什么是熱泵空調(diào)？電動車制熱和燃油車制熱有什么區(qū)別？

電車空調(diào)那點事：集中熱管理——熱泵空調(diào)

燃油車空調(diào)制熱VS電動車空調(diào)制熱

在了解熱泵空調(diào)是如何工作之前，先來看看電動車制熱和燃油車制熱有什么區(qū)別？

燃油車冬季空調(diào)制熱時，是利用發(fā)動機的余熱，對車廂內(nèi)進行供暖；電動車空調(diào)制熱有2種方式：一是通過車輛電池供能，用*PTC加熱器進行制熱。原理和吹風機一樣，電能加熱電阻絲后，鼓風機將熱風吹出。熱能都來自于電池，這種方式相對比較耗電； ? ?

二是通過熱泵進行制熱。即便是在冬天這種低溫環(huán)境下，空氣中依然存在熱量。與家用空調(diào)工作原理相同，熱泵通過蒸發(fā)吸熱-冷凝放熱原理將外部空氣里的熱量“搬運”到車廂內(nèi)，既能溫暖車廂，又可以節(jié)省能耗。 ? ?

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在電動車空調(diào)應(yīng)用領(lǐng)域，特斯拉的熱泵空調(diào)方案無疑是較早一批投入量產(chǎn)使用，且也是迄今為止較為有效的設(shè)計。

隨著本世紀初特斯拉發(fā)出了喚醒世界電動車行業(yè)的號角，新能源技術(shù)不斷演進，太陽能、燃料電池和特斯拉驅(qū)動器等新技術(shù)在汽車行業(yè)及家居空調(diào)行業(yè)有了質(zhì)的飛躍，驅(qū)動著整個行業(yè)的快速發(fā)展與進步，而其中的特斯拉空調(diào)制熱技術(shù)就是其中最重要的一部分。

特斯拉空調(diào)制熱技術(shù)，是特斯拉公司專為汽車制造的空調(diào)制熱技術(shù)，旨在普及更好的汽車制熱系統(tǒng)，以提高舒適性及汽車安全，更好地保護我們的環(huán)境，而特斯拉空調(diào)制熱技術(shù)也因此而受到許多車主們的青睞，受到關(guān)注和認可。

首先，特斯拉空調(diào)制熱技術(shù)能帶來更高的加溫效率，采用高精度溫度控制器，允許空調(diào)精準控制溫度，最高可達攝氏55度，只需較少的時間就能讓室內(nèi)溫度增加幾十攝氏度，較低的著裝讓您在室內(nèi)感受舒適的室溫，而不用擔心溫度的過高或過低。其次，特斯拉空調(diào)制熱技術(shù)還可以提高空調(diào)整體系統(tǒng)能效，也就是指特斯拉空調(diào)制熱技術(shù)可以使汽車空調(diào)系統(tǒng)在最低的用電量去獲得最高的加溫效果，通過更先進的技術(shù)和特斯拉驅(qū)動器等設(shè)備，實現(xiàn)更好的制熱能效及更低的耗電量，從而實現(xiàn)最節(jié)能的制熱體驗。 ? ?

再者，特斯拉空調(diào)制熱技術(shù)還能提供更好的安全性和舒適性，其使用的控溫系統(tǒng)能更加精確、有效的控溫，更直接地傳遞到用戶身上，實現(xiàn)更加有效的控溫效果，用戶不用擔心讓室內(nèi)溫度太高或太低。此外， 特斯拉空調(diào)制熱技術(shù)也可提供舒適度方面的好處。由于使用了高精度溫度傳感器讓特斯拉空調(diào)制熱技術(shù)可以更好的控制溫度，可以減少室溫波動，防止?jié)穸群蜏囟忍投械讲皇娣屇茉谑覂?nèi)始終感受到舒適的室內(nèi)溫度。

最后，特斯拉空調(diào)制熱技術(shù)還可以有效保護我們的環(huán)境，特斯拉空調(diào)制熱技術(shù)只需較少的用電量就可達到更加高效節(jié)能的制熱效果，用電量比一般空調(diào)制熱技術(shù)更少，從而減少對環(huán)境的污染。這也阻止著溫室氣體高速上升，全面保護了環(huán)境及家居室內(nèi)健康。

什么是熱泵空調(diào)？

特斯拉的熱管理系統(tǒng)中，有一個叫做“超級歧管”的設(shè)計，用來控制車輛在不同駕駛模式下熱量的轉(zhuǎn)移路徑，以應(yīng)對不同的熱需求場景，可以把電機發(fā)出的熱量搬運進駕駛室，從而提升能量的利用率，進而增加續(xù)航里程。

從整體的框架結(jié)構(gòu)來看，特斯拉工程師設(shè)計的熱泵空調(diào)方案覆蓋面非常廣，從純電動車型的電池、電機和電控系統(tǒng)，到負責為座艙調(diào)節(jié)溫度且為前擋風除霜的空調(diào)系統(tǒng)，可以說這是一套較為完備的熱管理系統(tǒng)。 ? ?

