R1234yf在新能源电动车热泵空调系统的安全应用研究

2021-08-05汪琳琳焦鹏飞牟连嵩刘双喜

汽车实用技术 2021年14期

汪琳琳，焦鹏飞，王伟，牟连嵩，刘双喜

（1.天津大学机械工程学院，天津 300072；2.中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司，天津 300300）

前言

温室效应使地球表面的温度上升，氟利昂等制冷剂的使用对此有着重要的影响。汽车空调是泄漏到大气中制冷剂的主要来源之一。R134a是全世界的汽车空调供应商采用的主要制冷剂，其全球变暖潜值GWP高达1 420。根据《京都议定书》、美国温室气体相关法规和欧盟 F-gas法规的要求，在主要发达国家地区已开始了对R134a的逐步消减和限控。随着《蒙特利尔议定书》基加利修正案的签订和生效，和响应国家2030碳达峰与2060碳中和的目标，新型环保制冷剂替代在我国开始受到了关注，从2024年开始对R134a实施冻结并逐步消减。

制冷剂的替代不仅考察热物性，安全性如毒性、可燃性及其对应措施也是必须考察的因素。本文总结了国内外对R1234yf安全性相关的研究，针对汽车热泵空调系统，分析了2种不同车型的电动汽车乘员舱空间对应的制冷剂充注量限值。建议如果充注量超过限值应采取警报和自动开启汽车外循环新风系统。

1 国内外关于R1234yf危险性研究

1.1 R1234yf热物性

R1234yf作为R134a的替代制冷剂之一，其GWP为4，文献[1-2]列出了2种制冷剂的物性对比。由于R1234yf物性与R134a相近，在汽车空调上只需对零部件与系统进行适当优化便可直接替代 R134a使用。已有理论与试验对制冷剂R1234yf与 R134a热泵空调系统性能进行了对比分析研究[3-6]，R1234yf热泵空调系统的制热、制冷量与COP比R134a低10%以内。

1.2 生成HF有毒气体

HF属剌激性有毒气体。霍尼韦尔和杜邦对 R1234yf进行了毒性检测[7]，认为R1234yf属于低毒类化学物质，当吸入时可引起嗜睡和注意力不集中，头晕眼花，眼睛、皮肤和呼吸道系统不适。

R1234yf在燃烧时产生 HF毒气体也有相关研究。2010年6月德国联邦材料研究与测试所（BAM）发布了R1234yf点燃情景的最终试验报告[8]，声称 R1234yf暴露于点火源后会生成有毒HF气体。朱明善等[9]指出，在汽车空调中 R1234yf由于热分解和燃烧所生成的HF浓度超标导致危害人身健康的大风险事故率与R134a的属于同一数量级。影响实际燃烧产物HF浓度的因素有三种[10]：（1）与燃烧反应程度有关；（2）与实际燃烧反应过程机理复杂有关；（3）与反应的周围环境有关。冯彪等[10]自主设计并搭建了封闭环境下反应、泄压、稀释和浓度测试连续系统。测试结果表明，试验环境温度为27～30℃时，R1234yf的可燃极限范围为8.2%～11.5%；在温度为 26～30.5℃时，在可燃极限范围内，随着 R1234yf浓度的增加，燃烧产生的HF浓度先增加后减少，HF浓度危险峰值为18.3 ppm。

1.3 可燃性

R1234yf被美国采暖、制冷和空调工程师协会（ASH-RAE）评定为A2L，具有轻微的可燃性。相较于其他制冷剂来说，R1234yf具有更低的燃烧区域、燃烧速度和更高的点燃能量，R1234yf的可燃性最小[11]。

对于汽车空调，人们主要关注发动机和乘客车厢内部发生火灾的风险。霍尼韦尔公司的科研人员设计了钢板实验及车厢内明火点燃实验。将钢板加热至一定温度，观察R1234yf是否出现可燃现象。结果表明，在550 ℃及800 ℃的钢板实验情况下，均未出现燃烧现象。在900 ℃情况下，如果泄漏的R1234yf伴随有压缩机润滑油是可燃的。并且其因泄漏而导致的起火情况可以忽略。针对汽车空调的可燃事故风险分析，文献[12]得出了每单位车辆单位行驶小时内，可燃风险率为10-14量级。这个概率大致相当于每年行驶500 h的全美2.5亿辆客车，每百年才发生1次可燃的危害事故。

Rui Zhai等[13]研究了R1234yf在不同湿度下的可燃极限，并探究了湿度对可燃极限的影响方式。随着湿度的增加，R1234yf的可燃极限区间在增加。为了减小制冷剂的可燃极限范围，Biao Feng等[14]测试了常温常压下R227ea和R134a作为阻燃剂对R1234yf的影响。实验结果显示R227ea对于R1234yf的阻燃效果优于R134a，加入阻燃剂能降低R1234yf的燃烧速度。

