在制冷剂替代方案中，CO 凭借优异的环保效应、宽工况适应性及与车辆系统的兼容性，引起了学术界与行业界的广泛关注与总体看好。
随着新能源汽车的发展，其制热无发动机的余热利用，跨临界CO 循环因其强劲的制热特性受到了越来越多的重视。
01
CO 热泵为何被看好？
碳中和背景下，第四代制冷剂（天然或HFO类低GWP制冷剂）因其卓越性能与环保性成为第三代HFC制冷剂的绿色替代方案，但这些替代方案各有其优缺点（参见《下一代新能源汽车制冷剂，谁是主角？》），现阶段对于下一代制冷剂的选取仍存争议。
其中，CO 凭借优异的环保效应、宽工况适应性及与车辆系统的兼容性，引起了学术界与行业界的广泛关注与总体看好。
CO 是天然制冷剂，化学性质稳定，作为制冷剂的安全等级为 A1，其ODP为零，GWP仅为1，对环境影响极小。其实早在1993年，国际制冷学会便提出将CO 应用于汽车空调系统，因制冷效果不佳，发展受阻。近些年，随着新能源汽车的发展，其制热无发动机的余热利用，跨临界CO 循环因其强劲的制热特性受到了越来越多的重视。
在家用领域方面，国外CO 热泵在日本、美国、丹麦等国已有较多的应用。在汽车领域，2013年大众集团宣布未来旗下全部车型将都使用CO 作为制冷剂，2021年在纯电MEB平台中多款车型配备了CO 热泵空调，拉开了大规模车载应用的序幕。
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随着大众MEB车型可选配套CO 热泵，未来更多车企也将加入CO 热泵的队伍。中信证券预计，2025年新能源车领域将配套约460万套CO 热泵，对应市场空间约360亿元。
02
跨临界CO 热泵及其优化
CO 与传统制冷工质热物性有很大不同，它的临界温度仅为31.1℃，临界压力为 7.37MPa。对于车用CO 热泵系统而言，其高压侧的放热过程在临界点之上的超临界区域内，低压侧的蒸发吸热过程在亚临界区域内，所以车用CO 热泵系统只能采用跨临界循环。
在跨临界CO 循环中，高压侧CO 在放热过程中一直处于超临界区域只进行显热的交换不发生相变，所以在跨临界CO 循环中将冷凝器称为气体冷却器。跨临界CO 循环系统与传统工质热泵系统在装置组成上区别不大，主要由压缩机、气体冷却器、蒸发器和节流装置四部分组成，此外，有时会设置气液分离器、控制系统和自动控制装置等辅助装置。
跨临界CO 循环系统图 / 图片来源：知网
单纯的跨临界CO 循环相较于其它制冷剂循环并无优势，因而研究者对跨临界CO 循环系统进行了优化。现阶段适用于提高电动汽车CO 热泵空调系统性能的方案主要是在系统内加入回热器和引入补气增焓技术。
其一，回热器的引入既有可能提高循环系统性能，也有可能降低循环系统性能，提高还是降低将取决于所选工质的热物性。大量学者对回热器在不同工况下对跨临界CO 系统的影响做了研究，研究结果指出：如果系统获得最大COP为设计目标，系统回热率取15%左右为宜。研究者基于焓差推导出一个有效表达回热器效率的方法，其理论计算结果表明在跨临界CO 系统中高效的回热器是获得高系统性能的一个重要因素。
其二，补气增焓技术能明显提升热泵空调在寒冷地区的适应性。补气增焓技术的系统应用形式主要分为带经济器和带闪蒸器两种。其工作原理是将出气体冷却器的一部分制冷剂经闪蒸器闪蒸或经济器换热后喷入压缩机。
03
CO 热泵在电动汽车上的应用
直接热泵系统
家用型热泵空调是采用室内室外各一个换热器，采用四通换向阀来切换制冷剂的流动方向。电动汽车不同的地方在于，当冬天空调系统从除霜模式切换为制热模式时，车内的换热器的冷凝水将会蒸发并随着新风吹到车内的挡风玻璃上起雾，给行车带来安全隐患。研究者开发了一套电动汽车热泵系统，该系统使用了三个换热器，其中两个换热器布置在电动汽车风道内。从而实现制冷、采暖和除霜除湿的自由切换。
带四通换向阀的电动汽车用热泵空调系统
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现有四通换向阀是铜制品，主要是提供给家用热泵空调，与汽车空调上的铝材焊接性差，导致其容易腐蚀、抗震动性差，从而在高压与低压间频繁切换存在泄漏的不足。日本电装公司设计了一种旁通阀系统而代替四通换向阀切换制冷剂方向的车用热泵空调系统。
2017款的普锐斯Prime中，搭载了一种带补气增焓的电动汽车直接热泵空调系统。该系统提高了在低温环境下乘客舱的采暖性能，并在没有电加热辅助的情况下实现了除湿的功能。相比于不带补气增焓的热泵系统，在压缩机相同转速下，带补气增焓的热泵空调系统制热量将提高26%。此外相较于带PTC的热泵空调系统，在相同制热量的情况下带补气增焓的热泵空调系统能耗比要低63%，可以使电动汽车的行驶里程提高21%。
