纯电动汽车空调全生命周期气候性能评估∗

张子琦，潘乐燕，王天英，陈江平

纯电动汽车空调全生命周期气候性能评估∗

张子琦1，潘乐燕2，王天英2，陈江平1

(1.上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240； 2.上海汽车集团股份有限公司乘用车公司，上海 201804)

鉴于空调的能耗性能对电动汽车的环保性能有重大影响，建立了纯电动汽车空调全生命周期性能评估(LCCP)模型，并选取了国内4个典型气候城市进行了空调系统的全生命周期气候性能评估。结果表明:不同气候条件下空调的LCCP性能差别显著；直接当量CO2排放值约占排放总量的11%～35%；而间接排放约占排放总量的65%～89%.

电动汽车；空调；全生命周期气候性能

前言

汽车在为人类生活带来极大便利的同时也造成了大量的温室气体排放。据统计[1]，2010年道路运输所造成的温室气体排放约占全球温室气体总排放量的19%左右。如何提高汽车的能源经济性、降低其温室气体排放已成为各国研究和政策制定的重点。

汽车空调在保证驾驶安全性和舒适性方面起到了非常重要的作用，因而也得到了广泛的普及。2010年[2]，全球约80%的车辆都已配备空调。作为汽车中能耗最大的辅助设备，汽车空调的能耗将对整车能源的经济性和温室气体的排放造成极大的影响[3]。

尽管由汽车空调内氢氟碳类制冷剂泄漏引起的温室气体排放仅占全球温室气体总排放中非常小的一部分，其快速增长的趋势仍然引起了世界范围内的广泛关注。为进一步降低温室气体的排放量，欧盟已出台了相应的法规[4]来限制汽车空调制冷剂的GWP值。中国、美国等[5]温室气体主要排放国家也在相应制定政策，积极限制氢氟碳类温室气体的排放。

除由制冷剂泄漏之外，汽车空调的生产、运行和报废回收都会消耗一定的能源，从而造成温室气体的排放。因此，准确评估汽车空调在其生命周期内的气候性能(life cycle climate performance，LCCP)，对于充分挖掘汽车空调的减排潜力和制定正确的政策与法规意义重大。

在燃油车中，对汽车空调的全生命周期评价已经开展了较多的工作。由文献[6]中开发的燃油车中汽车空调全生命周期模型GREEN-MAC-LCCP已得到了世界范围内的广泛应用，并已成为了美国汽车工程师协会的相应标准(SAE J 2766)。然而，在电动车中的相应研究还几乎没有。文献[7]中从消费者视角对电动客车的全生命周期成本进行了分析，然而其中涉及客车空调的能耗分析非常模糊，仅给出了大致的能耗估值；文献[8]和文献[9]中等对比了纯电动汽车、燃油车和插电混动汽车的全生命周期气候性能，但其中对电动汽车空调的能耗仍采用大致估算的方法。因此，提出一种针对纯电动汽车空调的全生命周期气候性能评价模型非常必要。

本文将从现有的燃油汽车空调的LCCP模型出发，根据燃油车空调和纯电动汽车空调中的异同对现有模型进行改进；模型建立后，将结合具体的实验数据来计算纯电动汽车空调制冷系统全生命周期的气候性能，为相关研究和政策制定提供参考。

1 纯电动汽车空调LCCP模型的建立

1.1 模型结构

根据造成排放的原因不同，纯电动汽车空调在生命周期内的当量温室气体排放Me可分为直接排放和间接排放:

Me＝Mde＋Mie

式中:直接排放Mde由制冷剂直接泄漏进入大气造成，主要由空调系统的常规泄漏、非常规泄漏(如由事故造成的泄漏)和回收泄漏构成；间接排放Mie由汽车空调系统产生的能耗构成，其主要包括各个系统部件的生产、报废、运输、回收造成的能耗及空调系统运行的能耗构成。模型中的各个参数及关系如图1所示[10]。

