特斯拉Model Y熱管理系統(tǒng)研究

摘要：

特斯拉純電動(dòng)車(chē)型Model Y上市已有一段時(shí)間，除了備受關(guān)注的價(jià)格、續(xù)航能力、自動(dòng)駕駛功能以外，其搭載的最新一代熱泵空調(diào)熱管理系統(tǒng)亦是大眾關(guān)注的焦點(diǎn)。經(jīng)過(guò)多年的沉淀與積累，特斯拉研發(fā)的熱管理系統(tǒng)一直是國(guó)內(nèi)外主機(jī)廠研究的重點(diǎn)對(duì)象?，F(xiàn)基于特斯拉熱泵的相關(guān)專(zhuān)利，對(duì)其技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析，可以為電動(dòng)車(chē)的熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

0 引言

在碳中和的大背景下，乘用車(chē)的電動(dòng)化步伐越來(lái)越快，隨之而來(lái)的是整車(chē)智能化的發(fā)展趨勢(shì)。熱管理系統(tǒng)肩負(fù)著保障乘員艙舒適性和避免三電系統(tǒng)熱失控的雙重使命，正朝著集成化、可控制化和精細(xì)化的方向不斷發(fā)展。如何在復(fù)雜環(huán)境中平衡乘員舒適性和電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程之間的關(guān)系，也是熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中面臨的重要問(wèn)題。

特斯拉作為電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的引領(lǐng)者，其熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一直都大膽且激進(jìn)。從最早的Model S到具有象征意義的Model Y，每一代熱管理系統(tǒng)都是相關(guān)從業(yè)者競(jìng)相研究的對(duì)象。本文將基于特斯拉的相關(guān)專(zhuān)利，對(duì)Model Y熱管理系統(tǒng)的運(yùn)行邏輯和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析，為熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供不同的視角。

1 Model Y熱管理系統(tǒng)技術(shù)概述

Model Y熱管理系統(tǒng)運(yùn)用了最新的熱泵技術(shù)，即通常所說(shuō)的“熱泵空調(diào)系統(tǒng)”，該系統(tǒng)包含乘員艙采暖、乘員艙制冷、電池包冷卻、電池包加熱、電驅(qū)單元冷卻五大主要功能。不同于傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)，特斯拉的空調(diào)沒(méi)有單獨(dú)設(shè)置室外冷凝器，而是通過(guò)熱交換器與冷卻水管的耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)冷凝器的功能。整個(gè)系統(tǒng)的熱量交換也都采用類(lèi)似的耦合模式。

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的一大特點(diǎn)是取消了高壓PTC，替換為兩個(gè)乘員艙中的低壓PTC。同時(shí)空調(diào)壓縮機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)也存在一個(gè)低能效的制熱模式，用來(lái)在環(huán)境溫度低于- 10 ℃時(shí)作為整個(gè)系統(tǒng)熱量補(bǔ)償?shù)膩?lái)源，這保證了整個(gè)熱泵系統(tǒng)在- 30 ℃的環(huán)境下也能穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。在實(shí)際測(cè)試中，這樣的設(shè)計(jì)還能降低熱泵空調(diào)系統(tǒng)的工作噪聲，提升整車(chē)的NVH性能[ 1]。

另一大特點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)的集成化程度極高，采用了集成的歧管模塊[ 2]和集成的閥門(mén)模塊。整個(gè)模塊的核心是一個(gè)八通閥，可以把它看作是兩個(gè)四通閥的集成。整個(gè)模塊采用調(diào)節(jié)八通閥動(dòng)作位置的方式，使冷卻液在不同回路中進(jìn)行熱量交換，確保熱泵的各項(xiàng)功能得以實(shí)現(xiàn)。

2 Model Y熱泵系統(tǒng)架構(gòu)原理圖

相較于市面上其他搭載熱泵的車(chē)型，特斯拉在硬件與整車(chē)的集成上更進(jìn)一步。其熱泵模塊包含了電動(dòng)壓縮機(jī)、電池冷卻器、液冷冷凝器、氣液分離器、電子膨脹閥、八通閥、部分空調(diào)管路、部分冷卻液管路以及十?dāng)?shù)個(gè)冷媒、冷卻液的接口，而體積只占據(jù)了前機(jī)艙非常小的一部分空間，這使得特斯拉的整個(gè)機(jī)艙內(nèi)部顯得十分整潔有序。通過(guò)控制八通閥各個(gè)接口間的通斷，Model Y整車(chē)熱泵能實(shí)現(xiàn)11種不同類(lèi)型的工況模式。整車(chē)熱泵系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

