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新能源汽车空调系统（R134A）性能评估（一）

news 来源：原创 2025/6/28 6:39:21

国内外主流空调系统厂家：贝尔、德尔福、空调国际、法雷奥、电装、松芝、杰信、新电、豫新等
泛亚汽车的空调电子部是比较优秀的整车空调研发团队。
空调系统综合试验台架是一套由试验室、风量测定装置、空气调和器、空气温度测定装置、湿度测定装置、加热器试验辅助系统、试件电源供应箱、热电偶箱、冷媒系统所构成的能够测定空调系统各项性能的试验台架。

新能源汽车空调系统（R134A常规方案）测试方案

一、测试目标

验证空调系统制冷/制热性能（COP、制冷量、制热量）。
监控冷媒流量动态变化，优化压缩机与膨胀阀协同控制。
分析高低压管路压力稳定性，避免系统过载或制冷剂不足。
评估极端工况（高温暴晒、低温冷启动）下的系统可靠性。

二、系统架构与关键节点

空调系统组成：

电动压缩机（高压侧起点）→ 冷凝器 → 储液干燥器 → 膨胀阀 → 蒸发器（乘员舱制冷）→ 气液分离器 → 压缩机入口（低压侧终点）。
附加回路：电池冷却器（与空调系统耦合）、PTC加热器（制热模式）。

关键测量节点：

压缩机出口（高压液态管路）
冷凝器出口（高压液态管路）
膨胀阀入口（高压液态管路）
蒸发器出口（低压气态管路）
压缩机入口（低压气态管路）
电池冷却器进出口（耦合回路）

三、传感器布置与选型

1. 流量传感器

测量位置	传感器类型	量程	数量	选型建议
压缩机出口（高压液态）	科里奥利质量流量计	0.5~50 kg/h	2	Emerson CMF系列（实验室级高精度）
蒸发器出口（低压气态）	热式质量流量计	5~150 kg/h	1	Siemens Sitrans F（车载级防护）

备注：

科里奥利流量计：直接测量质量流量，避免相态和密度影响，精度±0.2%。
热式流量计：适用于气态流量，需配合温度/压力补偿，精度±1.5%。

2. 压力传感器

测量位置	量程	类型	数量	选型建议
压缩机出口（高压侧）	0~4.0 MPa	绝压传感器	2	Bosch 0261230023（耐高温型）
膨胀阀入口（高压侧）	0~4.0 MPa	绝压传感器	1	TE Connectivity MS5837
蒸发器出口（低压侧）	-0.1~2.0 MPa	差压传感器	1	Honeywell MLH系列

备注：

高压侧需耐高温（125℃以上），低压侧需适应负压（制冷剂不足时可能真空）。

3. 温度传感器

测量位置	量程	类型	数量	选型建议
压缩机出口（高压侧）	-40℃~150℃	PT100 RTD	2	Omega F2021（铂电阻高精度）
冷凝器出口（高压侧）	-40℃~100℃	PT100 RTD	1
蒸发器进出口（低压侧）	-40℃~80℃	K型热电偶	2	Omega TJ36-CAXL（快速响应）
压缩机入口（低压侧）	-40℃~80℃	K型热电偶	1
电池冷却器进出口	-40℃~100℃	PT100 RTD	2

备注：

PT100：适用于稳态高精度测量（±0.1℃）。
热电偶：响应速度快（毫秒级），适合瞬态温度监测。

四、数据采集系统设计

硬件配置：
- 采集设备：NI CompactDAQ（16通道，支持RTD/热电偶/电压输入）。
- 采样率：
  - 压力/流量：10 Hz（稳态） → 100 Hz（瞬态冲击测试）。
  - 温度：1 Hz（稳态） → 10 Hz（快速变化场景）。
- 通信接口：CAN总线集成（读取压缩机转速、膨胀阀开度等车辆信号）。
软件平台：
- LabVIEW或Vector CANape，实现多参数同步采集与实时可视化。

