汽车空调系统是保障乘员舒适性和车辆部件可靠性的重要设备,其制冷剂的选用不仅影响空调性能和能耗,也会对大气臭氧层和温室效应产生一定影响[1]。随着全球环保意识的提高和新能源汽车的快速发展,车载空调制冷剂也经历了多次更迭。

我国于2021年9月正式批准《〈蒙特利尔议定书〉基加利修正案》,对氢氟碳化物(HFCs)的生产和消费提出了明确限制[2],传统汽车空调用HFC-134a面临加速退出的压力,亟需开发和应用临近零全球变暖潜能值(GWP)的新型制冷剂。新能源汽车搭载的热泵空调系统与传统汽车空调在结构和工况上存在显著差异,其制冷剂选型也面临新的挑战和机遇。

本文将在梳理汽车空调制冷剂演变历程的基础上,重点探讨新能源汽车用新型制冷剂的应用现状及发展趋势,以期为相关决策提供参考。

汽车空调自20世纪30年代问世以来,其使用的制冷剂主要经历了以下几个阶段[3]:

(一)CFC-12时期
20世纪30年代至80年代,以CFC-12(R12)为代表的氯氟烃类(CFCs)制冷剂在汽车空调中广泛使用。CFC-12性能稳定、不可燃,但臭氧层破坏潜能值(ODP)高达1。

(二)HFC-134a时期
为保护臭氧层,《蒙特利尔议定书》于1989年将CFC-12列为管控物质。90年代,HFC-134a作为过渡替代品在汽车空调中得到推广。HFC-134a的ODP为零,但GWP高达1430,仍是强温室气体。

(三)临近零GWP制冷剂过渡期
进入21世纪,《京都议定书》将HFCs列为削减对象。为进一步减缓全球变暖,以HFO-1234yf、R744(CO2)、碳氢化合物等为代表的新型制冷剂开始在汽车空调中试点应用,以替代HFC-134a。

总的来看,汽车空调制冷剂的发展是一个不断淘汰高ODP、高GWP制冷剂,开发和应用环境友好型新制冷剂的过程。这一趋势在新能源汽车热泵空调系统中尤为明显。

2016年10月,《蒙特利尔议定书》通过了《基加利修正案》,进一步限制HFCs的生产和使用,明确提出发达国家2019年、发展中国家2024年要削减HFCs使用量,至2047年基准线削减85%[4]。我国作为《蒙特利尔议定书》和《基加利修正案》的缔约方,于2021年6月正式批准《基加利修正案》,标志着作为HFCs之一的HFC-134a将加速退出汽车空调系统。

与此同时,以纯电动汽车为代表的新能源汽车正处于快速发展期。据统计,2021年我国新能源汽车产销量分别为354.5万辆和352.1万辆,同比增长均超过1.5倍[5]。新能源汽车由于不存在发动机废热,多搭载热泵空调用于车内制冷和制热。与传统汽车空调相比,热泵空调的系统结构更复杂,工况温度范围更宽,对制冷剂的选取提出了新的要求。

在现行国家标准GB/T 37839-2019《乘用车用空调系统》中,新能源汽车热泵空调推荐使用R1234yf、R744等新型制冷剂[6]。这些制冷剂具有ODP为零、GWP显著降低的特点,有利于削减温室气体排放,符合《基加利修正案》的要求。同时,考虑到新能源汽车热泵空调的系统匹配性,以及使用安全性、维修便利性等因素,R290(丙烷)作为天然工质,也在新能源车载空调系统中得到应用。

总体来看,在我国批准《基加利修正案》的大背景下,新能源汽车空调系统主要采用HFO-1234yf、R744、R290等新型制冷剂,逐步替代传统的HFC-134a。这一趋势不仅顺应了国际环保形势,也考虑了新能源汽车自身的技术特点,是汽车产业高质量发展的必然选择。

针对新能源汽车空调系统的用工况要求,目前应用和研究较多的新型替代制冷剂主要有R1234yf、R744、R290。下面从环保性、热力性能、安全性和经济性等方面,对这三种制冷剂与传统的R134a进行对比分析。

(一)环保性
1.ODP:四种制冷剂的ODP均为零,不破坏臭氧层。
2.GWP:R134a的GWP高达1430,R1234yf、R744和R290的GWP分别为4、1和3,接近于零,是真正的环保型制冷剂[7]。

(二)热力性能
1.R134a:临界温度为101.1℃,在新能源汽车高温工况下存在性能衰减风险。
2.R1234yf:临界温度为94.7℃,与R134a相近,换热性能相对较好,但在高温工况下也面临一定的性能衰减问题。
3.R744:临界温度31.1℃,低温制热性能优异,但在夏季高温环境下,系统效率下降明显,降低续航里程[8]。
4.R290:临界温度为96.7℃,节流损失小,制冷性能优于R134a,在车载空调领域应用前景良好。

(三)安全性
1.R134a:不可燃,毒性低,泄漏风险低,但车内泄漏时有窒息风险。
2.R1234yf:微可燃,毒性低,遇明火或高热表面可能会发生燃烧,但释放热量远低于R290。
3.R744:不可燃,无毒,高压系统,泄漏时有窒息风险,但无燃烧和爆炸隐患[9]。
4.R290:可燃,泄漏遇火源极易燃烧爆炸,车载应用需严格限量,并配备可靠的泄漏检测和防范措施。

(四)经济性
1.R134a:生产技术成熟,原料来源广泛,成本较低,但受政策限制,价格存在上涨预期。
2.R1234yf:专利垄断,生产厂家少,价格是R134a的8-10倍,直接导致车载空调系统成本大幅提高。
3.R744:天然气源,价格低廉,但系统结构复杂,生产和维修成本高。
4.R290:化石燃料提炼,价格较低,但需要进一步提纯,使用量受限,配套设施投资较大。
综合以上分析可以看出,R1234yf在环保性和热力性能方面优于R134a,但成本较高;R744环保、安全、经济,但在高温环境下性能衰减明显;R290环保、高效,但安全隐患大,配套成本高。因此,新能源汽车用替代制冷剂的选型需要系统权衡各类因素,既要减少温室气体排放,确保行车安全,也要兼顾性价比和维修便利性,难以做到"一剂良方"。