3 Model Y熱泵運(yùn)行邏輯與場(chǎng)景分析

Model Y熱泵系統(tǒng)集成應(yīng)用的策略與環(huán)境溫度和電池溫度有著直接的關(guān)系，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)環(huán)境與電池包的實(shí)時(shí)溫度，來(lái)規(guī)劃熱泵系統(tǒng)參與加熱的程度（即COP），以啟動(dòng)不同級(jí)別的加熱模式。在滿足乘員艙舒適性需求時(shí)，熱泵會(huì)優(yōu)先采用較高COP的模式運(yùn)行，減少能源的消耗，提高續(xù)航里程。

雖然Model Y熱泵系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)十幾種功能，但總結(jié)起來(lái)大致可以分為以下5種模式：?jiǎn)为?dú)乘員艙制熱、乘員艙&電池都需要制熱、乘員艙需要制熱&電池需要冷卻、乘員艙&電池都需要冷卻、乘員艙余熱回收。下面針對(duì)各個(gè)場(chǎng)景，分析熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行模式。

3.1 單獨(dú)乘員艙制熱模式分析

Model Y的熱泵將乘員艙需要加熱的情況作了區(qū)分，以環(huán)境溫度- 10 ℃為界，在環(huán)境溫度低于- 10 ℃時(shí)，受到當(dāng)前技術(shù)條件的限制，熱泵系統(tǒng)的制熱能力受到很大的制約。在這樣的溫度下，電池包本身的溫度決定了熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行模式。

若電池此時(shí)溫度高于10 ℃，熱泵系統(tǒng)能通過(guò)電池冷卻器從電池、電機(jī)循環(huán)的耦合回路中吸收熱量來(lái)給乘員艙加熱。冷媒經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)后，依次經(jīng)過(guò)電磁截止閥1→乘員艙冷凝器→電子膨脹閥2→氣液分離器，最終回到壓縮機(jī)，完成一個(gè)對(duì)乘員艙的制熱循環(huán)。冷卻液經(jīng)過(guò)電池冷卻器與冷媒進(jìn)行熱交換后，依次經(jīng)過(guò)八通閥水口8至2→電池包→八通閥水口1 至3→電子水泵1→控制器及驅(qū)動(dòng)單元→八通閥水口4至6→液冷冷凝器→膨脹水壺→八通閥水口5至7→電子水泵2，再流入電池冷卻器。在這個(gè)過(guò)程中，為防止熱量損失，室外的換熱器部分是被八通閥屏蔽的。乘員艙同時(shí)接收到壓縮機(jī)消耗的電功率和電池回路的熱量，系統(tǒng)整體的COP遠(yuǎn)高于1。

若電池溫度較低，無(wú)法給乘員艙提供熱量，則乘員艙的制熱主要依靠壓縮機(jī)做功。在這種極端條件下，熱泵系統(tǒng)無(wú)法通過(guò)外部散熱器或是電池冷卻器實(shí)現(xiàn)冷媒與冷卻液的熱量交換，電子膨脹閥2與電磁截止閥2均處于關(guān)閉狀態(tài)。冷媒經(jīng)壓縮機(jī)做功后，經(jīng)由電磁截止閥1→乘員艙冷凝器→電子膨脹閥1→乘員艙蒸發(fā)器→氣液分離器后，直接回到壓縮機(jī)。冷卻液循環(huán)則與上述電池不提供熱量時(shí)一致，但在電池冷卻器處并不進(jìn)行熱量交換。

若環(huán)境溫度高于- 10 ℃，則熱泵系統(tǒng)優(yōu)先從外部環(huán)境中吸收熱量。系統(tǒng)中膨脹閥1關(guān)閉，冷媒通過(guò)電池冷卻器吸收環(huán)境中的熱量。通過(guò)改變對(duì)八通閥的控制，讓冷卻液依次經(jīng)過(guò)八通閥水口8至6→液冷冷凝器→膨脹水壺→室外散熱器→八通閥水口9至7→電子水泵2，再回到電池冷卻器形成閉環(huán)。

上述3種情況，在環(huán)境溫度較低時(shí)，熱泵都會(huì)屏蔽室外散熱器，不讓其接入系統(tǒng)，是為了避免熱量進(jìn)一步釋放到空氣中，大大提高了系統(tǒng)內(nèi)部熱量的利用率；而在環(huán)境溫度較高時(shí)，系統(tǒng)主動(dòng)接入外部散熱器，從外部環(huán)境吸收熱量給車(chē)輛加熱，可以充分提高系統(tǒng)的能效，實(shí)現(xiàn)能量的智能化與精細(xì)化控制。

