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【热管理】纯电动汽车CO2热泵空调及整车热管理概述

摘要：随着“碳达峰”和“碳中和”目标的提出，交通运输业电

气化的目标进一步加快。其中电动汽车现在面临着由于低温采暖而造

成的续航里程衰减严重和制冷剂选择等难题。本文通过总结相关文献，

综述了提高电动汽车续航里程的CO2热泵空调技术和电动汽车整车热

管理系统。在制冷剂选择上，分析了R134a、R1234yf、R290、CO2

四种新型制冷剂的优缺点；在CO2循环系统中，介绍了基本跨临界

CO2循环系统的特点，重点阐述了对基本跨临界CO2循环系统的优

化，其中包含带回热器的跨临界CO2循环系统及使用补气增焓技术的

跨临界CO2循环系统；对于热泵空调在电动汽车上的应用，分析了直

接热泵的三换热器系统和二次回路系统的的工作模式和各自的特点；

对于CO2热泵空调在整车热管理上，介绍了电动汽车乘员舱、动力电

池和驱动电机热管理的需求，展示了直冷直热系统和二次回路系统的

优缺点；最后总结指出CO2热泵空调系统将有效解决电动汽车冬季续

航里程衰减严重的问题且能在整车热管理上发挥巨大作用，同时仍亟

需在高温工况制冷、耐压、密封、控制和集成等问题上进一步探索。

由于传统燃油汽车消耗大量石油并排放汽车尾气，为了应对化石

能源短缺、环境持续恶化等问题和达到“碳达峰”和“碳中和”的目

标，发展新能源汽车是当前缓解两大难题的有效途径[1]。随着科技革

命与产业变革的不断推进，交通运输业电气化将是汽车产业的发展潮

流和趋势，同时发展电动车是未来我国汽车工业产业结构调整与转型

升级的重要战略举措[2]。续航里程不足和难以提高是当前限制纯电动

汽车发展的主要因素。空调系统作为纯电动车仅次于电动机的耗能系

统，其能耗的降低将对续航里程的提升至关重要，且空调系统的性能

也已成为现代汽车消费者的基本要求。不同于燃油车的是纯电动汽车

由于没有内燃机，所以在冬季的乘员舱采暖无法使用内燃机的余热。

目前，电动汽车空调系统普遍是夏季时采用蒸汽压缩式空调制冷和冬

季时利用电池对PTC(PositiveTemperatureCoefficient,正温度系数)

材料通电加热以满足乘员舱的采暖需求。根据美国汽车工业协会(SAE)

研究[3]，采用空调制冷和加热PTC材料制热的能源消耗占整车能源消

耗的33%。同时LEE等[3]研究指出纯电动汽车在冬季动力电池衰减

严重且采用加热PTC材料采暖情况下满负荷运转，其续航里程将降低

近50%。此外，通过PTC材料将电能转化为热能COP是不可能超过

1.0，但热泵系统的理论运行COP可以大于1.0。若电动汽车采用热泵

型空调系统代替加热PTC材料满足冬天的取暖需求时，将可以显著提

高行驶里程，推动电动汽车快速发展。目前，电动汽车空调的制冷剂

使用的是R134a，该制冷剂是一种无氯氟利昂，不会破坏臭氧层，但

是其是一种高温室效应气体，GWP（全球变暖潜能值）高达1350。

欧盟于2006年5月出台了关于汽车空调MAC指令2006/40/EC，

指令规定2017年之后所有汽车空调的制冷剂GWP值不得高于

150[5]，基本禁止了R134a的使用。美国环保部也于2021年将

R134a从SNAP(SignificantNewAlternativeProgram,重大新代替

品政策计划)目录中删除[6]。因此，为应对全球气候变暖，急需寻找新

型制冷剂代替R134a。其中，自然工质CO2从新回到人们的视线，其

ODP（消耗臭氧潜能值）为0，GWP仅为