電動汽車空調系統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航里程的影響。實驗結果表明，在5℃和0℃環境溫度下，空氣源熱泵系統展現出較高的能效比和良好的制熱性能，特別是在55%雙層流外循環進風模式下，系統COP可達3.5左右，顯著優于傳統電加熱方式。該研究為電動汽車空調系統的設計與優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

隨著全球對環境保護和可持續發展的日益重視，電動汽車已成為未來交通領域的重要發展方向。然而，續航里程不足仍是制約其廣泛應用的關鍵因素之一。傳統電動汽車空調系統大多采用電加熱方式，這不僅顯著增加了車輛的能耗，還進一步縮短了續航里程[1]。因此，開發高效節能的空調系統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中的應用仍處于探索階段[3]。空氣源熱泵在電動汽車空調系統中的應用仍面臨諸多挑戰。例如，系統需要在有限的空間內高效運行，同時適應復雜的外部環境條件，如低溫制熱和高溫制冷性能。此外，系統的可靠性和穩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、優化系統設計并提高能效，具有重要的實際意義。

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

1 空氣源熱泵空調系統架構設計

本文設計的空氣源熱泵空調系統架構如圖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）。通過優化零部件配置，該系統架構在成本控制與運行效率方面實現了顯著提升。具體而言，系統取消了傳統的高壓空氣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臺架，并將其置于步入式環境倉中，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，實時監控系統運行狀態，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航測試的標準[5]，設定主要工況如下：環境溫度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中的應用合理性。

2.3 5℃環境溫度下實驗結果

2.3.1 55%外循環進風模式

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境倉中，A倉設定為5℃的車外環境溫度，B倉設定為20℃的車內環境溫度，冷卻風扇占空比為90%。根據給定工況，調節鼓風機占空比、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，外循環進風溫度為5℃，內循環進風溫度為20℃，冷卻風扇占空比為90%，電子膨脹閥開度為140。通過調節壓縮機轉速，實現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。分析發現，當目標吹腳溫度為35℃時，系統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，系統的COP相近。

2.3.2 100%外循環進風模式

與傳統單層流空調箱相比，本熱泵系統臺架采用了雙層流空調箱，其在不同進風模式下的系統運行情況存在差異。在雙層流模式下，系統的運行情況已在前文介紹。本小節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的COP最高。

2.4 0℃環境溫度下實驗結果

2.4.1 55%外循環進風模式

在完成5℃環境溫度下的空氣源熱泵實驗后，將環境溫度調整至0℃，保持其他實驗參數與工況不變，以分析不同環境溫度下系統運行情況的變化。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COP最高，達到3.2，這一規律在0℃工況下保持一致；而在鼓風機占空比為25%時，系統性能有所提升，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，系統評估了空氣源熱泵在電動汽車空調系統中的性能。結果表明，空氣源熱泵在不同環境溫度和運行模式下均展現出較高的能效比（COP）和優異的制熱性能。在5℃環境溫度下，55%外循環進風模式的系統COP最高可達3.5；而在0℃環境溫度下，該模式下系統COP仍可達到3.2，顯示出良好的低溫適應性。通過優化鼓風機風量占空比和目標吹腳溫度等參數，系統的能效表現可進一步提升。與傳統電加熱方式相比，空氣源熱泵顯著降低了空調系統的能耗，有助于延長電動汽車的續航里程。本研究為電動汽車空調系統的設計與優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化系統控制策略，以提升系統的性能和可靠性。

參考文獻：

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[3]楊雨燊.純電動汽車用熱泵空調系統的開發與仿真研究[D].鄭州：鄭州大學，2019.

[4]董哲明，強健偉，施睿，等.某純電動車型的余熱熱源與空氣源熱泵控制策略研究[J].汽車工程學報，2024，14（01）：83-93.

[5]中國汽車技術研究中心有限公司. EV-TEST （電動汽車測評）管理規則[R].天津：中國汽車技術研究中心有限公司，2019.

[6]吳靖，陳海濤，任亞超，等.電動汽車間接式熱泵空調系統的制熱性能實驗研究[J].制冷技術，2022，42（06）：49-54.