新能源汽车应该使⽤什么制冷剂？
现在，新能源汽车产业⼤热，新能源汽车的开发也如⽕如荼。传统燃油车辆中存
在充⾜的发动机余热可供冬季制热需求, 但新能源汽车中发动机余热的缺失导致冬季
制热成为车辆制冷系统必须解决的重要问题。那么新能源汽车空调系统开发⾯临什
么样的问题呢？新能源汽车应该使⽤什么样的制冷剂？
新能源汽车制冷剂应⽤现状
近些年, 虽然交通领域新能源化的进程如⽕如荼, 但⽬前新能源汽车中所采⽤的制冷剂种类仍然沿袭传统燃油车的技术路线, 即还停留在HFC阶段: 其中乘⽤车主要采⽤R134a作为⼯质，⽽商⽤车(客车与轨道车辆等)多数采⽤R407C等作为⼯质。
在制冷⽅⾯, 对⽐R134a,R407C车辆空调系统不仅能够保证⼏乎相当的降温速度与制冷能效, ⽽且通常采⽤更⼩的压缩机与换热器, 对车辆设备轻量化具有重要意义。
随着新能源汽车的普及, ⼀个主要问题开始凸显: 即传统燃油车辆中存在充⾜的发动机余热可供冬季制热需求, 但新能源汽车中发动机余热的缺失导致冬季制热成为车辆制冷系统必须解决的重要问题。
为此, 学者开始针对R134a、R407C等系统的热泵制热性能展开研究。主要研究成果有如下⼀些：
（1）R134a热泵空调系统。类似于家⽤空调, 该车⽤空调热泵系统同样通过四通换向阀进⾏制冷与制热模式的切换, 在0°C 环境温度以上均可以较快地实现车厢制热的⽬的, 但运⾏⾄−15°C 时制热量已经出现了明显的衰减.
（2）搭建类似电动车热泵台架。实验结果显⽰, R134a⼯质在−5°C的环境温度下仍然具有较理想的制热COP, 但更低温度下的情况并未提及。
（3）R134a车载热泵系统。其在−10°C条件下的性能表现, 其制热COP和制热量可分别达到3.26及3.10 kW, 虽然COP值尚可, 但制热量已经严重衰减⾄不能满⾜车厢供热需求。
考虑到R134a及R407C热泵系统在较低环境温度下的制热量衰减问题, 常规R134a及R407C系统中通常需要增加压缩机转速或配备更⼤容量的压缩机来保证低环境温度下充⾜的制热量. 另⼀⽅⾯, 从提升循环制热COP的⾓度, 参考家⽤和商⽤热泵中的成熟技术, 本篇我们将利⽤膨胀罐或经济器等部件构建了中间补⽓型的系统结构形式, 并分别开展数值模拟和实验研究, 在⼀定程度上拓宽了R134a及R407C热泵系统在车⽤低温环境下的适⽤范围, 制热COP提10%左右. 然⽽, 考虑到复杂系统在⼯程应⽤上的难度, ⽬前⼤多数乘⽤车及商⽤车的实际执⾏⽅案仍然是常规 R134a 或R407C系统搭配PTC电加热进⾏协同制热, 甚⾄在−15°C以下的严寒环境中使⽤纯PTC加热，在节能和环保两⽅⾯均具有较⼤的提升空间.