五、测试流程

准备阶段：
- 安装传感器，校准零点与满量程（冷媒静态压力下进行）。
- 设置环境仓条件（如38℃高温/ -20℃低温）。
基础性能测试：
- 制冷模式：记录COP、蒸发器进出口温差（目标8~12℃）、压缩机功耗。
- 制热模式：监测PTC加热器与热泵协同效率。
动态工况测试：
- 压缩机启停冲击：观察流量与压力瞬态波动（需100 Hz采样）。
- 膨胀阀阶跃调节：验证过热度控制稳定性（目标5~10℃）。
极端环境验证：
- 高温暴晒（60℃舱温）：监控冷凝器散热能力与高压侧压力峰值。
- 低温冷启动（-30℃）：测试电池冷却器防冻策略与制热延迟。

六、注意事项

传感器安装：
- 流量计前后需预留10倍管径的直管段，避免湍流干扰。
- 压力传感器接口需密封防漏（R134A易渗透）。
量程覆盖：
- 高压侧压力可能短时超4.0 MPa（如冷凝器堵塞），建议选择5.0 MPa量程传感器。
数据同步：
- 车辆CAN信号与传感器数据需时间戳对齐，便于分析控制策略延迟。

七、典型测试报告输出

参数	制冷模式	制热模式
COP值	≥2.5	≥1.8（热泵模式）
蒸发器温差（℃）	8~12	-
高压侧压力（MPa）	1.8~2.5	2.0~3.2
低压侧压力（MPa）	0.2~0.5	0.3~0.6

总结：此方案通过精准布置传感器（流量×3、压力×4、温度×8），结合高低压侧动态数据采集，可全面评估新能源汽车空调系统性能，为标定与能耗优化提供数据支撑。实验室推荐高精度科里奥利流量计，实车测试可采用车载级热式流量计以平衡成本与可靠性。

冷媒流量量程选择分析与建议

关键问题分析

车用空调系统流量通常以 质量流量（kg/h） 进行设计和标定。
R134A的密度在不同相态下差异极大：
- 液态（高压侧）：约 1.2 g/cm³（1200 kg/m³）；
- 气态（低压侧）：约 5~50 kg/m³（随温度和压力变化）。

典型车用流量范围换算
- 若以乘用车典型质量流量 5~150 kg/h 为例，转换为液态体积流量：
  体积流量 (L/min)} = 质量流量 (kg/h)/（密度 (kg/m³)*60）*1000
明确测量位置与相态
- 高压侧（液态）：选择量程 0.1~5 L/min（对应质量流量约 7.2~360 kg/h），需高精度传感器（如科里奥利流量计）。
- 低压侧（气态）：选择量程 5~150 kg/h，需考虑密度动态补偿（如集成温度/压力传感器）。
推荐量程与传感器选型

测量位置 建议量程 传感器类型 精度要求
高压侧（液态） 0.1~5 L/min 科里奥利流量计 ±0.5%读数
低压侧（气态） 5~200 kg/h 热式质量流量计 ±1.5%读数

测量位置	建议量程	传感器类型	精度要求
高压侧（液态）	0.1~5 L/min	科里奥利流量计	±0.5%读数
低压侧（气态）	5~200 kg/h	热式质量流量计	±1.5%读数

总结

优先选择 质量流量计（单位：kg/h），避免相态和密度的影响；

空调系统综合试验台架

空调系统综合试验台架是用于模拟、测试和优化空调系统性能的核心设备，广泛应用于汽车、轨道交通、建筑暖通等领域。其核心功能包括热力学参数测量、系统动态控制验证、能效评估及故障模拟。以下从结构组成、工作原理、关键技术及应用场景等方面展开分析：