尽管如此，因为具有可燃性且燃烧后的生成物具有毒性，欧盟一些车企还是对R1234yf存迟疑态度。采用了热泵空调系统和电池液冷却的新能源电动汽车，系统所需制冷剂的充注量增加。如果制冷剂在乘客车厢内发生泄漏，车内制冷剂浓度比传统车高，此时乘客如果使用明火，就有可能导致R1234yf在乘员舱内燃烧。因此，需要对新能源汽车热泵空调系统的制冷剂可燃性及其如充注量、湿度等影响因素进行进一步研究。

2 汽车空调用微燃制冷剂R1234yf充注量限值

一辆A级相当车或者小SUV，传统空调充注量在450~550 g，B级车充注量620 g。对于采用热泵空调系统并利用系统液冷冷却电池的电动汽车，热泵空调系统的制冷剂充注量在1 000~1 300 g（标准热泵—10 ℃），间接热泵比直接热泵空调系统充注量多，带喷气增焓的热泵系统多需要加 200 g。表1是几种车型的制冷剂充注量。较传统汽车空调系统制冷剂充注量增加了400∼800 g。相比传统汽车空调系统，如果热泵空调系统制冷剂在乘员舱泄漏，会增加乘员舱制冷剂的浓度，如果遇明火风险就会加大。有必要分析制冷剂充注量、制冷剂泄漏与可燃危险的影响和关系。

表1 2种车型的制冷剂充注量

然而，国内外并没有任何相关标准对汽车空调制冷剂的充注量进行限制规定。我国国家标准GB/T 9237-2017《制冷系统及热泵安全与环境要求》[15]中对房间空调器采用不同安全级别可燃制冷剂的制冷系统的安装场所及充注量进行了规定。本文参考此标准对房间空调系统的使用空间和安装场所的分类，找到与汽车空调相同的使用空间和安装场所，根据相应的计算方法，对汽车空调采用可燃制冷剂时的充注量进行了计算与分析。

文献[15]列出了以毒性等级为 A规定制冷系统制冷剂充注量的限值和以可燃性等级为2 L规定制冷系统制冷剂充注量的限值。使用空间类别按照b进行分类，即提供给有限数量的人聚集。安装场所类别按照第Ⅱ类机械设备安置在使用空间进行分类，因为压缩机一般安装在汽车的前端车厢内，认为汽车空调系统属于压缩机在机房或露天空间。由表4可见，以毒性规定时，汽车空调系统无充注量限值。只需要根据表5以可燃性等级为2 L规定计算制冷剂充注量。

可燃性等级为2 L级制冷剂R1234yf，由于燃烧速度较低，着火风险也较低，封顶系数可提高1.5倍。根据文献附录B查制冷剂R1234yf的LFL值为0.289 kgm-3。系统制冷剂充注量限值计算式：

式中：m1为系统中制冷剂充注量限值，单位为kg；V为乘员舱空间体积，单位为m3；LFL为制冷剂可燃性下限，单位为kgm-3。

根据标准，当使用2 L类制冷剂而充注量大于m1时，可采取式（2）来确定一个房间的最大充注量：

式中：mmax为房间中最大允许制冷剂充注量，单位为kg；A为房间面积，单位为m2；h0为安装高度，单位为m。根据建议高度，所有制冷系统的安装高度采用0.6 m。

如果式（2）值较大，则采用式（3）根据最小房间面积计算系统中制冷剂充注量m2：

式中：m2为按最小房间面积计算系统制冷剂充注量限值，单位为kg；Amin为最小房间面积，单位为m2。

制冷剂充注量单位是 kgm-3，如果考虑用在汽车，应是排除车内部件与乘客的车内容积。参考以上标准及计算公式，分析并计算三款不同车型的纯电动汽车乘员舱空间对应的制冷剂R1234yf充注量限值。图1是乘员舱不含座椅、仪表盘等实际可使用空间体积的截面示意图。

图1 汽车乘员舱不含座椅等截面积示意图

表2是按照无人、含司机一人、含乘客四人的汽车实际使用空间体积，汽车乘员舱面积、汽车乘员舱最小面积，根据公式（1）～（3）计算的制冷剂充注量限制。采用对象乘用车A00级和A级车型进行分析。由于标准GB/T 9237-2017是按照机房规定的制冷量充注量限值，而对于乘用车而言，由于乘员舱体积与面积比较小，因此表 2计算结果mmax与m2比m1的值小。乘用车的制冷剂充注量限值用m1值进行分析。将计算结果与表1现有国内汽车制冷系统制冷剂充注量进行对比可见，对于单冷系统，车型A00与A级的制冷系统制冷剂充注量约为计算充注量限值m1的三分之一。对于采用热泵空调系统的A级车，尤其是间接制热系统的制冷剂充注量最高达到1 300 g，与计算有四人乘客的热泵系统制冷剂充注量限值m1基本接近。由此可见，乘用车采用可燃制冷剂R1234yf热泵系统时，制冷剂充注量是必须考虑的可燃危险因素之一。