可能很多人對熱泵空調(diào)并不是特別了解，那么首先我們來聊聊它的工作原理。熱泵空調(diào)主要是利用冷媒介質(zhì)在氣態(tài)和液態(tài)來回轉(zhuǎn)變的過程中，根據(jù)其蒸發(fā)吸熱和冷凝放熱的原理，以此來實現(xiàn)制冷和加熱的最終目的。

熱泵空調(diào)原理很簡單，顧名思義，一般空調(diào)是制冷，它是把外界的熱量搬運到車內(nèi)，包括了環(huán)境中的熱量、電機驅(qū)動單元工作時散發(fā)的熱量，外界溫度高于零攝氏度或更高時，熱泵空調(diào)的效果很好，可以節(jié)省電能增加續(xù)航，還可以提前給車子預(yù)熱，提升充電效率，熱泵空調(diào)自然成了電動車不可忽略的一個賣點。

在熱泵空調(diào)大批量裝車以前，因為不能像燃油車那樣利用發(fā)動機的廢熱為乘員供暖，所以在純電動車型上常用的是PTC空調(diào)，它的制熱原理是通過給熱敏電阻通電，讓電阻產(chǎn)生熱量為座艙內(nèi)部的乘員供暖。通俗點說就是為熱敏電阻通多少電，它就能為乘員提供多少熱量，相對而言熱泵空調(diào)可以從外界的空氣獲取熱量，在耗電量方面比PTC空調(diào)更低些。

PTC（這貨叫“陶瓷發(fā)熱片”），基本原理與“電熱絲”是一樣的，通電它就發(fā)燙。然后風一吹，出來就是暖氣了。說白了，PTC就是一個“大型的熱吹風機”，效果猛是猛，電表轉(zhuǎn)的也是快……所以PTC制熱最主要的問題就是耗電，繼而影響電動汽車續(xù)航里程。

舉個例子來說，PTC空調(diào)更像是在緊鄰河邊的低洼處挖出一道蓄水池，蓄水的時候只需要將堤岸鑿出一道缺口，那么河水就會根據(jù)地心引力向下流的原理，不需要借助其它工具就能灌滿整個蓄水池，但在這個過程中要耗費很多人力，去實時監(jiān)測蓄水量的情況并及時去填堵缺口，同時還要實時觀察堤岸缺口是否會有被沖垮的風險。

熱泵空調(diào)，更像是在距離河邊較遠的高地挖出一道蓄水池，想要為其灌滿河水就需要借助水泵、水管等工具，這樣才能讓河水從低處向高處流動，最終灌滿整個蓄水池，整個過程中不需要浪費過多的人力去實時監(jiān)控，雖然使用的工具相對多了些，但是綜合來看會節(jié)省許多人力和精力。

其實從這個舉例也可以看出，熱泵空調(diào)因為使用了更多的零部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計會更加復(fù)雜些，所以直接體現(xiàn)的是在成本方面會更高一些，這也是當下不少純電動車型仍在用PTC空調(diào)方案的原因之一。

特斯拉的熱泵空調(diào)優(yōu)勢在哪？

熱泵空調(diào)是通過逆卡諾循環(huán)把熱量搬運進來，最核心的地方是需要一個四通閥來實現(xiàn)制冷劑的換向操作，這就需要增加很多管路和零部件，在車子有限的空間達成這點是很難的，四通閥的改進成為了技術(shù)突破的關(guān)鍵。

它起到的作用，就是可以讓“制冷劑”在空調(diào)系統(tǒng)里不僅可以“正向流動”還可以“反向流動”，從而實現(xiàn)制冷和采暖！那么“冷暖兩用空調(diào)”在行業(yè)里的專業(yè)學名叫做啥呢？就叫“熱泵”。

在制熱過程中，它只是熱量的“搬運工”，不生產(chǎn)熱量，電池的電能只應(yīng)用在“搬運”熱量上，從而達到省電的初衷。

在相同的冬季采暖工況下，與傳統(tǒng)電加熱技術(shù)相比，采用熱泵技術(shù)可降低50％～70％的制熱能耗。

熱泵在暖通行業(yè)其實早就見怪不怪了，1852年英國科學家開爾文就提出了熱泵設(shè)想；1912年瑞士的蘇黎世成功安裝世界上第一套熱泵系統(tǒng)；20世紀70年代，熱泵工業(yè)進入了黃金時期；21 世紀，隨著“能源危機 ”出現(xiàn)，熱泵成為當前最有價值的新能源科技；進入21世紀后，熱泵在中國的應(yīng)用越來越廣泛.... ? ?

特斯拉工程師研發(fā)的熱泵空調(diào)，在結(jié)構(gòu)和布局方面要比市場中的競品稍微復(fù)雜些。特斯拉工程師為此發(fā)明出了不但可以實現(xiàn)制冷制熱無縫切換又不占空間的八通閥：“超級歧管”，實際就是兩個四通閥合并在了一起，這玩意每次旋轉(zhuǎn)都對應(yīng)著一條特定制冷劑的線路，其設(shè)計之精妙令人嘆為觀止，不但能保證車子制冷，而且可以從電池組、驅(qū)動單元和其他散熱部件吸取多余熱量，吸收熱量的多少也可以很好的控制，讓哪個部件工作，哪個部件閑置，它都可以靈活控制。

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以特斯拉Model Y車型為例，它所搭載的熱泵空調(diào)就包括有9條冷媒介質(zhì)循環(huán)管路，這9條管路不僅在布局上錯綜復(fù)雜，同時在不同用車場景下冷媒介質(zhì)的流動途徑也不相同。

為了能夠滿足乘員的用車需求，精準的控制冷媒介質(zhì)流動方向是一個非常重要的問題，所以特斯拉工程師們就把9條管路交匯在一起，在交匯的中心點裝配一個八通閥，使用這項裝置來控制冷媒介質(zhì)該流向哪個方向。

特斯拉首創(chuàng)的八通閥，讓整車熱量得以“自產(chǎn)自銷”，可以說是電動車熱管理的天花板。升級后的特斯拉熱泵空調(diào)技術(shù)，能在保證冬季續(xù)航的情況下，滿足不同場景的制熱需求。車主們在冬天遠程對座椅、方向盤、空調(diào)進行預(yù)熱，就是八通閥的功勞。 ? ?

