摘 要：本文通過搭建電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)試驗(yàn)平臺(tái)，對空氣源熱泵在不同工況下的性能進(jìn)行了測試與分析，重點(diǎn)評估了熱泵的能效比（COP）及其對電動(dòng)汽車能耗和續(xù)航里程的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jìn)風(fēng)模式下，系統(tǒng)COP可達(dá)3.5左右，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)電加熱方式。該研究為電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，有助于提升電動(dòng)汽車的能效和舒適性。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車 空氣源熱泵 能效比 實(shí)驗(yàn)研究

隨著全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的日益重視，電動(dòng)汽車已成為未來交通領(lǐng)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(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。傳統(tǒng)電動(dòng)汽車空調(diào)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(jìn)一步縮短了續(xù)航里程[1]。因此，開發(fā)高效節(jié)能的空調(diào)系統(tǒng)對于提升電動(dòng)汽車的性能和市場競爭力至關(guān)重要。

空氣源熱泵作為一種高效熱交換技術(shù)，能夠利用空氣中的熱能實(shí)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(shù)已在建筑供暖和熱水供應(yīng)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但在電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用仍處于探索階段[3]?？諝庠礋岜迷陔妱?dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)。例如，系統(tǒng)需要在有限的空間內(nèi)高效運(yùn)行，同時(shí)適應(yīng)復(fù)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(shí)際應(yīng)用的重要因素[4]。因此，開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證其技術(shù)可行性、優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)并提高能效，具有重要的實(shí)際意義。

本研究通過實(shí)驗(yàn)方法系統(tǒng)地研究了空氣源熱泵在電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)中的性能，重點(diǎn)考察其在不同環(huán)境溫度和運(yùn)行模式下的制熱能力、能效比及對車內(nèi)環(huán)境的影響。通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步探討其應(yīng)用潛力，并提出優(yōu)化建議，為電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供參考依據(jù)，推動(dòng)電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

1 空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)架構(gòu)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(guān)鍵零部件包括電動(dòng)壓縮機(jī)、車內(nèi)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(gòu)在成本控制與運(yùn)行效率方面實(shí)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(zhuǎn)而采用高效的車內(nèi)冷凝器進(jìn)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(tái)架實(shí)驗(yàn)

2.1 臺(tái)架實(shí)驗(yàn)裝置

本研究基于實(shí)車空調(diào)零部件的安裝位置，搭建了汽車空調(diào)系統(tǒng)臺(tái)架，并將其置于步入式環(huán)境倉中，以高精度模擬整車內(nèi)外的溫濕度條件，確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和真實(shí)性。在電動(dòng)汽車熱泵系統(tǒng)中，制冷劑側(cè)采用R134a，水側(cè)使用50%乙二醇水溶液作為冷卻液。實(shí)驗(yàn)過程中，通過高精度T型熱電偶和濕度傳感器進(jìn)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(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，保障數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和真實(shí)性。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

在開展空氣源熱泵實(shí)驗(yàn)前，已完成系統(tǒng)充注量測試，確定制冷劑充注量為1300g。實(shí)驗(yàn)方案參照中國汽車技術(shù)研究中心關(guān)于電動(dòng)汽車低溫續(xù)航測試的標(biāo)準(zhǔn)[5]，設(shè)定主要工況如下：環(huán)境溫度0℃和5℃，鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量占空比25%至65%，壓縮機(jī)電壓350V、轉(zhuǎn)速0至8000RPM，冷卻風(fēng)扇占空比90%，目標(biāo)吹腳溫度35℃至65℃，膨脹閥開度100至200。通過不同參數(shù)組合，全面覆蓋空氣源熱泵的實(shí)驗(yàn)工況。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析顯示，溫度和壓力測點(diǎn)數(shù)值能夠反映空氣源熱泵的制熱效果，從而評估其在電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用合理性。

2.3 5℃環(huán)境溫度下實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 55%外循環(huán)進(jìn)風(fēng)模式