在此模型中，各类直接排放和间接排放中由空调系统生产、运输和回收消耗能源所造成的排放通过统计数据得到，具体参见文献[6]和文献[11]；由空调运行消耗能源所造成的排放则通过台架实验数据(按SAE J2765所规定工况)拟合不同气候和行驶工况下空调的年均能耗得到。

图1 LCCP模型计算流程

对比燃油车和纯电动汽车可知:在直接排放部分，两种汽车的空调系统的管路接头相同，因此直接排放的部分应无显著差别；在间接排放部分，由制冷剂的生产、回收和运输过程中产生的能耗、不同城市的气象参数和由用户习惯所决定的空调开启时间也与车辆类型无关。因此，上述模型部分对于电动汽车和燃油汽车完全相同，模型可以通用。对于这几部分的计算，可参考文献[6]和文献[11]，此处不再赘述。

两种汽车空调的主要区别在汽车空调运行能耗所造成的间接排放部分。在燃油汽车中，车辆的能量来源于化石燃料燃烧提供的能量，通过内燃机转化为机械能后带动空调压缩机运转；对于燃油车空调系统内其他耗电的辅助器件(如冷凝器风扇、鼓风机等)则由内燃机带动发电机，将机械能再次转化为电能进行供能。而在纯电动汽车中，所有空调部件都直接通过电池提供的电能供能，因此二者的能量转化效率不同。此外，由于燃油汽车中空调压缩机由内燃机直接带动，因此压缩机的转速与内燃机的转速相互耦合；而在电动汽车中，压缩机转速与电动机的转速无直接关系。此外，在电动汽车中，电机的表面温度[12]远低于内燃机表面温度，因此在怠速工况下空调冷凝器的进风温度低于同工况下的燃油车空调系统。在建立纯电动车空调系统LCCP模型时，必须考虑上述区别对模型的影响。

1.2 纯电动汽车空调系统运行能耗模型

1.2.1 模型假设

由于空调系统的能耗与压缩机转速相关性很强，为建立能耗模型，首先应该找出纯电动汽车中压缩机转速与车速的关系，为此做了如下假设。

(1)在纯电动汽车空调系统运行过程中，需为车室内提供足够的冷量。为此，蒸发器出口风温应满足一定的要求。在燃油车LCCP模型中，该温度参照SAE J2765进行设置。在纯电动汽车空调系统的台架实验中，也应达到相同的温度。即应调节电动压缩机转速，使蒸发器出口风温满足SAE J2765要求。在高负荷工况下，若无法满足标准要求，则压缩机调节至最高转速；在低负荷工况下，压缩机转速的调节应优先避免蒸发器出现结霜现象。

(2)流经蒸发器的风量和车速之间存在一定的关系。根据文献[13]，在不同鼓风机风量和新风风门模式下，流经蒸发器的风量和车速之间都是线性关系。

(3)由于电机表面温度远低于内燃机表面温度，故在纯电动汽车的怠速工况下，流经空调冷凝器的风温与环境温度相同。

由假设可知，为满足不同车速下(即不同蒸发器风量下)蒸发器出口风温都能满足SAE J2765要求，压缩机转速应进行相应调整。由此即可通过台架实验确定不同工况下的压缩机转速、系统制冷量和能耗。

1.2.2 车速与蒸发器风量之间的关系

文献[13]中使用SF6浓度衰减法测量了不同车型及行驶里程的车辆中车内新风量和车速的关系。为使模型更具普遍性，本文选取其测量结果的平均值建立蒸发器风量与车速之间的关系:

Qv＝0.5629u＋265.34

式中:Qv为蒸发器风量，m3/h；u为车速，km/h。

1.2.3 SAE J2765工况的修正

根据上节中所得到的车速与蒸发器风量之间的关系，可对SAE J2765中所规定的测试工况矩阵进行修正。修正后的测试工况矩阵如表1所示。本次测试选取目前市面上某款乘用车的空调系统进行，其制冷剂为R134a。