除此之外，特斯拉工程師設(shè)計的熱泵空調(diào)，同時還由蒸發(fā)箱、冷凝器、蒸發(fā)箱散熱器、冷凝器換熱器、蓄液器、水泵和散熱水箱等結(jié)構(gòu)組成，在八通閥的控制下根據(jù)不同的用車場景，就可以讓空調(diào)實現(xiàn)共12種制熱模式和3種制冷模式。

除了能夠?qū)崿F(xiàn)以比PTC空調(diào)更低的消耗電量，借助車外空氣中的熱量做到為電池組保暖、除霜、除霧和為座艙供暖等基礎(chǔ)的加熱功能外，驅(qū)動電機等零部件在正常運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的熱量，也會為以上功能奉獻出自己的一份余熱。 ? ?

不過值得注意的是，特斯拉研發(fā)的熱泵空調(diào)也會受到車外環(huán)境溫度的限制，在溫度低于零下十度的場景因為空氣中的熱量會相應(yīng)減少，所以熱泵空調(diào)從環(huán)境中汲取的熱量也會隨之減少，不過零下十度這個門檻也能滿足大部分國內(nèi)的用車場景了。

在這種極寒的環(huán)境中，如果用完車將車輛停放在停車位上，因為開車的路途中打開了空調(diào)制熱模式，座艙內(nèi)部還是有一定熱量存在的，熱泵空調(diào)會將座艙內(nèi)部的熱量進行回收，把熱量儲存起來為電池組保暖保溫。

在車輛充電的時候，因為特斯拉的超充樁功率相對較大，所以車輛的電池組等零部件也會產(chǎn)生一定熱量，而且產(chǎn)生的熱量比普通車輛要稍大些，此時熱泵空調(diào)便會開啟超充模式下的散熱行為，將這些熱量及時向外散出。

特斯拉熱管理系統(tǒng)技術(shù)概述

特斯拉從 2008年第 1款電動汽車 Tesla Roadster上市，至今已經(jīng)生產(chǎn)了5款電動汽車。按照時間序列和匹配車型，可把特斯拉電動汽車熱管理系統(tǒng)技術(shù)可分為4代。以Tesla Roadster為代表，采用最早一代特斯拉熱管理系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)相對簡單，沿用傳統(tǒng)汽車熱管理系統(tǒng)思路，各個熱管理回路相對獨立。以 Tesla Model S/X為代表，采用特斯拉第2代熱管理系統(tǒng)，引入四通換向閥，實現(xiàn)電機回路與電池回路的串并連切換，在行業(yè)內(nèi)屬于首創(chuàng)。以 Tesla Model 3為代表，采用特斯拉第3代熱管理系統(tǒng)，通過引入電機堵轉(zhuǎn)加熱，取消電池回路高壓正溫度系數(shù)熱敏電阻（Positive Temperature Coefficient, PTC）降低成本；乘員艙采暖仍然采用高壓風暖 PTC，但通過從設(shè)計結(jié)構(gòu)上進行改進，克服風暖PTC無法實現(xiàn)乘員艙溫度分區(qū)控制的短板；同時結(jié)構(gòu)上采用集成式儲液罐，簡化熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置，降低后期維護成本的目的。以Tesla ModelY為代表，采用特斯拉最新一代熱管理系統(tǒng)技術(shù)，在特斯拉產(chǎn)品序列中首次采用熱泵空調(diào)系統(tǒng)，與特斯拉提出的電機低效制熱模式技術(shù)相結(jié)合，可應(yīng)用于極端環(huán)境下乘員艙加熱，同時取消乘員艙高壓風暖PTC配置節(jié)約成本；在結(jié)構(gòu)上采用高度集成的八通閥模塊，對系統(tǒng)多個熱管理系統(tǒng)部件進行集成，同時實現(xiàn)不同熱管理系統(tǒng)工作模式的靈活切換。 ? ?

特斯拉對電動汽車熱管理技術(shù)進行不斷的創(chuàng)新，從技術(shù)上和結(jié)構(gòu)上提出了新的想法，引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展，為電動汽車熱管理系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路。

3 特斯拉熱管理系統(tǒng)技術(shù)詳解

3.1 特斯拉第1代熱管理系統(tǒng)

特斯拉第 1 代熱管理系統(tǒng)應(yīng)用于 Tesla Roadster車型，其熱管理系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，包含電機回路、電池回路、空調(diào)暖通（Heating Ventilation and Air Conditioning, HVAC）回路和空調(diào)回路，各回路功能相對獨立，不同回路之間的耦合度相對較小。 ? ?

