。

(3)该零部件的国内研发可以带动整个散件国产化，其具有很好的经济性，这也对推动CO2热泵系统的普及有着巨大的推动意义。

节能降耗保护环境。通过技术创新，可实现R134a型热泵空调替代，本项目产品能够在高压环境中长时间使用，有效实现节能降耗，大大提高新能源汽车续航里程，进一步提高新能源汽车产业在节能环保领域的贡献。