CO2热泵的新能源汽车市场机遇浅析

“碳中和”是全球未来40年最大赛道，加上这轮汽车电气化浪潮，新能源汽车热管理技术将发生根本变化，更高的技术门槛，叠加国产替代，助推CO2热泵在新能汽车空调领域的应用成为重要的细分行业风口。本文将分析“为什么是热泵?”“为什么是CO2热泵?”这两个核心问题。

一、 热泵将解决新能源汽车的低温续航里程痛点

新能源汽车在低温条件下续航里程大幅衰减。根据懂车帝、中国汽研、新能源汽车国家大数据联盟在2022年5月联合发布的《2022新能源车主续航里程分析报告》，低温温度是影响新能源汽车实际续航里程的主要因素，在北方城市寒冷的1月，低温导致实际续航里程衰减达到三分之一，车辆实际续航里程可信度仅在65%左右。

注：车辆实际续航里程可信度:将车辆在不同行驶状态下的实际可行驶总里程，与标定续航里程做比值。可信度越接近100%，实际可行驶总里程可靠性越好。

(一) 低温续航里程是消费者最大关切

消费者对新能源汽车低温续航里程表现出极大关切，并且对续航里程衰减的容忍度非常低。根据J.D.POWER(君迪)与懂车帝在2021年12月联合发布的《冬季新能源汽车用户联合调研》，消费者对于新能源汽车在冬季的续航能力都存在极大的担忧情绪，且新能源车主的续航焦虑明显更高。在4330个受访者中，40%的新能源车主、27%的新能源潜在购车用户表示存在极大的续航焦虑。关于对续航里程衰减的容忍度，近半数消费者表示只能接受续航里程在低温环境下比平时减少10%。其中，新能源车主47%，新能源潜在购车用户50%。

(二) 空调制热是低温续航里程衰减的最主要原因

新能源汽车低温续航里程衰减的原因主要包括如下三点：

第一，锂离子电池化学特性使然。现阶段锂离子动力电池的工作原理主要为通过锂离子在正负极之前的移动来进行充放电。但在气温过低的情况下锂离子移动速度会变缓，这会导致放电时容易损耗，续航降低。

第二，电池包加热耗电。为保障低温条件下的动力输出，新能源汽车往往配有电池包加热系统，在工作中会消耗一部分电池电量，减少续航。

第三，空调制热耗电。传统燃油车冬季的制热主要是靠发动机的热量，而新能源汽车目前则需要正温度系数热敏电阻(PTC)。通过PTC电阻的热效应产生热量，虽然结构简单且制热效果好，但是能耗过大是严重缺陷。

前面两点虽然对续航里程有一定的影响，但不会特别严重，新能源汽车冬季续航里程大幅衰减的最主要原因是空调制热耗电。此外，低温环境下空调制热差且容易起雾更使得新能源车主在冬季苦不堪言。

(三) 低温续航里程衰减的最佳对策——热泵

热泵空调的用电功率要比PTC加热的用电功率少一倍之多，是解决新能源汽车低温续航里程衰减的最优对策。基于荣威EI5的热泵和高压PTC空调制热的对比实验，热泵总用电功率占比为12.73%，普通高压PTC总用电功率占比为25.56%。根据荣威EI5官方数据，在室外温度零下7摄氏度时，车内设置20摄氏度的情况下，热泵空调相对于传统的空调续航可以增加约15公里。

此外，热泵系统还将能够通过实现能量回收，减少电量消耗。例如，现代汽车集团发布的最新热泵系统，不仅能够回收驱动电机、车载充电器和逆变器散发的废热，还可从电池组和慢速充电器中回收更多的余热。捕获的能量可提高供暖，通风和空调系统的效率，最大程度地减少电池的电量消耗。

二、 CO2热泵空调方案是汽车空调的发展趋势

(一) 制冷剂替代趋势

我国汽车空调制冷剂目前主要采用的是HFC-134a。但是，HFC-134a具有很高的温室效应，其GWP值高达1430(联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)的评估)，近期将逐渐被替代。欧盟已于2017年1月1日起禁止所有新生产的汽车采用GWP值高于150的制冷剂。美国已宣布自2024年1月1日起禁用HFC-134a。目前，我国仍未禁用HFC-134a，但是HFC-134a已列入《基加利修正案》管控物质清单，我国未来禁用HFC-134a也只是时间问题。