電機回路上布置有驅(qū)動電機、電子控制單元、電子水泵、膨脹水箱、電機散熱器和冷卻風扇。其主要作用是對電機回路上各電子部件進行散熱，保證各電子部件工作在合理的溫度范圍。

電池回路上布置有動力電池、熱交換器、膨脹水箱、高壓PTC和電子水泵。其主要作用是對動力電池進行溫度調(diào)節(jié)控制，在低溫環(huán)境下，對動力電池進行加熱，改善動力電池的低溫性能；在高溫環(huán)境下，通過與空調(diào)系統(tǒng)交互的熱交換器，對動力電池進行冷卻，保證動力電池的性能和使用壽命。

HVAC回路上布置有散熱器、高壓PTC、鼓風機、熱交換器和電子水泵。其主要作用是對乘員艙溫度進行調(diào)節(jié)，在低溫環(huán)境下，通過高壓風暖PTC對鼓風機吸入的低溫空氣進行加熱，為乘員艙進行采暖；在高溫環(huán)境下，通過與空調(diào)系統(tǒng)交互的熱交換器，對HVAC回路進行冷卻，經(jīng)散熱器對鼓風機吸入的高溫空氣進行冷卻，為成員艙進行制冷。

空調(diào)系統(tǒng)采用傳統(tǒng)單蒸發(fā)器空調(diào)，回路上布置有壓縮機、冷凝器、膨脹閥、熱交換器和干燥瓶。由壓縮機驅(qū)動冷媒工質(zhì)進行制冷循環(huán)，通過熱交換器對電池系統(tǒng)回路和HVAC系統(tǒng)回路進行制冷。 ? ?

另外，電機回路和HVAC回路上布置有3個控制閥，可實現(xiàn)電機回路余熱為HVAC回路加熱的目的，在低溫環(huán)境下，成員艙有制冷需求，通過HVAC回路的散熱器對鼓風機吸入的低溫空氣進行預(yù)加熱，節(jié)約高壓PTC消耗的電能。

3.2 特斯拉第2代熱管理系統(tǒng)

Tesla Model S/X車型采用特斯拉第2代熱管理系統(tǒng)，相對于第1代熱管理系統(tǒng)，集成度更高，首次引入四通閥控制結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)電機回路與電池回路的串并聯(lián)模式。另外，空調(diào)系統(tǒng)采用雙蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)。其熱管理系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

空調(diào)系統(tǒng)仍然采用傳統(tǒng)空調(diào)，相對第1代系統(tǒng)，引入了成員艙內(nèi)蒸發(fā)器和冷媒-水熱交換器（Chiller），分別實現(xiàn)成員艙和電池回路的制冷。當成員艙有制冷需求時，通過空調(diào)冷媒在室內(nèi)蒸發(fā)器內(nèi)的相變吸熱過程對乘員艙進行制冷，這種方式在第1代空調(diào)的基礎(chǔ)上，取消了HVAC冷卻回路，實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)對乘員艙的直接制冷過程，制冷效果更好?？照{(diào)系統(tǒng)與電池回路通過Chiller熱交換器進行換熱，可對空調(diào)制冷量進行精確分配，減小電池回路的主動冷卻過程對乘員艙制冷舒適性的影響。當乘員艙有采暖需求時，采用高壓風暖PTC進行乘員艙進氣加熱。 ? ?

電機回路相較于第1代系統(tǒng)，增加了與電池回路相耦合的四通閥結(jié)構(gòu)，另外對冷卻部件有所調(diào)整，增加了車載充電機的冷卻。在結(jié)構(gòu)上，仍然采用外置低溫散熱器對回路進行冷卻，但在此基礎(chǔ)上，新增三通閥結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)對外置低溫散熱器的短接，在不需要散熱的情況下，較好地避免了多余熱量的散失，為電機余熱回收利用提供基礎(chǔ)。

由于電池回路和電機回路采用同樣的冷卻工質(zhì)，通過引入四通閥控制，可實現(xiàn)電池回路和電機回路的靈活交互。在整車冷啟動工況下，當電池系統(tǒng)有加熱需求，可調(diào)節(jié)四通閥的開啟狀態(tài)，實現(xiàn)電機回路和電池回路串聯(lián)，使用電機系統(tǒng)的余熱為電池系統(tǒng)進行加熱，減少高壓PTC為電池加熱所消耗的電能。在環(huán)境溫度低于一定值，同時電池有冷卻需求，電機回路溫度低于電池回路，可調(diào)節(jié)四通閥的開啟狀態(tài)，實現(xiàn)電機回路和電池回路串聯(lián)，通過電機回路的散熱器為電池系統(tǒng)進行冷卻，節(jié)約空調(diào)系統(tǒng)為電池冷卻所需要的能量消耗。

當整車運行工況、電池系統(tǒng)和電機系統(tǒng)的工作狀態(tài)，不滿足兩熱管理回路串聯(lián)模式的情況下，則控制四通閥開啟狀態(tài)，實現(xiàn)兩回路并聯(lián)。對電機回路和電池回路的熱管理需求進行獨立控制。

特別指出，在最終量產(chǎn)車型上，實際熱管理系統(tǒng)布置結(jié)構(gòu)可能根據(jù)實際情況會有所調(diào)整，比如 TeslaModel S采用雙冷凝器布置結(jié)構(gòu)，而Tesla Model X采用單冷凝器布置結(jié)構(gòu)。但其與圖2所示的熱管理拓撲結(jié)構(gòu)沒有本質(zhì)的區(qū)別，在此不再單獨敘述。

3.3 特斯拉第3代熱管理系統(tǒng)

以Tesla Model 3為代表的車型采用特斯拉第3代熱管理系統(tǒng)。相對于第2代熱管理拓撲結(jié)構(gòu)，沒有本質(zhì)上的差別，更多的是增加了一些新的技術(shù)應(yīng)用，同時結(jié)構(gòu)設(shè)計上更凸顯集成化。在風暖PTC、驅(qū)動電機和儲液罐結(jié)構(gòu)設(shè)計上均有較大的技術(shù)創(chuàng)新，下面將分別進行介紹。 ? ?