表1 修正后的SAE J2765测试矩阵

2 台架数据收集

2.1 实验台介绍

焓差台由室内侧和室外侧两个环境舱构成，如图2所示。每个环境舱都具有独立的环境控制机组，可自动调节环境舱内的干、湿球温度。通过换热器的风量由风洞内的变频鼓风机提供，风量由风洞后喷嘴两侧的压差计算。在蒸发器和冷凝器的进出口布置有温度、压力传感器组，以测量换热器两侧的流动状态；在过冷段布置有质量流量计，以测定系统内的制冷剂流量，从而结合焓差和质量流量计算换热器的换热量；在换热器空气侧两侧布置有干/湿球温度计，以测量换热器进出口的空气状态，并结合喷嘴测量的风量值计算空气侧的换热量。压缩机由直流稳压电源供电，其输入的电压、电流值可由电源直接采得。压缩机的转速根据生产商提供的控制器控制。

图2 汽车空调焓差台示意图

实验台中的所有参数均可通过PID算法实现自动控制。各测量参数的测量范围与精度如表2所示。

表2 测量参数的精度与范围

2.2 系统部件参数

此次评估的系统选取某国产品牌轿车的空调系统。其系统部件参数如表3所示。

表3 系统部件参数

2.3 测试工况

台架实验的工况如表1所示。台架系统充注量按SAE J2765中规定进行，压缩机转速选取3 500r/min，系统充注量为850g。

在进行系统性能实验时，压缩机的转速根据系统蒸发器出口的风温确定，具体确定方法参见1.2.1节中的模型假设。

3 LCCP模型输入

3.1 部件质量信息

在LCCP模型中，由生产、运输、报废和回收空调系统所造成的间接排放可通过空调系统中各种材料的质量进行计算。由于无法获取详细的部件材料质量清单，本文将对空调系统中各种材料的质量进行估算:

mi＝mpart×φi

式中:mi为空调部件中某种材料的质量，kg；mpart为该部件的总质量，kg，由实际的空调部件承重得到；φi为该部件中此种材料的质量分数，取文献[11]中的数据。该系统制冷剂的充注量根据空调系统生产商给出的数值确定为650g，空调系统制冷剂年泄漏量按照文献[6]中给出的公式进行估算。设定泄漏量超过200g时空调系统需要维护[11]。系统各部件质量如表4所示。

表4 系统各部件质量

此外，空调系统本身质量会使车辆在运行时多耗费一部分的能量，此部分造成的排放为空调系统的运输排放。由于缺乏电动车中的统计数据，该部分排放由燃油车中相应排放结合内燃机效率、汽油热值及汽油生产和燃烧产生的当量CO2排放折算而得。

3.2 系统能耗信息

为计算空调系统在生命周期中由运行能耗所造成的温室气体排放，需要在模型中输入台架实验的结果。其中，系统的制冷量和能效比如图3所示。由此可计算由压缩机运转所造成能耗的间接排放。系统中其他部件(如鼓风机、冷凝器风扇等)的能耗取原有模型中的默认值。该默认值由统计得到，具体参见文献[11]。

图3 台架实验结果

在计算电能消耗所产生的当量CO2排放时，采用国家发改委公布的2014年中国区域电网基准线排放因子进行计算，取各个区域的均值[14]。

3.3 城市工况选取

不同城市的气候环境及行驶工况不同，将会直接影响空调开启时间和工作性能。为对比不同气候条件的影响，本文中选择哈尔滨、北京、上海和香港作为分析对象。所选城市在不同温度区间内的年空调开启时间见表5。

表5 不同城市年空调开启时间

汽车平均寿命按15年计，行驶里程根据文献中给出的统计数据确定。

4 电动汽车空调系统LCCP模型计算结果

根据前面所建立的电动汽车空调LCCP模型，可计算电动汽车空调的全生命周期排放如图4所示。

图4 不同城市电动汽车空调全生命周期性能

比较不同城市的电动汽车空调全生命周期当量CO2排放可知，随城市气候条件不同，全生命周期当量CO2排放将出现明显的区别。随城市的不同，直接当量CO2排放占总当量CO2排放的比例为11.1%～35%；间接当量CO2排放占总当量CO2排放的比例为65%～88.9%。

