電動汽車空調系統(tǒng)中空氣源熱泵的實驗研究

摘 要：本文通過搭建電動汽車熱泵空調試驗平臺，對空氣源熱泵在不同工況下的性能進行了測試與分析，重點評估了熱泵的能效比（COP）及其對電動汽車能耗和續(xù)航里程的影響。實驗結果表明，在5℃和0℃環(huán)境溫度下，空氣源熱泵系統(tǒng)展現(xiàn)出較高的能效比和良好的制熱性能，特別是在55%雙層流外循環(huán)進風模式下，系統(tǒng)COP可達3.5左右，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)電加熱方式。該研究為電動汽車空調系統(tǒng)的設計與優(yōu)化提供了理論依據和實驗數據支持，有助于提升電動汽車的能效和舒適性。

關鍵詞：電動汽車 空氣源熱泵 能效比 實驗研究

隨著全球對環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的日益重視，電動汽車已成為未來交通領域的重要發(fā)展方向。然而，續(xù)航里程不足仍是制約其廣泛應用的關鍵因素之一。傳統(tǒng)電動汽車空調系統(tǒng)大多采用電加熱方式，這不僅顯著增加了車輛的能耗，還進一步縮短了續(xù)航里程[1]。因此，開發(fā)高效節(jié)能的空調系統(tǒng)對于提升電動汽車的性能和市場競爭力至關重要。

空氣源熱泵作為一種高效熱交換技術，能夠利用空氣中的熱能實現(xiàn)制熱和制冷功能，具有較高的能效比和較低的能耗[2]。近年來，該技術已在建筑供暖和熱水供應領域得到廣泛應用，但在電動汽車空調系統(tǒng)中的應用仍處于探索階段[3]?？諝庠礋岜迷陔妱悠嚳照{系統(tǒng)中的應用仍面臨諸多挑戰(zhàn)。例如，系統(tǒng)需要在有限的空間內高效運行，同時適應復雜的外部環(huán)境條件，如低溫制熱和高溫制冷性能。此外，系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性也是影響其實際應用的重要因素[4]。因此，開展相關實驗研究，驗證其技術可行性、優(yōu)化系統(tǒng)設計并提高能效，具有重要的實際意義。

本研究通過實驗方法系統(tǒng)地研究了空氣源熱泵在電動汽車空調系統(tǒng)中的性能，重點考察其在不同環(huán)境溫度和運行模式下的制熱能力、能效比及對車內環(huán)境的影響。通過分析實驗數據，進一步探討其應用潛力，并提出優(yōu)化建議，為電動汽車空調系統(tǒng)的設計和改進提供參考依據，推動電動汽車技術的發(fā)展和應用。

1 空氣源熱泵空調系統(tǒng)架構設計

本文設計的空氣源熱泵空調系統(tǒng)架構如圖1所示。紅色箭頭表示空氣源熱泵在座艙制熱模式下制冷劑的流向，涉及的關鍵零部件包括電動壓縮機、車內冷凝器（CABIN CONDENSER）、制冷劑單向閥（CV1、CV2）、室外板式換熱器（OHX）、電子膨脹閥（EXV3）、電磁閥（SV1、SV3）和氣液分離器（AD）。通過優(yōu)化零部件配置，該系統(tǒng)架構在成本控制與運行效率方面實現(xiàn)了顯著提升。具體而言，系統(tǒng)取消了傳統(tǒng)的高壓空氣PTC加熱器，轉而采用高效的車內冷凝器進行座艙制熱，從而顯著降低了材料成本和能耗。

2 空氣源熱泵系統(tǒng)臺架實驗

2.1 臺架實驗裝置

本研究基于實車空調零部件的安裝位置，搭建了汽車空調系統(tǒng)臺架，并將其置于步入式環(huán)境倉中，以高精度模擬整車內外的溫濕度條件，確保實驗結果的可靠性和真實性。在電動汽車熱泵系統(tǒng)中，制冷劑側采用R134a，水側使用50%乙二醇水溶液作為冷卻液。實驗過程中，通過高精度T型熱電偶和濕度傳感器進行溫濕度監(jiān)測，并配備制冷劑流量儀、電流/電壓傳感器及壓力傳感器，實時監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)，保障數據的準確性和真實性。

2.2 實驗方法

在開展空氣源熱泵實驗前，已完成系統(tǒng)充注量測試，確定制冷劑充注量為1300g。實驗方案參照中國汽車技術研究中心關于電動汽車低溫續(xù)航測試的標準[5]，設定主要工況如下：環(huán)境溫度0℃和5℃，鼓風機風量占空比25%至65%，壓縮機電壓350V、轉速0至8000RPM，冷卻風扇占空比90%，目標吹腳溫度35℃至65℃，膨脹閥開度100至200。通過不同參數組合，全面覆蓋空氣源熱泵的實驗工況。實驗數據對比分析顯示，溫度和壓力測點數值能夠反映空氣源熱泵的制熱效果，從而評估其在電動汽車空調系統(tǒng)中的應用合理性。

2.3 5℃環(huán)境溫度下實驗結果

2.3.1 55%外循環(huán)進風模式

在本次臺架實驗中，采用空氣源熱泵進行座艙制熱，系統(tǒng)制冷劑充注量為1300g。制冷劑從壓縮機出口依次流經SV1閥、車內冷凝器CABIN、單向閥CV1、電子膨脹閥EXV3、室外換熱器OHX、單向閥CV2、電磁閥SV3，最終到達氣液分離器AD并流回壓縮機。通過控制各閥件的啟停，實現(xiàn)制冷劑流向的切換，以適應不同的運行模式。實驗臺架置于步入式環(huán)境倉中，A倉設定為5℃的車外環(huán)境溫度，B倉設定為20℃的車內環(huán)境溫度，冷卻風扇占空比為90%。根據給定工況，調節(jié)鼓風機占空比、膨脹閥開度和目標吹腳溫度，并控制壓縮機轉速，確保壓縮機進口壓力不低于0.2bar，出口壓力不高于25bar。通過多組實驗，測量溫度、壓力、電壓、電流和流量等參數，并利用制熱量和能耗公式計算各工況的COP，以確定最優(yōu)工況。