3.3.1 風暖PTC新技術(shù)

空調(diào)系統(tǒng)仍采用傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)，主要用于乘員艙制冷和動力電池回路的主動冷卻過程。乘員艙采暖仍然采用高壓風暖PTC結(jié)構(gòu)，但相對于第2代熱管理系統(tǒng)，從風暖PTC的結(jié)構(gòu)設(shè)計端進行了改進，克服風暖PTC無法實現(xiàn)分區(qū)控制的缺點。

特斯拉空調(diào)箱系統(tǒng)采用風暖PTC進行乘員艙加熱，PTC采用正溫度因子材料隨長度變化的加熱管?？蓪崿F(xiàn)駕駛座與副駕駛座的分區(qū)加熱控制，風暖PTC加熱體橫跨駕駛側(cè)風道與副駕駛側(cè)風道，如圖3所示。

風暖PTC加熱器由多個加熱芯組成，每個加熱芯沿長度方向可分為8個單元，可對每個單元采用的正溫度系數(shù)電阻材料用量進行設(shè)定，如圖4所示。正溫度系數(shù)電阻材料用量不同，在接通電流后，會產(chǎn)生不同的熱量和表面溫度，因而可實現(xiàn)2側(cè)氣體流道內(nèi)的不同吹風溫度。通過選擇性地對1個或多個加熱芯進行IGBT開關(guān)控制，最終實現(xiàn)駕駛側(cè)和副駕駛側(cè)的分區(qū)溫度控制。 ? ?

目前風暖PTC大多無法實現(xiàn)分區(qū)控制。特斯拉對熱管理部件層面進行研究，在其他廠家普遍采用水暖PTC實現(xiàn)空調(diào)分區(qū)控制的情況下，特斯拉仍堅持采用風暖PTC技術(shù)路線，從部件的設(shè)計入手，在保留風暖PTC升溫響應(yīng)快的優(yōu)點基礎(chǔ)上，解決風暖PTC的短板，拓寬風暖PTC的使用場景。

3.3.2 驅(qū)動電機新技術(shù)

驅(qū)動電機采用油冷電機，與電機回路通過熱交換器實現(xiàn)熱量傳遞，同時電機新增低效制熱模式，通過電機控制器新的控制方式，可實現(xiàn)電機發(fā)熱模式，通過四通閥控制，實現(xiàn)與電池回路的串聯(lián)，采用電機低效制熱模式用于電池回路的加熱，相應(yīng)的取消電池回路的高壓PTC，減少成本。采用電機低效制熱模式對電池回路進行加熱的運行如圖5所示。

在極端冷啟動工況下，電池有快速加熱需求，在電機與電池回路串聯(lián)的情況下，電機正常余熱無法滿足電池升溫速率需求，則驅(qū)動電機進入低效制熱模式。通過電機控制器調(diào)節(jié)電機定子線圈旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子永磁體的相位角，實現(xiàn)不同的電機效率。驅(qū)動電機進入電機低效制熱模式，對電機定子線圈進行驅(qū)動生成熱量，同時保證電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)或靜止。 ? ?

結(jié)合特別設(shè)計的電機潤滑油流道，實現(xiàn)電機低效制熱模式下的驅(qū)動電機熱量轉(zhuǎn)移，通過熱交換器，把電機低效制熱模式下生成的熱量轉(zhuǎn)移到電池回路，用于電池系統(tǒng)加熱。電機低效制熱模式可實現(xiàn)遠大于電機普通驅(qū)動模式下的生熱，因而可取消電池回路的高壓PTC，節(jié)省系統(tǒng)成本。電機低效制熱模式下的潤滑油和熱流量流動如圖6所示。

3.3.3 集成式儲液罐技術(shù)

傳統(tǒng)熱管理系統(tǒng)包含大量的熱管理部件和管路，同時采用眾多的軟管和接頭進行連接，增加了整個熱管理系統(tǒng)運行過程中的失效風險點。另外，由于各部件安裝位置不同，在整車裝配過程中需要消耗大量的時間和人工成本。

特斯拉采用集成式儲液罐設(shè)計，實現(xiàn)膨脹水箱與熱管理系統(tǒng)的加熱與冷卻部件高度集成，如圖 7 所示。該集成模塊可以包含四通閥、電機水泵、電池水泵、Chiller熱交換器、散熱器和執(zhí)行器等部件，通過結(jié)構(gòu)改進，減少不必要的熱管理系統(tǒng)管路和接頭連接數(shù)量，簡化熱管理系統(tǒng)在整車上的裝配工作量，節(jié)省整車裝配時間和后期維護成本。 ? ?

3.4 特斯拉第4代熱管理系統(tǒng)

特斯拉第4代熱管理系統(tǒng)應(yīng)用于特斯拉最新車型Tesla Model Y，其熱管理系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖 8 所示。包含空調(diào)系統(tǒng)回路、電機系統(tǒng)回路和電池系統(tǒng)回路。

相對于特斯拉以往熱管理系統(tǒng)，在Tesla Model Y車型上，特斯拉首次引入熱泵空調(diào)系統(tǒng)。該空調(diào)系統(tǒng)主要是負責乘員艙的采暖和制冷功能。在結(jié)構(gòu)上，該空調(diào)系統(tǒng)沒有單獨設(shè)置外置冷凝器，通過熱交換器和管路連接，與電池回路和電機回路進行耦合，實現(xiàn)整個熱管理系統(tǒng)的熱量交互。 ? ?