在本次臺(tái)架實(shí)驗(yàn)中，采用空氣源熱泵進(jìn)行座艙制熱，系統(tǒng)制冷劑充注量為1300g。制冷劑從壓縮機(jī)出口依次流經(jīng)SV1閥、車內(nèi)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(dá)氣液分離器AD并流回壓縮機(jī)。通過控制各閥件的啟停，實(shí)現(xiàn)制冷劑流向的切換，以適應(yīng)不同的運(yùn)行模式。實(shí)驗(yàn)臺(tái)架置于步入式環(huán)境倉中，A倉設(shè)定為5℃的車外環(huán)境溫度，B倉設(shè)定為20℃的車內(nèi)環(huán)境溫度，冷卻風(fēng)扇占空比為90%。根據(jù)給定工況，調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)占空比、膨脹閥開度和目標(biāo)吹腳溫度，并控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，確保壓縮機(jī)進(jìn)口壓力不低于0.2bar，出口壓力不高于25bar。通過多組實(shí)驗(yàn)，測量溫度、壓力、電壓、電流和流量等參數(shù)，并利用制熱量和能耗公式計(jì)算各工況的COP，以確定最優(yōu)工況。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，當(dāng)OHX前膨脹閥開度為140時(shí)，數(shù)據(jù)的一致性和重復(fù)性最佳。在此工況下，外循環(huán)進(jìn)風(fēng)溫度為5℃，內(nèi)循環(huán)進(jìn)風(fēng)溫度為20℃，冷卻風(fēng)扇占空比為90%，電子膨脹閥開度為140。通過調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)不同的目標(biāo)吹腳溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，包括車內(nèi)冷凝器出口平均溫度、過冷度、壓縮機(jī)出口壓力、車內(nèi)冷凝器出口壓力、壓縮機(jī)進(jìn)口壓力、壓縮機(jī)功耗、制熱量和COP等參數(shù)。分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)目標(biāo)吹腳溫度為35℃時(shí)，系統(tǒng)COP最高；隨著目標(biāo)吹腳溫度的升高，COP逐漸降低。在鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量占空比為55%時(shí)，系統(tǒng)COP達(dá)到最大值，約為3.5；而在45%時(shí)，COP約為2.6。當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量占空比為45%和55%時(shí)，系統(tǒng)的COP相近。

2.3.2 100%外循環(huán)進(jìn)風(fēng)模式

與傳統(tǒng)單層流空調(diào)箱相比，本熱泵系統(tǒng)臺(tái)架采用了雙層流空調(diào)箱，其在不同進(jìn)風(fēng)模式下的系統(tǒng)運(yùn)行情況存在差異。在雙層流模式下，系統(tǒng)的運(yùn)行情況已在前文介紹。本小節(jié)將重點(diǎn)分析空調(diào)箱進(jìn)風(fēng)模式為全外進(jìn)風(fēng)時(shí)，空氣源熱泵進(jìn)行座艙制熱的系統(tǒng)運(yùn)行COP變化。

如圖3所示，在車外溫度5℃、車內(nèi)溫度20℃、電子膨脹閥開度140、冷卻風(fēng)扇占空比90%的條件下，通過調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)占空比及壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速以達(dá)到目標(biāo)吹腳溫度，所得數(shù)據(jù)折線圖顯示：當(dāng)目標(biāo)吹腳溫度為35℃時(shí)，COP在鼓風(fēng)機(jī)占空比為45%時(shí)達(dá)到最大值2.31，在25%時(shí)為1.72；目標(biāo)吹腳溫度為45℃時(shí)，COP在45%時(shí)為2.07，在25%時(shí)為1.57；目標(biāo)吹腳溫度為55℃時(shí)，COP在45%時(shí)為1.77，在25%時(shí)為1.35；目標(biāo)吹腳溫度為65℃時(shí)，COP在65%時(shí)為1.75，在25%時(shí)為1.22。在相同鼓風(fēng)機(jī)占空比下，目標(biāo)吹腳溫度為35℃時(shí)，壓縮機(jī)功耗利用最有效，此時(shí)空氣源熱泵系統(tǒng)的COP最高。