一、试验台核心结构与功能模块

基础制冷/制热循环系统
- 压缩机：提供制冷剂循环动力，常见类型包括活塞式、涡旋式和变频压缩机（如1.5匹全封闭压缩机）。
- 换热器：冷凝器（风冷或水冷）与蒸发器（表冷器）组成热交换核心，部分实验台采用板式换热器提升效率。
- 节流装置：膨胀阀、毛细管或电子膨胀阀，控制制冷剂流量和压力，实验台常集成多种节流方式对比测试。
测量与控制系统
- 传感器网络：
  - 温度：PT100铂电阻（-50℃~150℃）用于稳态测量，K型热电偶（响应快）用于瞬态监测。
  - 压力：高压侧（0_{3.5MPa）和低压侧（-0.1}1.5MPa）绝压/差压传感器，实时监控系统状态。
  - 流量：科里奥利质量流量计（精度±0.2%）用于冷媒流量测量，涡轮流量计用于水循环流量监测。
- 控制单元：
  - PLC或嵌入式触摸屏实现PID控制，调节压缩机转速、膨胀阀开度等参数。
  - 故障模拟模块（如压力控制器）可设置高低压保护阈值，模拟过载或制冷剂泄漏场景。
辅助系统
- 环境模拟装置：
  - 高温/低温环境仓（-40℃~+60℃），模拟极端气候对空调系统的影响。
  - 加湿器（蒸汽喷管）和除湿装置，调节空气湿度。
- 动力与安全保护：
  - 三相异步电机（2.2kW~7kW）驱动压缩机，配备漏电保护、过流保护和接地保护。

二、工作原理与测试流程

热力学循环测试
- 通过测量压缩机进出口温度/压力、冷凝器与蒸发器换热效率，计算制冷系数（COP）和热平衡误差，验证系统能效。
- 示例：在R134a制冷剂系统中，高压侧压力典型值为1.8_{2.5MPa，低压侧为0.2}0.5MPa。
动态工况模拟
- 瞬态响应测试：压缩机启停冲击、膨胀阀阶跃调节，监测压力波动（采样率需≥100Hz）。
- 负载变化测试：模拟车辆爬坡或快充场景，调整冷却液流量和风扇转速，优化热管理策略。
多系统协同控制
- 汽车空调与电池热管理耦合：通过CAN总线集成整车控制器（VCU），优先分配制冷量至电池冷却，再满足乘员舱需求。
- 热泵模式测试：利用四通阀切换制冷剂流向，验证低温制热性能（如-30℃环境下的除霜效率）。

三、关键技术解析

智能控制算法
- 基于规则或机器学习的PID控制，动态调节电子膨胀阀开度，维持过热度在5~10℃。
- 云端数据迭代：通过车联网上传测试数据，优化控制策略适配不同气候区域。
高精度测量技术
- 科里奥利流量计：直接测量冷媒质量流量，避免气液两相流误差。
- 微压计与斜管压差计：用于风洞测试中的空气流速测量（如0~35Pa范围）。
安全与可靠性设计
- 高低压控制器：当高压>3.5MPa或低压<0.1MPa时自动切断电源，防止系统损坏。
- 密封性检测：通过氦质谱检漏仪或肥皂泡法排查制冷剂泄漏点。

四、典型应用场景

新能源研发：验证热泵系统在-30℃极寒环境下的制热能力与能耗。
汽车空调标定：在吐鲁番（干热）、黑河（高寒）等极端地区进行实车道路测试。
能效认证：依据ISO 5151标准，测量制冷量、制热量及COP值，获取行业认证。

五、技术发展趋势

多系统集成化：将空调、电池冷却、电机散热整合为一体化热管理系统，减少管路复杂度。
软件定义热管理：支持OTA升级控制策略，适配新型制冷剂（如CO₂跨临界系统）。
数字孪生技术：通过仿真模型与台架测试数据联动，加速开发周期。

总结

空调系统综合试验台架通过高精度传感器、智能控制算法和模块化设计，实现了从基础热力学验证到复杂工况模拟的全链条测试能力。其核心技术在于动态参数采集与多目标协同控制，未来将进一步向集成化、智能化方向发展，支撑新能源汽车、绿色建筑等领域的技术革新。

焓差实验室

一、焓差实验室是什么？

焓差实验室（Enthalpy Difference Laboratory）是专门用于测试空调、制冷设备等热力系统性能的高精度实验环境。其核心原理是通过测量设备在特定工况下的输入与输出焓差，计算能效比（COP/EER）、制冷量、制热量等关键指标。简单来说，就是通过精确控制温湿度环境，模拟真实运行条件，量化设备“吃多少电，产多少冷/热”。