在使用驅(qū)動電機運行低效制熱模式為電池系統(tǒng)加熱的基礎(chǔ)上，新增空調(diào)系統(tǒng)壓縮機和鼓風機電機的低效制熱模式。在極端低溫啟動情況下，控制空調(diào)壓縮機和鼓風機的電機進入低效制熱模式，作為電加熱器使用，空調(diào)壓縮機的電機可生成8 kW左右的熱量，而鼓風機電機可產(chǎn)生400 W的熱量，在取消乘員艙高壓PTC，替換為2個低壓PTC的情況下，能夠保證熱泵系統(tǒng)在-30 ℃環(huán)境下可靠穩(wěn)定運行。同時改善熱泵工作噪聲，實現(xiàn)良好的NVH性能。

由于該熱泵系統(tǒng)與電池回路通過熱交換器實現(xiàn)耦合，而動力電池又具有質(zhì)量大熱容高的特點，動力電池也作為該熱泵系統(tǒng)的1個熱量存儲裝置，根據(jù)整車實際運行工況，判定是否為動力電池加熱或從動力電池吸熱。

Tesla Model Y 熱泵空調(diào)系統(tǒng)采用了功能強大的整車熱管理預(yù)調(diào)節(jié)工作模式，可通過 Tesla MobileApp、車載循環(huán)日程App和自適應(yīng)推斷程序進行控制，后面這一種可識別用戶上班時間，同時推斷出典型的駕車出發(fā)時間。

在結(jié)構(gòu)上，特斯拉對Tesla Model Y的熱管理系統(tǒng)進一步集成化，采用了集成歧管模塊 [9] 和集成閥門模塊。集成歧管模塊把復(fù)雜的熱管理系統(tǒng)管路進行集成，可有效的與集成閥門模塊實現(xiàn)配合安裝，集成閥門模塊為八通閥結(jié)構(gòu)，可看作是2個四通閥的集成。如圖8中虛線框中所示。

3.5 特斯拉熱管理系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展時序

按照時間順序?qū)μ厮估妱悠嚐峁芾硐到y(tǒng)技術(shù)進行匯總，如圖9所示。 ? ?

可以看出，隨著上市車型的換代，特斯拉熱管理系統(tǒng)技術(shù)也在不斷地更新。伴隨著熱管理系統(tǒng)新技術(shù)的應(yīng)用，在結(jié)構(gòu)集成上，特斯拉也進行了不斷的創(chuàng)新，不僅考慮熱管理系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，而且對整車裝配以及后期維護便利性都作了統(tǒng)籌。

特斯拉這種從事物本身需求出發(fā)，即第一性原理（First Principle）,開拓思維勇于創(chuàng)新、不斷探索新的問題解決方法，值得我們技術(shù)從業(yè)者進行學習。

所以：

（1）特斯拉第1代熱管理系統(tǒng)設(shè)計相對簡單，各回路相對獨立，乘員艙空調(diào)系統(tǒng)采用間接制冷方式，采用閥門控制可實現(xiàn)電機回路余熱對乘員艙加熱。

（2）特斯拉第2代熱管理系統(tǒng)較第1代熱管理系統(tǒng)實現(xiàn)拓撲結(jié)構(gòu)的升級，各熱管理回路之間實現(xiàn)一定程度的交互，尤其新引入四通閥結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)電池回路和電機回路的串并聯(lián)，空調(diào)系統(tǒng)采用傳統(tǒng)空調(diào)，乘員艙采用蒸發(fā)器直接制冷。

（3）特斯拉第3代熱管理系統(tǒng)較第2代熱管理系統(tǒng)在拓撲結(jié)構(gòu)上沒有大的變化，但在熱管理系統(tǒng)部件上引入了大量的新技術(shù)應(yīng)用，在熱管理系統(tǒng)功能上，注重熱管理系統(tǒng)能耗的優(yōu)化，體現(xiàn)了精細化設(shè)計思路。 ? ?

（4）特斯拉第4代熱管理系統(tǒng)作為特斯拉最新一代熱管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了全新升級。首次引入了熱泵空調(diào)系統(tǒng)，同時也對熱管理系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)進行了較大的改變，可實現(xiàn)較多的熱管理系統(tǒng)功能，控制較為復(fù)雜?？紤]到整車裝配和后期維護的便利性，對熱管理系統(tǒng)部件進行了高度集成，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)集成化的目的。

特斯拉第一代熱管理系統(tǒng)

系統(tǒng)架構(gòu)原理圖

第一代熱管理系統(tǒng)應(yīng)用在Model S和Model X上，共有三個回路：空調(diào)回路，電池回路，電機回路；主要區(qū)別主要是Model S乘員艙采暖依靠A-PTC，Model X將A-PTC更換為暖風，依靠電池回路中的W-PTC加熱乘員艙。該方案通過一個四通閥，將電機熱管理回路與電池熱管理回路串聯(lián)，并依賴多通閥的特性來切換不同回路的串并聯(lián)，將電機熱管理回路中的高溫冷媒導(dǎo)入到低溫電池回路中，對電池包進行加熱。

國內(nèi)廠商早期熱管理技術(shù)普遍將電機、電池、汽車空調(diào)3大回路并聯(lián)（如蔚來ES8、小鵬G3），直到2018年以后的第一代技術(shù)時才通過加入四通閥/三通閥將電機冷卻回路和電池回路串聯(lián)起來，實現(xiàn)電機余 熱回收的功能。然而，特斯拉在 2013 年上市的 Model S中已設(shè)計出了這一功能。 ? ?