3.2 乘員艙&電池同時(shí)加熱模式分析

通常情況下，電池包的溫度都會(huì)高于環(huán)境溫度。當(dāng)電池也需要加熱時(shí)，通常已經(jīng)是非常極端的情況，環(huán)境溫度低于- 10 ℃，此時(shí)的熱泵系統(tǒng)無(wú)法從外部環(huán)境獲得熱量。除了要保證乘員艙的舒適性外，還需要分出部分熱量供給電池包，此時(shí)的熱泵系統(tǒng)仍然完全依靠壓縮機(jī)做功，COP=1。從原理圖上看，冷媒經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)后，在截止閥1、2處按比例（優(yōu)先保障乘員艙制熱需求）分成兩路，一部分經(jīng)過(guò)乘員艙冷凝器，另一部分經(jīng)過(guò)液冷冷凝器，在電子膨脹閥1處匯合，再經(jīng)由乘員艙蒸發(fā)器→氣液分離器，返回壓縮機(jī)。冷卻液仍然在電池冷卻器處與冷媒進(jìn)行熱交換，被冷媒加熱后的冷卻液會(huì)將熱量傳遞到電池包處。

在一些特殊情況下，為了使電池快速升溫（大電流充電，電池溫度必須高于0 ℃），則要考慮犧牲乘員艙舒適性。此時(shí)熱泵會(huì)控制截止閥1與電子膨脹閥1關(guān)閉，打開(kāi)電子膨脹閥2，保持冷卻液循環(huán)不變，開(kāi)啟快速加熱電池包模式，這樣能使電池包快速達(dá)到可以充電或大功率放電的狀態(tài)。

3.3 乘員艙需要制熱&電池需要冷卻模式分析

這一模式通常出現(xiàn)在環(huán)境溫度較低，車(chē)輛需要進(jìn)行大功率充電時(shí)。車(chē)輛快充時(shí)間較短，乘員有很大可能性在車(chē)上等待充電，這個(gè)過(guò)程中乘員艙的制熱功能需要得到一定的保證。這時(shí)的冷媒與上述任何情況的流向都有差別，經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)做功之后的冷媒會(huì)分為兩路，一部分經(jīng)過(guò)乘員艙冷凝器，另一部分經(jīng)過(guò)液冷冷凝器，后共同在電子膨脹閥2→電池冷卻器處蒸發(fā)吸熱，再經(jīng)由氣液分離器回到壓縮機(jī)。

而冷卻液循環(huán)也被八通閥分隔成了兩部分，經(jīng)過(guò)電池冷卻器的部分被冷媒冷卻后，依次經(jīng)過(guò)八通閥水口8至2→電池包→八通閥水口1至7→電子水泵1，再流入電池冷卻器形成閉環(huán)。經(jīng)過(guò)液冷冷凝器的部分與電驅(qū)動(dòng)、室外散熱器串聯(lián)，將多余的熱量帶到室外環(huán)境中。

特斯拉的這個(gè)設(shè)計(jì)十分高明，一方面，乘員艙制熱量過(guò)剩時(shí)，其中一部分可以被液冷冷凝器帶到室外環(huán)境，這部分熱量在水路循環(huán)中不會(huì)影響到電池包；另一方面，在乘員艙制熱量不足時(shí)，截止閥2被關(guān)閉，冷媒的所有熱量都會(huì)集中到乘員艙冷凝器，用來(lái)加熱乘員艙。再者，若電池散熱能力不足，還能通過(guò)八通閥讓電池水循環(huán)先經(jīng)過(guò)室外換熱器，進(jìn)一步降低循環(huán)水溫。

3.4 乘員艙&電池都需要冷卻模式分析

這一情況即夏季正常的用車(chē)情況。此時(shí)的熱泵系統(tǒng)即作為普通的空調(diào)系統(tǒng)使用，液冷冷凝器替代了傳統(tǒng)的冷凝器進(jìn)行工作，使空調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)行。