制冷剂替代⽅案⼀：CO2
CO2作为⼀种天然⼯质, ODP为0, GWP为1, 环保⽆污染，1993年就被提出应⽤到汽车空调系统，但其因制冷效果不佳, 发展受阻. 近些年, 随着新能源汽车的发展, 其制热⽆发动机的余热利⽤, 跨临界CO2循环因其强劲的制热特性再⼀次进⼊⼤众的视野。
近些年, 学者纷纷针对CO2在车辆热管理领域的应⽤展开了充分的优化研究，结果表明：
（1）使⽤CO2⽋充和过充均会对系统性能造成较⼤衰减。
（2）在提升车⽤跨临界CO2热泵空调系统的紧凑性与轻量化过程中, 研究者开发并使⽤了跨临界CO2四通换向阀、集成化⽓分-回热器及各类微通道换热器等，结果发现跨临界CO2系统的制热能⼒提升⼗分明显, 在低⾄−25°C的低温条件下仍然能稳定充分供热, −10°C条件下的制热性能相对R134a依旧提升80%以上。
（3）针对车⽤跨临界CO2系统制冷性能⽐传统R134a系统稍差的劣势, 有学者提出了将CO2与R290、R41等制冷剂混合的⽅法, 使车⽤空调系统制冷性能提升20%以上，基本达到与R134a系统相当的状态。
凭借优异的环保效应、宽⼯况适应性及与车辆系统的兼容性, 近些年CO2制冷剂被⼴泛地推向新能源汽车、客车、轨道交通等领域, 并引起了学术界与⾏业界的⼴泛关注与总体看好. 不过, 受限于CO2制冷剂
独特的物性, 车辆热泵空调向CO2技术的转型需要对系统进⾏重新设计, 这也是限制该技术快速发展的主要掣肘。
制冷剂替代⽅案⼆：R123yf
R1234yf是美国杜邦公司和霍尼韦尔公司为R134a 量⾝打造的替代⽅案，其热物性与R134a相近，但 ODP=0, GWP=4, 环保性良好。
虽然研究显⽰, R1234yf制冷剂与传统R134a或R410A的惯⽤润滑油存在⼀定的兼容性问题, 但⽬前⾏业中替代常规R134a 制冷剂时, 只需将原本车辆热泵空调系统中的R134a制冷剂放空, 再重新加⼊R1234yf即可, ⽆须重新设计, 短期适⽤性最佳。
2008年, R1234yf⾸次被推向车辆热管理应⽤领域并得到了良好的效果, 结果显⽰, R1234yf系统的性能与R134a系统仅相差4%~8%. 因此,⾃2010年左右开始, 关于R1234yf热物理性质或两相流动特性的研究次第展开, 经过⼀段时间的发展, R1234yf向乘⽤车领域的推⼴逐渐形成规模。
但研究者发现：
（1）同样的热负荷需求下,R1234yf的制冷剂充注量相⽐R134a减少了10%左右;
汽车空调
（2）虽然充注量和压缩机排⽓温度均有所降低, 但R1234yf系统的制冷性能同样⽐R134a出现了4.0%左右的衰减
（3）针对环保性, 有学者指出, 单纯的低GWP与当量温室效应⽓体排放量低并不严格对等, 因此提出了全⽣命周期碳排放算法, 将制冷剂全⽣命周期过程的所有直接和间接碳排进⾏合并计算.结果显⽰, R1234yf全⽣命周期碳排同样低于传统R134a, 甚⾄低于制冷剂本⾝GWP更低的纯天然⼯质CO2。
因为属于新型制冷⼯质, 虽然R1234yf等HFO类制冷剂⾃推出以来在全球市场的响应⼀直都⼗分积极, 但长期使⽤过程中也逐渐暴露出⼀些安全性问题。
（1）近期R1234yf被认定为轻微可燃制冷剂；
（2）R1234yf溶于⽔可能形成三氟⼄酸等；
（3）最新的研究提出, HFO类制冷剂在⼤⽓中会分解产⽣CF3CHO (三氟⼄醛), 最终分解产⽣CHF3(HFC-23). HFC-23是⼀种强温室效应⽓体, 可能最终导致HFO类制冷剂的 GWP值进⾏重新评估；