系統(tǒng)模式循環(huán)圖

空調(diào)回路

通過制冷循環(huán)實現(xiàn)乘員艙制冷

通過空氣PTC實現(xiàn)乘員艙制熱

電池回路-制冷循環(huán)

通過chiller一側(cè)制冷劑循環(huán)與電池冷卻液回路耦合吸收電池中的熱量，降低電池溫度

電池回路-采暖循環(huán)1 ? ?

通過水PTC加熱實現(xiàn)電池升溫

電池回路-采暖循環(huán)2

通過電驅(qū)余熱+水PTC加熱實現(xiàn)電池升溫

電驅(qū)回路-制冷循環(huán)1（小循環(huán)）

基于冷卻液較大的比熱值，通過電驅(qū)回路自循環(huán)維持電驅(qū)系統(tǒng)溫度 ? ?

電驅(qū)回路-制冷循環(huán)2（小循環(huán)）

基于冷卻液較大的比熱值，和電池及保溫層吸熱，維持電驅(qū)系統(tǒng)溫度，循環(huán)與電池采暖循環(huán)2一致

電驅(qū)回路-制冷循環(huán)3（大循環(huán)）

通過低溫散熱器向環(huán)境中散熱保證電驅(qū)系統(tǒng)溫度不會過高

特斯拉第二代熱管理系統(tǒng)

第二代熱管理系統(tǒng)應(yīng)用在Model 3車型上，相比一第一代系統(tǒng)，第二代系統(tǒng)使用了Supper bottle集成閥體，通過將2個電子水泵、1個 chiller、1個三通閥和1個四通閥組裝在一起，實現(xiàn)了熱管理回路中閥、泵、交換器的初步集成，能夠極大地節(jié)省回路中不必要的閥體和泵體數(shù)量以節(jié)省成本，簡化管路結(jié)構(gòu)以降低整車質(zhì)量。 ? ?

在Model 3的系統(tǒng)中，特斯拉還可以通過優(yōu)化管路設(shè)計，將ADAS控制器和電池包管理模塊整合入冷卻回路中，并且加入油冷模塊來輔助冷卻，大幅提高熱管理效率。

第二代系統(tǒng)另外一個技術(shù)兩點則是使用電機堵轉(zhuǎn)制熱技術(shù)取代W-PTC產(chǎn)生熱量，滿足電池的加熱需求。

相較于Model S 節(jié)省了：1個W-PTC、1個電子水泵、1個膨脹水壺、1個三通閥、1個 冷凝器、2個電子風扇，還有部分管路。

系統(tǒng)架構(gòu)圖

系統(tǒng)模式循環(huán)圖

空調(diào)回路

通過制冷循環(huán)實現(xiàn)乘員艙制冷

通過空氣PTC實現(xiàn)乘員艙制熱 ? ?

電池回路-電池制冷循環(huán)

通過chiller一側(cè)制冷劑循環(huán)與電池冷卻液回路耦合吸收電池中的熱量，降低電池溫度

電池回路-制熱循環(huán)

在加熱模式下，電池和功率電子的回路串聯(lián)在一起，并旁路主的散熱器，使得熱量集聚。當電池需要加熱的時候，冷卻液被泵送到后方的管理模塊，進入驅(qū)動單元中的油冷卻熱交換器以獲取熱量，通過集成閥從散熱器轉(zhuǎn)移并直接通過冷卻器來加熱電池。特斯拉實際上利用電機堵轉(zhuǎn)產(chǎn)生大量的熱量來加熱電池，可以省一個水熱加熱器。 ? ?

電驅(qū)回路-制冷循環(huán)1（小循環(huán)）

制冷循環(huán)2即電池采暖循環(huán)

電驅(qū)回路-制冷循環(huán)2（大循環(huán)） ? ?

特斯拉第三代熱管理系統(tǒng)

Model Y上使用了第三代熱管理系統(tǒng)， 四大亮點技術(shù)：

（1）閥體集成技術(shù)

（2）電機堵轉(zhuǎn)技術(shù)

（3）智能熱管理算法

（4）多功能熱泵技術(shù)

特斯拉工程師研發(fā)的熱泵空調(diào)，其實就是囊括電池、電機和電控等系統(tǒng)于一體的熱管理系統(tǒng)。不過這套熱管理系統(tǒng)的功能比較全面，不僅能夠利用車外環(huán)境的熱量為車輛提供加熱模式，甚至還能在用完車后把座艙內(nèi)部的余熱回收，這樣的設(shè)計思路可謂是有效利用了全車內(nèi)外的熱量，在盡可能減少使用電池組電量的情況下，去解決純電動車型在寒冷環(huán)境續(xù)航打折的問題。

據(jù)說特斯拉甚至還在計劃針對風扇，采用類似控制電機的PWM（交流電壓）無極調(diào)速取代傳統(tǒng)的電阻調(diào)速，因為電阻會發(fā)熱消耗電量。

總之，特斯拉就是想通過一切數(shù)字化硬件手段，建立一個縝密的“熱能產(chǎn)生與回收系統(tǒng)”，基本做到能量自產(chǎn)自銷，不向外界宣泄，這才是智能汽車的進化方向。 ? ?

