纯电动汽车具有无污染、噪声小、轻便舒适等特点,受到广大消费者的青睐。但是氟利昂制冷剂广泛的用在纯电动汽车空调系统中;除此之外,纯电动汽车在冬季时没有发动机余热可供利用,采用热敏电阻电加热的方式会消耗过多的电能,使续航里程大大衰减。所以提升纯电动汽车的续航里程、缓解氟利昂制冷剂对自然环境和臭氧层的破坏已经成为急需解决的问题。针对上述问题,本文为纯电动汽车设计了一套跨临界CO₂热泵空调系统,并对系统进行了仿真优化和实验研究。本文的主要研究内容和结论如下:（1）建立了跨临界CO₂单级压缩循环仿真模型。建立物性模块、压缩机模型、气冷器模型、蒸发器模型、膨胀阀模型和跨临界CO₂单级压缩循环的仿真模型。研究了运行工况对跨临界CO₂单级压缩循环的影响,结果表明:低温条件下跨临界CO₂单级压缩循环的制热量过低。（2）建立了跨临界CO₂准二级压缩循环的仿真模型。研究了运行工况对跨临界CO₂准二级压缩循环性能的影响,并将跨临界CO₂准二级压缩循环的结果和跨临界CO₂单级压缩循环的结果进行对比。结果表明:在相同条件下,与跨临界CO₂单级压缩循环相比,跨临界CO₂准二级压缩循环的制热量增加58.6～71.1%,排气温度降低了9.4～10.0℃。（3）搭建了跨临界CO₂热泵空调系统实验平台。依据纯电动汽车的负荷需求,设计了一套跨临界CO₂热泵空调系统实验平台,对系统零部件进行了设计与选型。（4）首先研究了排气压力对跨临界CO₂单级压缩循环性能的影响,然后研究了中间补气压力对跨临界CO₂准二级压缩循环性能的影响,分别得到最优排气压力和最优中间补气压力的关联式。（5）研究了运行工况对跨临界CO₂单级压缩循环和跨临界CO₂准二级压缩循环的影响。研究结果表明:压缩机耗功、制热量和制冷量都随着压缩机转速的增加而增加,但是制热量和制冷量增加的速率要小于压缩机耗功增加的速率;系统的蒸发温度每增加5℃,制冷量增加535.9～948.4 W;在乙二醇水溶液进口温度从-18℃增加到0℃的过程中,系统的制热量平均提高了47.2%;在相同条件下,跨临界CO₂准二级压缩循环的COP（Coefficient of Performance）比跨临界CO₂单级压缩循环高4.4%。所以说,在低温条件下准二级压缩循环的性能要优于单级压缩循环。