二、实验室核心组成与工作原理

环境模拟舱
- 温湿度控制：通过精密空调、加湿器、除湿机等设备，模拟-30℃_{60℃的温度范围和10%}95%的相对湿度（如汽车空调需测试高温暴晒或极寒冷启动）。
- 空气循环系统：确保舱内气流均匀（风速0.1~5m/s可调），避免局部温湿度偏差影响测试结果。
测量系统
- 焓差法核心设备：
  - 空气取样装置：在设备进风口和出风口安装高精度温湿度传感器（如铂电阻PT1000、露点仪），实时采集干球温度、湿球温度。
  - 风量测量装置：采用喷嘴风洞、热线风速仪或毕托管，精确计算空气体积流量（单位：m³/h）。
- 电参数采集：功率分析仪监测设备输入功率（电压、电流、功率因数），用于计算能效比（COP = 制冷量/输入功率）。
数据采集与控制系统
- 自动化平台：通过PLC或工控机集成传感器信号，实时计算焓值（公式：h = 1.006T + (2501 + 1.805T)W，其中T为干球温度，W为湿度比）。
- 动态调节：根据设定工况自动调整环境舱参数，例如在制冷测试中维持进风温度35℃±0.5℃，湿度60%±3%。

三、焓差测试全流程解析

预处理阶段
- 设备安装：将被测空调或热泵固定在环境舱内，连接冷媒管路（如分体式空调需确保内外机距离符合标准）。
- 系统平衡：启动设备并运行至稳定状态（通常需30分钟以上），消除初始温度波动影响。
数据采集阶段
- 稳态测试：在恒定工况下连续采集10分钟数据，计算平均制冷量（公式：Q = ρ·V·Δh，ρ为空气密度，V为风量，Δh为进出风焓差）。
- 动态测试：模拟突加载荷（如开关门窗、人员进出），观察系统响应速度与温控精度。
能效计算与验证
- COP/EER计算：COP = 制冷量(kW)/输入功率(kW)，国标要求家用空调COP≥3.2（制冷模式）。
- 误差分析：风量测量误差需<±3%，温湿度传感器精度±0.1℃，确保最终结果置信度≥95%。

四、关键技术难点与解决方案

高精度温湿度控制
- 挑战：大空间均匀控温（如10m×8m环境舱内温差需<±0.5℃）。
- 方案：采用多点温湿度传感器+分区PID控制，搭配高换气次数（≥30次/h）的气流组织设计。
动态工况模拟
- 挑战：快速切换温湿度（如从-20℃升温至40℃需在1小时内完成）。
- 方案：液氮制冷+电加热组合调温，蒸汽喷射与转轮除湿联动控湿。
复杂系统兼容性
- 挑战：测试新能源汽车热泵时需集成电池冷却回路（冷媒-冷却液耦合）。
- 方案：增加二次侧冷却液循环测试模块（流量0.5_{10L/min，温度-40℃}120℃）。

五、应用场景与行业标准

家用与商用空调
- 测试标准：GB/T 7725（中国）、ISO 5151（国际），验证额定制冷量、季节能效比（SEER）。
- 案例：某品牌通过焓差测试发现蒸发器结霜不均，优化翅片设计后COP提升8%。
新能源汽车热管理
- 极端环境测试：在-30℃验证热泵制热效率，确保电池低温预热与乘员舱采暖协同。
- 多热源耦合：测试电机余热回收、PTC加热与热泵系统的动态优先级策略。
工业制冷设备
- 低温冷库验证：测试-50℃工况下压缩机的油回流稳定性与蒸发器除霜逻辑。

六、未来趋势与创新方向

智能化升级
- 数字孪生：通过3D仿真模型预测测试结果，减少物理实验次数（节省30%以上研发时间）。
- AI优化：利用机器学习分析历史数据，自动推荐最优控制参数（如膨胀阀开度、压缩机转速）。
绿色制冷剂测试
- 环保替代：针对R290（丙烷）、CO₂跨临界系统开发专用测试协议，解决高压力（CO₂系统压力达10MPa）、可燃性（R290）等新挑战。
多能源耦合测试
- 光储直柔系统：测试光伏+储能驱动的空调系统在电网离网模式下的性能衰减。

总结

焓差实验室是热力设备研发的“终极考场”，通过精密的环境模拟与数据采集，为能效提升、故障诊断提供核心支撑。从家用空调到航天温控，其硬核科技正推动着制冷行业向高效、低碳方向持续进化。