2.4 0℃環(huán)境溫度下實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.4.1 55%外循環(huán)進(jìn)風(fēng)模式

在完成5℃環(huán)境溫度下的空氣源熱泵實(shí)驗(yàn)后，將環(huán)境溫度調(diào)整至0℃，保持其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)與工況不變，以分析不同環(huán)境溫度下系統(tǒng)運(yùn)行情況的變化。如圖4所示，選擇車外溫度0℃、車內(nèi)溫度15℃、雙層流55%外循環(huán)進(jìn)風(fēng)、冷卻風(fēng)扇占空比90%、電子膨脹閥開度140、目標(biāo)吹腳溫度35℃的工況進(jìn)行分析，并對比不同鼓風(fēng)機(jī)占空比下各參數(shù)的變化。結(jié)果表明，當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)占空比為45%時(shí)，系統(tǒng)COP最高，達(dá)到3.2，這一規(guī)律在0℃工況下保持一致；而在鼓風(fēng)機(jī)占空比為25%時(shí)，系統(tǒng)性能有所提升，COP達(dá)到2.8。在COP最高點(diǎn)對應(yīng)的工況下，壓縮機(jī)功耗約為0.9kW，制熱量約為2.8kW，壓縮機(jī)功耗轉(zhuǎn)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(jìn)風(fēng)模式

如圖5所示，選取典型工況進(jìn)行分析，曲線圖清晰顯示各工況的COP隨目標(biāo)吹腳溫度升高而降低，最低值為1.52。當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)占空比為35%且電子膨脹閥開度為125時(shí)，COP值表現(xiàn)較好，最高為2.99，最低為1.53。圖中未顯示鼓風(fēng)機(jī)占空比為55%和65%時(shí)目標(biāo)吹腳溫度為55℃和65℃的數(shù)據(jù)，因?yàn)檫@些工況不滿足壓縮機(jī)出口最高壓力或進(jìn)口最低壓力的要求，為保護(hù)壓縮機(jī)，未進(jìn)行這些工況的實(shí)驗(yàn)。

3 結(jié)論

本研究通過實(shí)驗(yàn)方法，系統(tǒng)評估了空氣源熱泵在電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)中的性能。結(jié)果表明，空氣源熱泵在不同環(huán)境溫度和運(yùn)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(jìn)風(fēng)模式的系統(tǒng)COP最高可達(dá)3.5；而在0℃環(huán)境溫度下，該模式下系統(tǒng)COP仍可達(dá)到3.2，顯示出良好的低溫適應(yīng)性。通過優(yōu)化鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量占空比和目標(biāo)吹腳溫度等參數(shù)，系統(tǒng)的能效表現(xiàn)可進(jìn)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(diào)系統(tǒng)的能耗，有助于延長電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。本研究為電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了重要的理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，證明了空氣源熱泵在電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力和實(shí)際可行性。未來的研究可進(jìn)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(xiàn)：

[1]張歡歡.電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)研究[J].安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，16（5）：22-26.

[2]陳長風(fēng).談空氣源熱泵技術(shù)及其應(yīng)用[J].山西建筑，2014（35）：146-147+148.

[3]楊雨燊.純電動(dòng)汽車用熱泵空調(diào)系統(tǒng)的開發(fā)與仿真研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2019.

[4]董哲明，強(qiáng)健偉，施睿，等.某純電動(dòng)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(xué)報(bào)，2024，14（01）：83-93.

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

[6]吳靖，陳海濤，任亞超，等.電動(dòng)汽車間接式熱泵空調(diào)系統(tǒng)的制熱性能實(shí)驗(yàn)研究[J].制冷技術(shù)，2022，42（06）：49-54.