对R-474A在电动汽车热泵中的实验与理论研究：系统性能及与R-1234yf的比较

《Energy》：Experimental and Theoretical Investigation of R-474A for Electric Vehicle Heat Pumps: System Performance and Comparison with R-1234yf

　　**摘要**
作为一种超低全球变暖潜能值（GWP）的HFO混合物，R474A由R1132(E)和R1234yf组成，最近被前瞻性地视为适用于电动汽车热泵（EVHP）系统的制冷剂。然而，其系统级别的制热和制冷性能尚未得到全面评估。本研究通过实验调查了R474A在EVHP系统中的性能，并将其与R1234yf在制热和制冷条件下的性能进行了比较。进一步开发了一个热力学模型和经验COP（性能系数）预测框架，以评估实验结果并在相同运行条件下比较这两种制冷剂。结果表明，在-20至0°C的环境温度范围内，R474A的制热能力比R1234yf高出约40%；在30–40°C的温度范围内，其制冷能力高出约10–25%。在-20°C的环境温度下，使用R474A时最高出风口空气温度约为21°C，而使用R1234yf时仅为8°C，这表明R474A能够在不增加额外电加热的情况下更好地满足车厢加热需求。经验预测结果还表明，在大多数低温制热条件下，R474A的COP更高。在-15°C的环境温度和25°C的目标出风口温度下，R474A的COP约为1.8，而R1234yf的COP则低于1.0。热力学模型对制热和制冷能力、压缩机功耗以及COP的预测值与实验结果的偏差一般都在10%以内。这些发现表明，R474A在低温制热方面具有显著优势，是适用于EVHP系统的理想超低GWP制冷剂。

**引言**
电池电动汽车（BEVs）需要高效的热管理，以确保车厢舒适性和电池安全，同时不牺牲行驶里程[1][2]。与内燃机车辆不同，由于缺乏足够的发动机废热，BEVs的车厢加热高度依赖于电池能量，因此传统的电加热器会导致辅助功耗显著增加[3]。热泵提供了一个更有效的解决方案，并且在BEV热管理中变得越来越重要[4]。然而，其在低温环境下的性能仍受到很大限制[5]，冬季行驶里程的损失可能高达60%[6]。因此，制冷剂的选择和运行策略对于下一代BEV热泵系统的开发至关重要。
向低全球变暖潜能值制冷剂的转变进一步重塑了电动汽车热泵（EVHP）系统的发展方向。历史上，R134a因其良好的热力学性能和低成本而成为EVHP系统中的主导制冷剂。然而，其高全球变暖潜能值（GWP = 1430）越来越不符合严格的气候法规[7]。因此，替代R134a已成为一个重要的研究课题，主要通过两条路径实现：天然制冷剂和氢氟碳化合物（HFO）制冷剂及其混合物。在天然制冷剂替代方案中，R744因其超低环境影响（ODP = 0且GWP = 1）和良好的热物理性质而被广泛研究作为R134a的替代品[8]。然而，仍需进一步优化以在各种运行条件下实现满意的系统性能[9]。因此，已经研究了各种循环级和系统级的优化策略，包括运行压力优化[10]、充注质量优化[11][12]、室内侧优化[13]、喷射辅助膨胀[14]、 economizer蒸汽注入[15]以及二次循环配置[16]。比较实验研究表明，与R134a系统相比，R744系统在高温环境条件下具有相当的制冷性能，在低温条件下则显著提升了制热性能[17]。Wang等人进一步研究了R744热泵干燥机的不同空气循环配置，证明空气侧架构优化可以有效提高R744热泵系统的热性能和能源效率[18]。然而，R744系统的超临界运行及其固有的高工作压力增加了系统的复杂性，并对组件设计、压力控制和安全管理提出了严格要求[19]。
R290是另一种有前景的天然制冷剂，适用于EVHP系统[20]。已经研究了多种基于R290的EVHP技术，包括蒸汽注入配置[21]、用于电池热管理的热交换器优化[22]以及在多种气候条件下的热力学评估[23]。一项比较研究显示，与R1234yf系统相比，R290间接系统在-20°C的环境温度下制热能力提高了42.1%，COP提高了4.9%，并使行驶里程延长了7.2-20%[24]。然而，其高易燃性仍是其在汽车应用中的主要障碍，需要严格的安全导向系统设计[25]。
与此同时，由于R1234yf的超低GWP、零ODP以及与R134a相似的热物理性质，它已成为替代R134a的广泛采用的HFO制冷剂[26]。大量研究从不同角度评估了基于R1234yf的EVHP系统，包括热力学性能评估[27]、传热特性[28]、蒸汽注入增强[29]、压缩机兼容性和系统可靠性[30][31]以及电池热管理应用[32][33]。一项在寒冷气候条件下的42点稳态实验研究表明，R1234yf的制热能力通常比R134a低4-12%，但通过适当的系统优化，其COP可以变得与R134a相当甚至更高[34]。另一项实验表明，当R1234yf作为R134a的直接替代品使用时，在代表性运行条件下，其COP降低了20%，容积效率降低了5%[35]。在R1234yf EV热泵系统中使用集成蒸汽注入模块进行进一步优化后，最佳制冷剂充注量减少了15.2-37.1%，能量效率提高了5.3-12.5%[36]。因此，尽管R1234yf具有明显的环境优势，但其容量和效率方面的局限性以及与氟化制冷剂相关的新兴法规不确定性[37]，促使人们探索性能更优的替代低GWP制冷剂。