目前在全球范围内对汽车空调系统替代制冷剂的研究主要集中在CO2和HFO-1234yf两种制冷剂上。美国环保部通过其SNAP(重大新替代物政策表)在2011年接受HFO-1234yf为汽车空调制冷剂;在2012年接受CO2为汽车空调制冷剂。美国杜邦公司和霍尼韦尔公司联合开发出了HFO-1234yf，替代HFC-134a在汽车空调制冷剂方面的应用，并得到了美国通用汽车公司的积极响应。但是，戴姆勒-奔驰汽车公司公开质疑HFO-1234yf的安全性，包括其可燃烧性和燃烧后生成物的毒性，并宣布不会采用HFO-1234yf为制冷剂，将以CO2为制冷剂开发汽车空调系统，并在2016年实现CO2汽车空调系统的批量投产。德国的宝马汽车公司和大众汽车公司也分别宣布将开发并采用以CO2为制冷剂的汽车空调系统。

(二) CO2和HFO-1234yf两种制冷剂及空调系统对比

1. 环保指标的对比

制冷剂的环保性能主要有臭氧消耗潜能值ODP和全球变暖潜能值GWP两个指标。臭氧消耗潜能方面，CO2和HFO-1234yf都不会破坏臭氧层，ODP值均为零。GWP指的是在100年的时间周期内，相应温室气体的温室效应对应于相同效应的二氧化碳的质量，所以二氧化碳的GWP值理所当然地为1。根据杜邦和霍尼韦尔公司确认的HFO-1234yf的相关参数，其GWP值为4。

此外，目前在工业上获取CO2的方法主要是收集在生产其他工业产品过程中产生的CO2副产品。CO2的提纯可以采用物理吸附的方法，具有工艺过程简单、能耗低、适应能力强、自动化程度高、技术先进、经济合理等优点。因此在将CO2用作制冷剂的同时还减少了CO2的排放。而HFO-1234yf的生产则较为复杂，根据已公开的专利， HFO-1234yf生产需要以CFC、HCFC或者HFC类物质为原料，并利用高温和催化剂进行化学合成和分解。在副产物中可能有HF、HCl和CFC类物质生成，需要严格对副产品进行无害化处理，有潜在的环保风险。

因此，在环保方面进行对比的结果是采用CO2制冷剂更值得信赖。

2. 空调性能的比较

空调的性能包括制冷性能和制热性能两个方面。在新能源汽车上，空调系统将会采用热泵制热，因此也要考虑制冷剂的制热性能。

制冷性能方面，HFO-1234yf不需要对原R134a系统做改动就可以正常工作但制冷性能略低。CO2空调系统则必须进行全新的设计，并且只有重新设计后才能达到R134a系统的制冷性能。

制热性能方面，HFO-1234yf的热泵性能与R134a接近，不会超过R134a系统。仍然具有在低温环境下系统的制热能力和性能系数迅速下降的问题，在低温环境下主要依靠PTC进行加热。而CO2则是目前空调制冷行业公认最适用于热泵制热的制冷剂。在环境温度-20℃，车内温度20℃的工况下，CO2热泵系统制热性能仍然良好。

综合以上情况，CO2的热泵制热性能明显优于HFO-1234yf。同时，CO2在空调制冷系统重新设计后制冷性能可以达到HFO-1234yf水平。

3. 应用成本的比较

(1) 制冷剂成本的比较

目前R134a在国内市场销售价在每吨4万元人民币左右浮动，每辆车使用制冷剂的成本在20元人民币左右。CO2售价通常在每吨600元人民币左右，每辆车的制冷剂成本约为0.3元人民币。HFO-1234yf因为有商业价值的生产工艺方法都已被杜邦和霍尼韦尔公司申请了专利保护，导致其价格高达到每吨70万元人民币，每辆车使用的制冷剂成本约为400元人民币左右。