實驗數據分析表明，當OHX前膨脹閥開度為140時，數據的一致性和重復性最佳。在此工況下，外循環(huán)進風溫度為5℃，內循環(huán)進風溫度為20℃，冷卻風扇占空比為90%，電子膨脹閥開度為140。通過調節(jié)壓縮機轉速，實現(xiàn)不同的目標吹腳溫度。實驗結果如圖2所示，包括車內冷凝器出口平均溫度、過冷度、壓縮機出口壓力、車內冷凝器出口壓力、壓縮機進口壓力、壓縮機功耗、制熱量和COP等參數。分析發(fā)現(xiàn)，當目標吹腳溫度為35℃時，系統(tǒng)COP最高；隨著目標吹腳溫度的升高，COP逐漸降低。在鼓風機風量占空比為55%時，系統(tǒng)COP達到最大值，約為3.5；而在45%時，COP約為2.6。當鼓風機風量占空比為45%和55%時，系統(tǒng)的COP相近。

2.3.2 100%外循環(huán)進風模式

與傳統(tǒng)單層流空調箱相比，本熱泵系統(tǒng)臺架采用了雙層流空調箱，其在不同進風模式下的系統(tǒng)運行情況存在差異。在雙層流模式下，系統(tǒng)的運行情況已在前文介紹。本小節(jié)將重點分析空調箱進風模式為全外進風時，空氣源熱泵進行座艙制熱的系統(tǒng)運行COP變化。

如圖3所示，在車外溫度5℃、車內溫度20℃、電子膨脹閥開度140、冷卻風扇占空比90%的條件下，通過調節(jié)鼓風機占空比及壓縮機轉速以達到目標吹腳溫度，所得數據折線圖顯示：當目標吹腳溫度為35℃時，COP在鼓風機占空比為45%時達到最大值2.31，在25%時為1.72；目標吹腳溫度為45℃時，COP在45%時為2.07，在25%時為1.57；目標吹腳溫度為55℃時，COP在45%時為1.77，在25%時為1.35；目標吹腳溫度為65℃時，COP在65%時為1.75，在25%時為1.22。在相同鼓風機占空比下，目標吹腳溫度為35℃時，壓縮機功耗利用最有效，此時空氣源熱泵系統(tǒng)的COP最高。

2.4 0℃環(huán)境溫度下實驗結果

2.4.1 55%外循環(huán)進風模式

在完成5℃環(huán)境溫度下的空氣源熱泵實驗后，將環(huán)境溫度調整至0℃，保持其他實驗參數與工況不變，以分析不同環(huán)境溫度下系統(tǒng)運行情況的變化。如圖4所示，選擇車外溫度0℃、車內溫度15℃、雙層流55%外循環(huán)進風、冷卻風扇占空比90%、電子膨脹閥開度140、目標吹腳溫度35℃的工況進行分析，并對比不同鼓風機占空比下各參數的變化。結果表明，當鼓風機占空比為45%時，系統(tǒng)COP最高，達到3.2，這一規(guī)律在0℃工況下保持一致；而在鼓風機占空比為25%時，系統(tǒng)性能有所提升，COP達到2.8。在COP最高點對應的工況下，壓縮機功耗約為0.9kW，制熱量約為2.8kW，壓縮機功耗轉換效率較高，滿足低能耗高制熱量的要求。

2.4.2 100%外循環(huán)進風模式

如圖5所示，選取典型工況進行分析，曲線圖清晰顯示各工況的COP隨目標吹腳溫度升高而降低，最低值為1.52。當鼓風機占空比為35%且電子膨脹閥開度為125時，COP值表現(xiàn)較好，最高為2.99，最低為1.53。圖中未顯示鼓風機占空比為55%和65%時目標吹腳溫度為55℃和65℃的數據，因為這些工況不滿足壓縮機出口最高壓力或進口最低壓力的要求，為保護壓縮機，未進行這些工況的實驗。

3 結論

本研究通過實驗方法，系統(tǒng)評估了空氣源熱泵在電動汽車空調系統(tǒng)中的性能。結果表明，空氣源熱泵在不同環(huán)境溫度和運行模式下均展現(xiàn)出較高的能效比（COP）和優(yōu)異的制熱性能。在5℃環(huán)境溫度下，55%外循環(huán)進風模式的系統(tǒng)COP最高可達3.5；而在0℃環(huán)境溫度下，該模式下系統(tǒng)COP仍可達到3.2，顯示出良好的低溫適應性。通過優(yōu)化鼓風機風量占空比和目標吹腳溫度等參數，系統(tǒng)的能效表現(xiàn)可進一步提升。與傳統(tǒng)電加熱方式相比，空氣源熱泵顯著降低了空調系統(tǒng)的能耗，有助于延長電動汽車的續(xù)航里程。本研究為電動汽車空調系統(tǒng)的設計與優(yōu)化提供了重要的理論依據和實驗數據支持，證明了空氣源熱泵在電動汽車空調系統(tǒng)中的應用潛力和實際可行性。未來的研究可進一步探索新型制冷劑和優(yōu)化系統(tǒng)控制策略，以提升系統(tǒng)的性能和可靠性。

參考文獻：

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