大众ID.4二氧化碳（CO2）热泵系统解析
文章来源： 汽车热管理公开课
发布时间：2021-03-13
本文将针对ID.4的CO2热泵空调进行相关解析。
一汽大众1月19日正式发布ID.4 CROZZ车型参数，上汽大众紧随其后正式公布旗下全新紧凑型纯电SUV ID.4x。从官方公布的信息来看，上汽大众ID.4x的NEDC综合工况续航里程分别为402km、520km、555km。相较于Model3，ID.4x做到了空间相仿，续航更长，价格更低。与此同时ID.4全系可以选装CO2热泵空调，进一步提升低温续驶里程，欧洲选装比例已达到80%以上，本文将针对ID.4的CO2热泵空调进行相关解析。
制冷剂回路
1.采用CO2作为冷媒，充注量420g左右，相对传统冷媒，制冷剂量大大降低；
2.ID.4热泵空调架构主要采用直冷/直热架构，制冷蒸发器与热泵冷凝器直接进入乘员舱对乘员舱内，配合舱内空气侧高压PTC实现对乘员舱温度的调节；
3.为实现制冷和热泵的冷媒换向，采用电磁阀（Vavle）和电子膨胀阀（EXV）的组合方式对制冷剂回路进行控制，有意思的是，ID.4x热泵空调架构中EXV1为双向电子膨胀阀；
4.在乘员舱和电池混合制冷的模式下，电池chiller前的EXV主要用于制冷剂流量的分配。
水路方面
1.电池与电机回路通过三通阀（TV）的切换可实现水路的串联和并联，使得电池散热可以采用自然散热和主动制冷两种方式；
2.低温情况下，采用水路热力阀（TRV）旁通散热水箱（Raditor）利用电机余热对电池进行加热，降低电池制热模式下对水路高压PTC的需求，进一步降低整车热管理能耗，提升低温续航；
CO2具有较低的GWP，相对`于现有的R134a，其温室效应贡献几乎可以忽略，2016年《巴黎气候协定》明确指出长期目标是将全球平均气温较前工业化时期上升幅度控制在2°C以内，并努力将温度上升幅度限制在1.5°C以内*。因此，欧洲相关国家随即出台法规规定要禁用CFC类工质，CO2作为自然工质再一次登上最佳制冷剂的领奖台。
7.38MPa、31.1°C的临界点使得其在众多制冷剂中成为较容易达到超临界状态的工质，超临界状态是一种间于气态和液态之间的一种单相相态，具有气体的流动特性和液体的换热特性，堪称如丝般丝滑，使得其在热泵循环的冷凝换热中占据优势；
由于CO2低温蒸发压力明显高于其他工质，避免像其他CFC类工质一样在低温热泵循环中吸气负压（<1atm）;同时其饱和压力相对于饱和温度的变化斜率要高于其他CFC类制冷剂，因此相同蒸发温度下，CO2的热泵循环压缩机压缩比更高，导致排气温度相对于其他CFC类制冷剂更高，这促使在低温环境下，CO2热泵循环的出风温度更高，从而满足低温工况的采暖需求。
1.采用混合工质在保证热泵制热性能的同时，提升制冷循环的COP；——难点在于混合工质的稳定性及泄露导致的系统运行故障问题；
2.扩大冷凝热散热能力，增加冷凝器换热面积/换热效率/Coolingfan能力，从而提升CO2制冷循环的制冷能力；
3.引入板式换热器，通过水路切换完成制冷剂的工作循环变化，降低对高压阀件的依赖，提升系统可靠性，降低使用成本；
4.参考于Model Y的集成平台化思路，用于CO2的集成热管理系统也会是部件平台化的重要解决方案，由于系统运行压力较高，集成化部件可大大降低系统密封难度，促进CO2系统的大规模量产。
作为一名曾经参与过CO2研究的工科小弟，看到CO2热泵系统的量产还是有一些激动的，被人们遗忘的工质再次发挥的他的价值，这是自然工质的魅力所在。虽然目前CO2系统成本相对较高，但是成本总是辩证的；真正的问题在于，在新型的动力电池不断刷新新能源车续驶里程的上限的背景下，热泵循环引入的价值是否得到消费者的认同？希望CO2的应用不是短暂的资本噱头，但愿星光背后有真正环保意识的坚持。
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