熱泵空調(diào)的缺點：

動力電池熱管理的普遍要求是電芯溫度區(qū)間控制在10℃-45℃，不同電芯的溫度差控制在5℃-8℃。

為了達到這個溫度區(qū)間目標，有四個措施：

加熱：PTC，液熱，熱泵

散熱：自然冷卻、風冷、液冷、冷媒直冷

保溫：模組保溫、箱體保溫

熱均衡：利用加熱、散熱、保溫，來保障不同電芯的溫度差在一定范圍內(nèi)

其中，急需解決的實際是加熱問題，這也是目前電動汽車普遍的弱項，也是提高冬季續(xù)航的關(guān)鍵點。

溫度其實也對熱泵有著很重要的影響。特斯拉Model Y給出了這樣的一張圖表。 ? ?

實際上，當COP變?yōu)?時，熱泵系統(tǒng)近乎于不工作狀態(tài)，此時環(huán)境溫度大概在-20℃左右；這個溫度除非東北地區(qū)，一般比較少見；那么在更高一點的-10℃-0℃區(qū)間，北方的天氣大部分都能達到這個氣溫，特斯拉Model Y熱泵空調(diào)的COP在1-2之間，這個數(shù)值其實差強人意，只是比PTC強一些。特斯拉的策略是在這個區(qū)間啟動輔助PTC，幫助制熱。超過0℃后就是熱泵空調(diào)最佳的區(qū)間了，10℃便可以超過2.5，節(jié)能效果十分出色。

熱泵空調(diào)目前最大問題還是氣溫，對于寒冷地區(qū)，還是不夠方便，不過應(yīng)對一般的北方地區(qū)，對于續(xù)航的影響必然要小于PTC車型的影響。

除了系統(tǒng)本身存在的先天性問題，在產(chǎn)品上熱泵也存在一定制約。熱泵系統(tǒng)由四個核心零部件組成，分別是：電動壓縮機、四通換向閥、換熱器和電子膨脹閥，其他零部件和傳統(tǒng)空調(diào)相同，但價格方面卻相差不小。

特斯拉還使用了八通換向閥，相比傳統(tǒng)熱泵的四通換向閥價格更高，因此對于特斯拉來說可能還要多一部分八通閥的價格。 ? ?

熱泵空調(diào)雖然價格較高，但好在整體系統(tǒng)方案和零部件供應(yīng)商已經(jīng)成為體系。無論國內(nèi)還是國外都已經(jīng)形成較為完善的系統(tǒng)解決方案和零部件產(chǎn)品。

國外以法雷奧、博世、電裝、馬勒等企業(yè)為主。這些國際品牌占據(jù)了全球55%以上的電動車熱管理市場。其中電裝的經(jīng)驗尤為豐富，豐田、日產(chǎn)、雷諾的熱泵系統(tǒng)皆來自于這家企業(yè)。從2013年推出熱泵空調(diào)以來，它積累了大量經(jīng)驗，它的最新產(chǎn)品可以將熱泵空調(diào)應(yīng)用在-10℃的環(huán)境，比2013年的初代產(chǎn)品節(jié)能63%。

與國外供應(yīng)商全套系統(tǒng)方案的提供不同，國內(nèi)供應(yīng)商在零部件方面更有優(yōu)勢，而且已經(jīng)做到了全覆蓋。比如奧特佳、三花智控等，其中奧特佳的電動壓縮機就是特斯拉Model Y熱泵系統(tǒng)的零部件，還有異軍突起的格力。格力曾發(fā)布過整套的車載熱泵系統(tǒng)，其最低使用溫度可以到-30℃，里面應(yīng)用了一系列格力的最新空調(diào)技術(shù)。

事實上目前采用集成式熱管理技術(shù)的除了特斯拉以外還有凱迪拉克，這點估計很多人還不知道，去年凱迪拉克發(fā)布的LYRIQ用的熱管理系統(tǒng)，也不錯，而且從目前的資料來看，LYRIQ采用的是個綜合效果、成本等完善度更高的解決方案。接下來我先說下原因，至于實際表現(xiàn)如何還有等我們以后有機會去驗證一下。

凱迪拉克這套熱管理系統(tǒng)官方稱為「BEV Heat高效綜合熱管理系統(tǒng)」，為方便，后面直接簡稱BEV Heat系統(tǒng)。 ? ?

既然屬于“集成式熱系統(tǒng)”，BEV Heat系統(tǒng)當然有之前說的集成式熱系統(tǒng)的優(yōu)點：集成度高，能量利用率高，對續(xù)航里程影響小。

相比于傳統(tǒng)汽車設(shè)計的高壓電加熱和空氣熱泵管理系統(tǒng)，BEV Heat系統(tǒng)將整車的熱量傳遞線路以及整車的熱量散發(fā)和回收都進行了統(tǒng)籌規(guī)劃，將自身的循環(huán)系統(tǒng)做了閉環(huán)，把原本被傳統(tǒng)熱管理系統(tǒng)所放棄的能量再次利用起來，最大化的實現(xiàn)能源的使用效率，而且在這個過程中也給電池帶走了多余廢熱、帶來了持續(xù)的保溫，相當于讓電池處于一個溫差小的狀態(tài)，這樣既提高了安全性，也讓電池的壽命延遲了。

審核編輯：黃飛

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