CO₂热泵集成热管理系统的研究与发展探讨

# CO₂热泵集成热管理系统的研究与发展探讨
- 研究背景
  - BEV低温续航下降30%
  - 传统PTC加热COP低
  - CO₂制冷剂优势
    - 低温环境高COP
    - 大加热功率
- 系统设计
  - 核心组件
    - 压缩机
    - 气冷器
    - IHX换热器
    - 蒸发器
    - 电池冷板
    - 电子膨胀阀
      - 6个阀
    - 三通阀
      - 4个阀
    - 四通阀
      - 2个阀
  - 工作模式
    - 模式1：乘员舱加热
      - 环境吸热→舱内放热
    - 模式2：舱&电池并联预热
      - 分流至舱/电池冷板
    - 模式3：舱&电池串联预热
      - 舱放热→电池冷板
    - 模式4：双热源余热回收
      - 环境+电机双吸热
    - 模式5：单热源余热回收
      - 仅电机吸热
- 建模方法
  - 仿真平台
    - GT-Suite
  - 关键模型
    - 压缩机模型
      - ηᵢₛ=0.9127·r⁻⁰·³⁶⁸
      - ηᵥ=1.1531·r⁻⁰·³⁰⁸
    - 电池模型
      - Thevenin
      - Qᵦₐₜ = I²R + I·C_T·T
    - 乘员舱集总参数
      - Q꜀ₐᵦ = Qᵣₐ𝒹 - Q꜀ₒₙ + Qₚₑᵣ + Qₑₗₑ
    - 电机热节点模型
      - Qₘₒₜ = h꜀A(Tʷᵃˡˡ - Tʳᵉ)
  - 性能指标
    - COP₁ = Q꜀ₐᵦ / W꜀ₒₘₚ
    - COP₃ = (Q꜀ₐᵦ + Qᵦₐₜ) / W꜀ₒₘₚ
    - COP₅ = (Q꜀ₐᵦ + Qₘₒₜ) / W꜀ₒₘₚ
- 关键结果
  - 乘员舱加热(模式1)
    - 最优排气压力：62 bar
    - COPₘₐₓ = 3.62
    - 温度滑移影响COP
  - 电池预热策略
    - 串联 vs 并联
      - 串联COP↑36%(3.29>2.47)
      - 温度均匀性↑(避免过冷/过热)
    - 控制目标
      - 冷凝温度：18°C(压缩机PID)
      - 出口干度x=0(EXV4 PID)
  - 余热回收对比
    - 单热源(模式5)优势
      - COP↑32%(4.69>3.55)
      - 电机吸热功率↑
    - 双热源(模式4)问题
      - 环境低温削弱性能
      - 电机冷却速率↓
  - 集成控制策略
    - 模式切换逻辑
      - Tᵦₐₜ<5°C → 模式3
      - Tₘₒₜ>65°C → 模式5
      - Tₘₒₜ<40°C → 模式1
    - -15°C连续WLTC验证
      - 舱温稳定18±2°C
      - 电池预热800s达标
- 结论与创新
  - 核心创新点
    - 直接制冷剂热管理架构
    - 串联预热提升能效32%
    - 单热源余热回收优化