3.5 余熱回收模式分析

這一模式較為特殊，但這一模式的存在也正是熱泵空調(diào)的優(yōu)勢(shì)以及控制智能化的體現(xiàn)。余熱回收，顧名思義即將整車(chē)冗余部分的熱量存儲(chǔ)起來(lái)，以便下一次用車(chē)時(shí)釋放。電池包因?yàn)槠鋵?duì)溫度的敏感性，表面一般都會(huì)有較好的保溫層，以維持電池的溫度恒定在一定范圍內(nèi)，這一特性使得它很適合作為車(chē)輛余熱回收的載體。冬季氣溫較低，當(dāng)車(chē)輛停車(chē)、人員離開(kāi)后，乘員艙或者電機(jī)內(nèi)部還會(huì)有一定的熱量，可通過(guò)熱泵將其存儲(chǔ)到電池包內(nèi)。

這一工況下，乘員艙內(nèi)部即為普通的制冷循環(huán)，冷媒和冷卻液在液冷冷凝器中進(jìn)行熱交換。冷卻液的循環(huán)在八通閥的控制下，是屏蔽室外散熱器的，避免熱量通過(guò)室外散熱器耗散到外部環(huán)境中。

在下一次用車(chē)時(shí)，電池包的溫度還能保持較高，熱泵系統(tǒng)就能利用這部分熱量給乘員艙進(jìn)行加熱。

4 Model Y熱泵系統(tǒng)與溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系

總體上來(lái)講，特斯拉Model Y熱泵空調(diào)系統(tǒng)分為以上五大運(yùn)行模式，另外還包含蒸發(fā)器化霜、乘員艙除霧、除濕等小功能，在此不再一一列舉，留給讀者自行探索。

通過(guò)以上對(duì)各個(gè)模式的分析，相信讀者能看出來(lái)，Model Y熱泵系統(tǒng)的控制邏輯與環(huán)境溫度、電池包溫度都有著密切的聯(lián)系，其中任何一個(gè)溫度都可能會(huì)影響熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行模式。它們的關(guān)系可以歸納為圖2。

5 八通閥

提到特斯拉的熱泵系統(tǒng)，就不得不單獨(dú)說(shuō)說(shuō)八通閥（Octovalve），它是特斯拉整個(gè)熱泵系統(tǒng)各項(xiàng)功能得以實(shí)現(xiàn)的最關(guān)鍵的零部件。早在Model S上，特斯拉就將一個(gè)五通閥集成在了膨脹水壺上，起名Super Bottle，它是一個(gè)集膨脹水壺、五通閥、電子水泵于一體的機(jī)構(gòu)，一經(jīng)上市，便引起國(guó)內(nèi)零部件廠家的熱烈追捧，目前已經(jīng)有少數(shù)供應(yīng)商能夠提供類(lèi)似的解決方案。而Model Y上的八通閥，設(shè)計(jì)更為激進(jìn)，集成度提升了好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，特斯拉也調(diào)皮地在上面留下了八爪魚(yú)的圖案形象。雖然在特斯拉的專(zhuān)利中對(duì)八通閥有詳細(xì)的描述，但要將其與實(shí)物上的結(jié)構(gòu)一一對(duì)應(yīng)起來(lái)仍然困難重重，相信短期內(nèi)很難有模仿者出現(xiàn)。

6 結(jié)語(yǔ)

如果拆解過(guò)特斯拉的熱泵系統(tǒng)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它的硬件架構(gòu)其實(shí)并不復(fù)雜，甚至比國(guó)內(nèi)應(yīng)用熱泵系統(tǒng)的車(chē)型要簡(jiǎn)單得多，這都?xì)w功于其中核心的八通閥（Octovalve）。特斯拉通過(guò)軟件控制，實(shí)現(xiàn)了以上五大場(chǎng)景、多達(dá)十幾種功能的應(yīng)用，而駕駛員只需要簡(jiǎn)單地設(shè)置空調(diào)溫度，其智能化程度確實(shí)值得國(guó)內(nèi)主機(jī)廠學(xué)習(xí)。但如特斯拉這般大刀闊斧地直接取消高壓PTC的使用，在嚴(yán)寒地區(qū)的用車(chē)體驗(yàn)是否會(huì)大打折扣，仍然需要時(shí)間去檢驗(yàn)。

任何一項(xiàng)技術(shù)變革，都是一次引發(fā)行業(yè)洗牌的機(jī)遇。在燃油車(chē)的技術(shù)路線上，經(jīng)歷了數(shù)十年的追趕，中國(guó)仍然不能躋身世界前列。而在新能源汽車(chē)的賽道上，中國(guó)已經(jīng)形成了先發(fā)優(yōu)勢(shì)，希望各大主機(jī)廠能用心沉淀，最終在這一領(lǐng)域出現(xiàn)媲美燃油車(chē)豐田、大眾級(jí)別的巨頭。

審核編輯：湯梓紅