通过对比，CO2制冷剂相较HFO-1234yf具有突出的成本优势。

(2) 空调系统零部件成本的比较

HFO-1234yf基本可以沿用R134a系统，所以各总成的成本变化不明显。CO2压缩机与R134a系统压缩机相比，在设计方面，其排量小可以缩小压缩机的体积，减少材料用量;而压力高又导致需要增加高压区域的材料厚度以提升耐压能力。在压缩机生产方面，新的制造装备和模具会导致初期投资增加。若批量生产，则排量减小带来的成本降低应该会超过耐压能力提升的成本增加，同时摊薄初期投资增加。因此，CO2压缩机批量生产后成本可以降低至R134a同等水平。CO2系统的蒸发器和冷凝器仅是扁管和集管的形式变化，成本基本不变。CO2的制冷管与R134a制冷管有很大的区别，根据康迪泰克公司公布的信息，硬管的成本将降低，高压软管的成本将上升。综合下来，CO2的制冷管成本将与R134a持平。

综上所述，批量生产后的CO2空调系统的成本应该与R134a和HFO-1234yf系统差别不大。

(3) 系统开发成本的比较

CO2和HFO-1234yf的系统开发成本有比较大的差异。HFO-1234yf可以完全采用R134a已经成熟的技术，而CO2系统则需要完全地重新设计。

因此，CO2系统开发的前期成本会比HFO-1234yf高出很多，需要批量生产摊薄成本。

4. 可持续发展应用的比较

CFC12和HFC134a这类化学合成制冷剂由于不同的环保原因逐渐被禁止使用，都是不可持续发展的制冷剂。那么新的化学合成制冷剂HFO-1234yf是否会因新的环保问题而被禁止使用呢?天然制冷剂CO2基本不存在上述环保风险，因为CO2原本就是自然界中大量存在的物质，而且汽车空调行业的用量相对于CO2总体排放量比例非常小。

从可持续发展应用的角度，CO2空调系统明显优于HFO-1234yf空调系统。

5. 两种制冷剂比较的结论

CO2制冷剂是我国汽车空调行业最佳的未来发展方向。环保方面，CO2较HFO-1234yf具有优势。性能方面，CO2在制热方面具有显著优势。成本方面，HFO-1234yf由于专利垄断价格异常偏高，CO2需要规模化生产来摊薄前期开发成本。可持续发展方面，CO2是汽车空调系统最终必然采用的制冷剂。

三、 CO2热泵发展迎来战略机遇期

(一) 未来将有更多的新能源汽车采用CO2热泵系统。

汽车空调技术的发展紧跟整车技术的发展趋势。目前汽车整车正按照常规动力汽车→混合动力汽车→电动汽车的方向发展，CO2热泵系统在节约能耗提高续航方面相较传统空调系统具有显著优势，所以热泵系统必将是汽车空调系统长期发展的趋势。目前已有部分新能源汽车厂商采用CO2热泵系统，未来将有更多的新能源汽车采用CO2热泵系统。

(二) CO2热泵系统是更为终极的汽车空调解决方案

制冷剂R134a的逐步淘汰已成为必然趋势。每次制冷剂替换都会给空调行业的发展带来冲击，同时也为新进企业创造了弯道超越的机遇。相较于HFO-1234yf，CO2热泵系统是更为终极的汽车空调解决方案，也是我国汽车空调系统跨越西方国家专利垄断实现弯道超车的绝佳机遇。

CO2(二氧化碳)热泵是未来最佳的热泵系统方案。CO2(二氧化碳)热泵与普通热泵的主要区别在于热泵系统所使用的冷媒。目前热泵空调使用的冷媒主要包括R-134a、R-1234yf以及R744(二氧化碳)，其中R134a会加剧温室效应(GWP=1430)，R-1234yf环境更友好，但制冷效果弱于R-134a，而R744属于自然产生的一种气体，无毒无害，单位制冷量是R1234yf型制冷剂的9倍左右(为22600KJ/m)，可大幅提高热泵的换热效率。

(三) 国内的汽车生产厂家应把握机遇

明确以CO2为汽车空调替代制冷剂的工作方向，各汽车空调零部件厂家积极响应尽早投入到CO2空调系统的开发工作中，在制冷剂替代的过程中掌握先机，获得技术优势和市场优势。

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