（4）受限于美国公司的专利保护,R1234yf⾼昂的价格[83]也是⽬前限制其在国内⼴泛普及的主要问题。
制冷剂替代⽅案三：R290
R290(丙烷, CH3CH2CH3)同样属于天然⼯质, 其 ODP=0, GWP=3.3, 热物理性能参数与R134a 相近, 但标准沸点更低, 因此可以适⽤于更低的环境温度. 相⽐汽车空调常⽤的制冷剂R134a,
R290除了在环保性上具有更好的表现之外, 由于更⾼的⽓化潜热、更⼩的分⼦质量、更⾼的⼯作压⼒及⼯作密度, 可以⼤⼤减少车辆热泵空调系统中制冷剂的充注量, 更加符合轻量化、紧凑化原则。
有研究者针对R290替代R134a作为汽车空调循环⼯质的⽅案进⾏了分析和研究. 结果表明,
1、循环性能较弱。
虽然碳氢化合物类制冷剂在制冷剂当量碳排放⽅⾯具有重要优势, 但在循环性能上相较常规
R134a系统有5%~12%的衰减。
2、沸点低。
由于R290的标准沸点很低, 因此⽐较适⽤于低温环境以热泵制热⼯况运⾏, 在<−10°C环境温度下拥有远超R134a的制热性能表现, 甚⾄在−20°C的严寒条件下也拥有接近跨临界CO2热泵的制热COP,  是新能源汽车热管理系统的下⼀代备选制冷剂之⼀。
3、有安全隐患。
虽然R290的热物性及环保性良好，但安全等级仅仅为A3，属于可燃制冷剂，有安全隐患。⼀般需要构建⼆次循环，使R290制冷剂回路完全处于乘员舱外的发动机箱中，⽽借助其他安全的循环⼯质作为媒介讲冷量或热量带⼊乘员舱内，这也造成了循环效率的⼤幅度降低。
在此背景下，虽然很多学者研究并优化了R290在车辆制冷剂系统内的泄漏情况，或主张采⽤多元混合物制冷剂的⽅式降低R290的当量充注量，但可燃性⼀直是R290制冷剂最⼤的安全隐患。
制冷剂替代⽅案四：R410A和R32
1、R410A
应对新能源汽车冬季制热问题，R410A因制热特性优异也获得了⼀定关注，其ODP=0，但GWP 值⾼于2000，近些年⽐亚迪推出的搭载R410A热泵空调系统及R410A增焓式热泵空调系统的新能源乘⽤车。
使⽤效果证明，采⽤补⽓增焓⽅法的R410A热泵空调系统在冬季制热条件下具备⼗分突出的性能优势, 甚⾄可以在−20°C以上的低温环境下正常运⾏并提供⾜够制热量, 节省了PTC电加热功耗, 使电动车冬季续航⾥程有所恢复. 然⽽, ⽬前车辆领域采⽤R410A 的尝试⼀般只是为了借鉴其在家⽤领域的成熟技术, 从⽽作为车辆⾏业制冷剂的暂时性过渡替代物, 在当前车辆领域应⽤背景下不具有长远的前景。
2、R32
R32(⼆氟甲烷, CH2F2)同属碳氢化合物, ODP=0, 但GWP⾼达675, 在GWP普遍低于150的车⽤制冷剂的要求下，环保优势并不明显. R32常压沸点为 −51.6°C, 运⾏压⼒较⾼, 适⽤于低温制热⼯况, 但受制于微可燃性及较⾼GWP的固有属性，在汽车空调领域中的应⽤相对较少。
研究显⽰, 由于R32的低温制热性能与⾼温制冷性能均能达到较优良⽔平, 节省了很多低温PTC 电辅热耗功, 因此运⾏能耗较低, 间接当量碳排放较少, 从全⽣命周期环保性的⾓度来说, 也许是⼀种具备⼀定前景的制冷剂替代选择。
由于R32是R410A的组成成分之⼀, 但GWP显著低于R410A, 因此相对R410A系统,R32系统能够⼤幅降低当量CO2及 SO2的排放量，尤其将R32与GWP值很低的R744、 HFO类制冷剂混合使⽤后, 既能兼顾热泵空调系统的制冷与制热能⼒, ⼜能⼤幅降低混合⼯质的当量GWP 值，是⼀种值得深⼊研究的⽅案。
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