**制冷剂混合物**
提出了制冷剂混合物作为进一步提升系统性能的解决方案。例如，一项关于R1234yf/R134a混合物在EVHP系统中的实验研究表明，其制冷和制热能力与R134a相当，但在制冷模式下COP降低了4-9%，在制热模式下降低了4-16%，同时实现了近乎不可燃性和GWP低于150[38]。另一项实验研究了由R32和R1234yf组成的HFC/HFO混合物R454C在EVHP系统中的性能。结果表明，该混合物具有出色的制热和制冷性能，包括在35–45°C温度范围内的制冷能力为6.85–8.05 kW、最大制冷COP为3.08，以及比R290系统高19.2%的制热能力[39]。虽然这些制冷剂混合物可以降低GWP并在一定程度上平衡性能和安全性，但它们仍然存在一些权衡，包括COP下降、残留的HFC相关环境问题、轻微的易燃性以及对压缩机-热交换器匹配的更高要求。因此，一种能够提供比R1234yf更高容量、同时保持超低GWP、可接受的安全性和与现有汽车热泵硬件兼容性的制冷剂仍然非常受欢迎。
R474A是一种基于R1132(E)和R1234yf的制冷剂混合物，最近被前瞻性地视为适用于EVHP系统的理想超低GWP候选者。R474A专门为电动汽车开发，旨在提供比R1234yf更高的制热和制冷能力，同时保持超低GWP。添加R1132(E)提高了制冷剂的蒸气压并增强了其容积容量，这特别有利于低温运行。然而，目前对R474A的了解仍有限，现有研究主要集中在材料级性能上，如兼容性、热稳定性和与润滑剂的混合性[40][41]。本研究通过实验和理论方法评估了R474A的制热和制冷性能，并通过直接在EVHP系统中的比较评估了其作为R1234yf替代品的潜力。系统地评估了关键性能指标，包括运行特性、制冷剂充注行为、制热和制冷能力、压缩机功耗以及COP。观察到的性能差异进一步基于热力学原理进行了解释。这些结果为评估R474A作为下一代EVHP系统中R1234yf的低GWP替代品的可行性提供了实验依据。

**实验设置**
图1展示了R474A测试装置，该装置旨在模拟实际的EVHP系统并在制热和制冷条件下维持可控的车厢温度。图中所示，装置包含一个涡旋压缩机（COMP）、一个室外热交换器（OHEX）、两个室内热交换器（EVAP和ICOND）以及两个用于调节制热的电子膨胀阀（EXVs）。

**制冷剂充注量的影响**
首先根据系统性能确定R474A和R1234yf的适当充注量，如图4和图5所示。考虑了制热和制冷两种条件。对于每种制冷剂，测试系统使用真空泵将压力抽至约-0.095 MPa并保持超过30分钟，以去除之前测试中残余的制冷剂和不可凝气体。抽空后观察到压力变化微不足道，证实...

**结论**
本研究通过实验和理论方法调查了R474A作为EVHP系统中R1234yf潜在替代品的性能。主要结论如下：
(1) R474A和R1234yf表现出相似的充注量依赖性能趋势，两种系统的充注量均选为450克。在-20至0°C的环境温度范围内，R474A的制热能力比R1234yf高出约40%。

**作者贡献声明**
Zhong Shuo：撰写——审稿与编辑、软件、方法论、研究。
Jiang Jiatong：撰写——审稿与编辑、软件、方法论、研究。
Jin Xiao：撰写——审稿与编辑、可视化、验证。
Liu Haoran：撰写——初稿、验证、资源、方法论、研究、概念化。
Negishi Yasutaka：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、方法论。
Hu Zunyan：撰写——审稿与编辑、可视化、验证。
Li Shuhao：...

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

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**生成式AI使用声明**
在准备本文的过程中，作者使用了DeepSeek进行语言翻译。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对发表文章的内容负全责。

**致谢**
本研究得到了中国国家自然科学基金会（项目编号52406021）和中国国家重点研发计划（项目编号2024YFE0213000）的支持。
Liu Haoran | Zong Shuo | Jiang Jiatong | Jin Xiao | Negishi Yasutaka | Hu Zunyan | Li Shuhao | Wang Hewu
清华大学车辆与 mobility 学院，北京，100084，中国