Model Y熱管理系統(tǒng)設(shè)計要點梳理

特斯拉作為電動汽車行業(yè)的引領(lǐng)者，其熱管理系統(tǒng)的設(shè)計一直都大膽且激進。從最早的Model S到Model Y，每一代熱管理系統(tǒng)都是相關(guān)從業(yè)者競相研究的對象。

Model Y上的熱管理系統(tǒng)具有兩個大的特點，其一為整個系統(tǒng)的集成化程度極高，采用了集成的歧管模塊和集成的閥門模塊。整個模塊的核心是一個八通閥，可以把它看作是兩個四通閥的集成。整個模塊采用調(diào)節(jié)八通閥動作位置的方式，使冷卻液在不同回路中進行熱量交換，確保熱泵的各項功能得以實現(xiàn)。第二點為取消了高壓PTC，替換為兩個乘員艙中的低壓PTC。同時空調(diào)壓縮機和鼓風機也存在一個低能效的制熱模式，用來在環(huán)境溫度低于- 10 ℃時作為整個系統(tǒng)熱量補償?shù)膩碓?，這保證了整個熱泵系統(tǒng)在-30℃的環(huán)境下也能穩(wěn)定可靠地運行。

Model Y的熱泵模塊包含了電動壓縮機、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數(shù)個冷媒、冷卻液的接口。通過控制八通閥各個接口間的通斷，Model Y整車熱泵能實現(xiàn)11種不同類型的工況模式。整車熱泵系統(tǒng)原理圖如下圖所示。

▲圖?Model Y熱管理系統(tǒng)原理圖

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)會根據(jù)環(huán)境與電池包的 實時溫度 ，來規(guī)劃熱泵系統(tǒng)參與加熱的程度，以啟動不同級別的加熱模式。在滿足乘員艙舒適性需求時，熱泵會優(yōu)先采用較高COP的模式運行，減少能源的消耗，提高續(xù)航里程。

總結(jié)起來，Model Y的熱管理系統(tǒng)共有5種模式：單獨乘員艙制熱、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。

1.單獨乘員艙制熱模式

Model Y的熱泵將乘員艙需要加以環(huán)境溫度- 10 ℃為界，在環(huán)境溫度低于- 10 ℃時，熱泵系統(tǒng)的制熱能力受到很大的制約。在這種情況下，電池包本身的溫度決定了熱泵系統(tǒng)的運行模式。

若電池此時溫度高于10 ℃，熱泵系統(tǒng)能通過電池冷卻器從電池、電機循環(huán)的耦合回路中吸收熱量來給乘員艙加熱。冷媒經(jīng)過壓縮機后，依次經(jīng)過電磁截止閥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，完成一個對乘員艙的制熱循環(huán)。冷卻液經(jīng)過電池冷卻器與冷媒進行熱交換后，依次經(jīng)過八通閥水口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。在這個過程中，為防止熱量損失，室外的換熱器部分是被八通閥屏蔽的。乘員艙同時接收到壓縮機消耗的電功率和電池回路的熱量，系統(tǒng)整體的COP遠高于1。

若電池溫度較低，無法給乘員艙提供熱量，則乘員艙的制熱主要依靠壓縮機做功。在這種極端條件下，熱泵系統(tǒng)無法通過外部散熱器或是電池冷卻器實現(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。冷卻液循環(huán)則與上述電池不提供熱量時一致，但在電池冷卻器處并不進行熱量交換。

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，冷媒通過電池冷卻器吸收環(huán)境中的熱量。通過改變對八通閥的控制，讓冷卻液依次經(jīng)過八通閥水口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)。

上述三種情況，在環(huán)境溫度較低時，熱泵都會屏蔽室外散熱器，不讓其接入系統(tǒng)，是為了避免熱量進一步釋放到空氣中，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，系統(tǒng)主動接入外部散熱器，從外部環(huán)境吸收熱量給車輛加熱，可以充分提高系統(tǒng)的能效，實現(xiàn)能量的智能化與精細化控制。

2.乘員艙&電池同時加熱模式

通常情況下，電池包的溫度都會高于環(huán)境溫度。當電池也需要加熱時，通常已經(jīng)是非常極端的情況，環(huán)境溫度低于- 10 ℃，此時的熱泵系統(tǒng)無法從外部環(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，此時的熱泵系統(tǒng)仍然完全依靠壓縮機做功， COP=1。從原理圖上看，冷媒經(jīng)過壓縮機后，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)過乘員艙冷凝器，另一部分經(jīng)過液冷冷凝器，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。冷卻液仍然在電池冷卻器處與冷媒進行熱交換，被冷媒加熱后的冷卻液會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。此時熱泵會控制截止閥1與電子膨脹閥1關(guān)閉，打開電子膨脹閥2，保持冷卻液循環(huán)不變，開啟快速加熱電池包模式，這樣能使電池包快速達到可以充電或大功率放電的狀態(tài)。

3.乘員艙需要制熱&電池需要冷卻模式

這一模式通常出現(xiàn)在環(huán)境溫度較低，車輛需要進行大功率充電時。車輛快充時間較短，乘員有很大可能性在車上等待充電，這個過程中乘員艙的制熱功能需要得到一定的保證。這時的冷媒與上述任何情況的流向都有差別，經(jīng)過壓縮機做功之后的冷媒會分為兩路，一部分經(jīng)過乘員艙冷凝器，另一部分經(jīng)過液冷冷凝器，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。

而冷卻液循環(huán)也被八通閥分隔成了兩部分，經(jīng)過電池冷卻器的部分被冷媒冷卻后，依次經(jīng)過八通閥水口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)過液冷冷凝器的部分與電驅(qū)動、室外散熱器串聯(lián)，將多余的熱量帶到室外環(huán)境中。

特斯拉的這個設(shè)計，一方面乘員艙制熱量過剩時，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)中不會影響到電池包；另一方面，在乘員艙制熱量不足時，截止閥2被關(guān)閉，冷媒的所有熱量都會集中到乘員艙冷凝器，用來加熱乘員艙。再者，若電池散熱能力不足，還能通過八通閥讓電池水循環(huán)先經(jīng)過室外換熱器，進一步降低循環(huán)水溫。

4. 乘員艙&電池都需要冷卻模式

這一情況即夏季正常的用車情況。此時的熱泵系統(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)的冷凝器進行工作，使空調(diào)系統(tǒng)正常運行。

5.余熱回收模式

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)勢以及控制智能化的體現(xiàn)。余熱回收，顧名思義即將整車冗余部分的熱量存儲起來，以便下一次 用車時釋放。電池包因為其對溫度的敏感性，表面一般都會有較好的保溫層，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輛余熱回收的載體。冬季氣溫較低，當車輛停車、人員離開后，乘員艙或者電機內(nèi)部還會有一定的熱量，可通過熱泵將其存儲到電池包內(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，避免熱量通過室外散熱器耗散到外部環(huán)境中。

在下一次用車時，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行加熱。

總體而言，相比于國內(nèi)各主機廠的熱管理硬件系統(tǒng)，Model Y要簡單得多，這都歸功于其中核心的八通閥和復雜的軟件控制，以實現(xiàn)以上五大場景、多達十幾種功能的應(yīng)用，而對駕駛員而言，只需要簡單地設(shè)置空調(diào)溫度，其控制策略、高度集成值得國內(nèi)主機廠借鑒。

審核編輯：黃飛

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