对比结果可知，由制冷剂泄漏所造成的直接排放区别相对较小。在所分析的4个城市之中，哈尔滨的直接当量CO2排放最低，为1 003.11kg；香港的直接当量CO2排放最高，为1 310.46kg。直接当量CO2排放的区别主要是由于年均汽车空调运行时间的不同而导致系统制冷剂的泄漏量发生了微小的变化，从而造成直接当量CO2排放出现波动。

与直接当量CO2排放相比，间接当量CO2排放在城市之间的差别则更加明显，且与年均空调运行时间呈现正相关关系。比较表5和图4可知，随着年空调开启时间的延长，由空调系统运行所导致的间接当量CO2排放随之增加；且高温度区间内的时间越多，间接当量CO2排放的增量越大。各个城市之间，由空调系统的生产/运输/回收产生的间接排放相同，且占整个间接排放的比例仅为0.91%～5.1%之间；其余部分均为空调系统运行能耗所造成的间接当量CO2排放，占总间接当量CO2排放的94.8%～99.1%，占全生命周期总当量CO2排放的64.9%～88.9%。由此可见，间接排放占全生命周期排放的主要部分，而由于系统制造和运输所造成的排放比例非常小。因此，通过增加额外部件(如回热器等)来提高系统效率的方法，对降低全生命周期排放而言是有利的。此外，选用低GWP制冷剂(如R1234yf等)可有效降低系统的直接排放。

与文献[10]中的计算结果相比，纯电动汽车空调制冷系统的全生命周期排放明显低于燃油车。差别主要来自于系统运行所造成的间接排放。这是由于在纯电动汽车中，其能量由电池直接提供，能量转换效率比燃油车高；且纯电动汽车空调制冷系统中电动压缩机能更好地匹配乘客舱所需要的制冷量，其能耗也比燃油车空调低。

5 结论

本文中根据电动汽车空调特点建立了电动汽车空调全生命周期气候性能的评价模型，并选取国内不同气候下的4个典型城市进行了分析，可得出以下结论:

(1)在不同城市中，由于气候条件的不同，电动汽车空调的全生命周期当量CO2排放值的差别较大；主要是由于不同气候条件下空调运行能耗不同所致；

(2)直接当量CO2排放值随气候变化不明显。在所分析的城市中，直接当量CO2排放值占排放总量的11.1%～35%；

(3)间接当量CO2排放值受气候影响非常明显，且占排放总值的主要部分。其中，由空调系统制造/运输/回收引起的间接排放相对总值所占比例非常小，而由空调能耗引起的间接排放占全生命周期总当量CO2排放的64.9%～88.9%。

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Zhang Ziqi1，Pan Leyan2，Wang Tianying2＆Chen Jiangping1

1.Institute of Refrigeration and Cryogenics，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240；2.SAIC Motor Corporation Limited，Shanghai 201804

In view of the significant effects of the energy consumption performance of mobile A/C system on the environmental protection performance of electric vehicles，an assessment model for the life cycle climate performance(LCCP)of A/C system in battery electric vehicle is set up and four cities in China with typical climate are chosen to conduct an assessment on the LCCP of A/C system.The results show that the differences in the LCCP of A/C system are significant under different climate conditions，the direct equivalent CO2 emission accounts for 11%～35%of total emission，while the indirect emission accounts for 65%～89%of total emission.

electric vehicle；A/C system；life cycle climate performance

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.08.017

∗上海市高效冷却系统工程技术研究中心资助。

原稿收到日期为2016年8月5日，修改稿收到日期为2016年10月24日。

陈江平，教授，E-mail:jpchen＿sjtu＠163.com。

Life Cycle Climate Performance Assessment of A/C System in Electric Vehicles