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二次回路热泵系统
由于电动汽车热泵空调的阀件较多，而CO 热泵系统需要跨临界循环运行，系统的运行压力较高，对阀体的密封性及材料要求较高。在二次回路电动汽车热泵空调系统中，制冷剂不会直接进入乘员舱制冷或制热。系统将分为制冷剂回路和载冷剂回路，由冷凝器、蒸发器、压缩机、气液分离器和电子膨胀阀构成制冷剂回路，其中制冷剂回路只有一个膨胀阀，可以极大的减少高压阀的数量。当乘员舱有制冷或采暖需求时，载冷剂将流入冷凝器或蒸发器进行换热后将乘员舱内的空气加热或冷却，以此达到制冷或采暖的需求。
二次回路的电动汽车热泵空调系统可以减少高压阀的数量，但是同样二次回路将会增加能量的损失，系统的COP会略低于直接热泵。现阶段对于CO 热泵空调系统采用直接热泵还是二次回路存在争议，两种方案都存在明显的优缺点，对于最终的选择将需要进一步的研究论证。
大众ID.4的CO 热泵系统解析
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03
基于CO 热泵的电动汽车热管理
电动汽车与燃油汽车不同，不仅乘员舱需要进行热量管理，电池和电机的安全性和效率都与其温度密切相关，电池包内部热量不能及时散出会导致电池温度上升、电池温度变大，甚至引起热失控，因此电池和电机的温度控制对电动汽车尤为重要。所以对于电动汽车需要利用热泵空调产生的热量和冷量对乘员舱进行温湿度控制和动力电池及电机的温度控制，实现电动汽车整车热量集成式管理，提高整体能量利用率。
如苹果电动汽车的整车热管理系统采用二次回路的方案对乘员舱、动力电池和电机进行整车的热量管理。其一次回路使用CO 作为制冷剂独立设计，二次回路将水作为载冷剂，包含加热回路、冷却回路、电池回路和电机回路，可实现乘员舱采暖制冷、电机散热和加热、电池冷却和加热等功能。该系统分别通过气液热交换器(Liquid Cooled Gas Cooler,LCGC)和制冷剂-水热交换器(Chiller)与制冷剂回路进行热量和冷量的交换。
二次回路在气液热交换器获得的热量可通过三通阀选择被利用或流向车外换热器排出。当乘员舱需要采暖时，泵1开启利用载冷剂将热量携带至空调箱内的暖风芯体加热乘员舱内的空气；在温度极低的情况下，在给乘员舱供暖的同时另需要加热电池，此时利用加热PTC材料辅助加热，此时载冷剂将在暖风芯体内释放热量的同时通过热交换器1换热，泵3开启加热动力电池。
冷量通过Chiller传递到二次回路，此时泵2开启，当乘员舱需要制冷时可将携带至冷却芯体冷却乘员舱空气，同时在泵3开启的情况下可通过热交换器2将冷量传递到电池，在电池温度过高是可达到降温的作用，冷量也可通过热交换器3经过四通阀传递到电机已以达到给电机降温的作用，当车辆无制冷需求时可通过车外换热器排出。
苹果电动汽车整车热管理系统
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03
结论与展望
CO 由于其对环境的友好性、来源广泛、安全系数好，将在制冷剂变更过程中发挥巨大作用。此外，CO 换热系数高和单位容积制冷量大的特点有利于减少换热器的体积和压缩机的排量，能有效较小系统的体积，非常适合汽车空调。其次，CO 热泵空调系统拥有良好的低温启动制热功能，在室外极低温情况下依然可以提供较大的制热量并维持较高的COP。所以CO 热泵空调系统将是未来电动汽车热泵空调的发展方向。
但是CO 热泵系统需要在电动汽车领域大规模推广，未来的工作还需要解决以下几方面的问题：
（1）跨临界CO 系统在低温时有很高的制热量，但是在高温环境下的制冷模式时，气冷器的冷却效果有限，节流后干度较高，制冷性能较差。所以需要解决高温环境下的制冷量不足COP下降的问题；
（2）由于CO 的临界压力为7.3MPa，跨临界CO 系统的运行压力高，低压侧为3～5MPa，高压侧达到8～14MPa。所以整个系统零部件需要解决耐高压的问题和高压下的寿命周期问题，此外还需考虑整个系统的密封问题，确保系统安全可靠的运行；
（3）CO 在跨临界循环的气体冷却器中的放热过程处于超临界状态，不发生相变，放热后的温度与高压压力无关，且具有较大的温度滑移，给系统控制增加了难度。
电动汽车热泵空调不仅需要给乘员舱提供制冷、采暖、除霜和除湿的功能，还需要考虑电机和电池包的温度控制，所以需要设计高效简洁的整车集成式的热管理系统。此外，纯电动汽车整车热管理的阀体多、管路复杂，不仅成本提升还增加了系统所需的空间。所以对于多阀体和管路的集成将成为接下来工作的重点。