Model Y熱管理系統研究

摘 要：特斯拉純電動車型Model Y上市已有一段時間，除了備受關注的價格、續航能力、自動駕駛功能以外，其搭載的最新一代熱泵空調熱管理系統亦是大眾關注的焦點。經過多年的沉淀與積累，特斯拉研發的熱管理系統一直是國內外主機廠研究的重點對象。現基于特斯拉熱泵的相關專利，對其技術特點進行分析，可以為電動車的熱管理系統設計提供參考。

關鍵詞：特斯拉;Model Y;熱泵;熱管理

中圖分類號：U463.85+1;U469.72? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2022）10-0071-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.10.019

0? ? 引言

在碳中和的大背景下，乘用車的電動化步伐越來越快，隨之而來的是整車智能化的發展趨勢。熱管理系統肩負著保障乘員艙舒適性和避免三電系統熱失控的雙重使命，正朝著集成化、可控制化和精細化的方向不斷發展。如何在復雜環境中平衡乘員舒適性和電動汽車續航里程之間的關系，也是熱管理系統設計過程中面臨的重要問題。

特斯拉作為電動汽車行業的引領者，其熱管理系統的設計一直都大膽且激進。從最早的Model S到具有象征意義的Model Y，每一代熱管理系統都是相關從業者競相研究的對象。本文將基于特斯拉的相關專利，對Model Y熱管理系統的運行邏輯和應用場景進行分析，為熱管理系統的設計提供不同的視角。

1? ? Model Y熱管理系統技術概述

Model Y熱管理系統運用了最新的熱泵技術，即通常所說的“熱泵空調系統”，該系統包含乘員艙采暖、乘員艙制冷、電池包冷卻、電池包加熱、電驅單元冷卻五大主要功能。不同于傳統的空調系統，特斯拉的空調沒有單獨設置室外冷凝器，而是通過熱交換器與冷卻水管的耦合來實現冷凝器的功能。整個系統的熱量交換也都采用類似的耦合模式。

該系統結構上的一大特點是取消了高壓PTC，替換為兩個乘員艙中的低壓PTC。同時空調壓縮機和鼓風機也存在一個低能效的制熱模式，用來在環境溫度低于-10 ℃時作為整個系統熱量補償的來源，這保證了整個熱泵系統在-30 ℃的環境下也能穩定可靠地運行。在實際測試中，這樣的設計還能降低熱泵空調系統的工作噪聲，提升整車的NVH性能[1]。

另一大特點是整個系統的集成化程度極高，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。整個模塊采用調節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。

2? ? Model Y熱泵系統架構原理圖

相較于市面上其他搭載熱泵的車型，特斯拉在硬件與整車的集成上更進一步。其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、部分空調管路、部分冷卻液管路以及十數個冷媒、冷卻液的接口，而體積只占據了前機艙非常小的一部分空間，這使得特斯拉的整個機艙內部顯得十分整潔有序。通過控制八通閥各個接口間的通斷，Model Y整車熱泵能實現11種不同類型的工況模式。整車熱泵系統原理圖如圖1所示。

3? ? Model Y熱泵運行邏輯與場景分析

Model Y熱泵系統集成應用的策略與環境溫度和電池溫度有著直接的關系，系統會根據環境與電池包的實時溫度，來規劃熱泵系統參與加熱的程度（即COP），以啟動不同級別的加熱模式。在滿足乘員艙舒適性需求時，熱泵會優先采用較高COP的模式運行，減少能源的消耗，提高續航里程。

雖然Model Y熱泵系統能實現十幾種功能，但總結起來大致可以分為以下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。下面針對各個場景，分析熱泵系統的運行模式。

3.1? ? 單獨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分，以環境溫度-10 ℃為界，在環境溫度低于-10 ℃時，受到當前技術條件的限制，熱泵系統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的運行模式。

若電池此時溫度高于10 ℃，熱泵系統能通過電池冷卻器從電池、電機循環的耦合回路中吸收熱量來給乘員艙加熱。冷媒經過壓縮機后，依次經過電磁截止閥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。冷卻液經過電池冷卻器與冷媒進行熱交換后，依次經過八通閥水口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，熱泵系統無法通過外部散熱器或是電池冷卻器實現冷媒與冷卻液的熱量交換，電子膨脹閥2與電磁截止閥2均處于關閉狀態。冷媒經壓縮機做功后，經由電磁截止閥1→乘員艙冷凝器→電子膨脹閥1→乘員艙蒸發器→氣液分離器后，直接回到壓縮機。冷卻液循環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。

若環境溫度高于-10 ℃，則熱泵系統優先從外部環境中吸收熱量。系統中膨脹閥1關閉，冷媒通過電池冷卻器吸收環境中的熱量。通過改變對八通閥的控制，讓冷卻液依次經過八通閥水口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。

上述3種情況，在環境溫度較低時，熱泵都會屏蔽室外散熱器，不讓其接入系統，是為了避免熱量進一步釋放到空氣中，大大提高了系統內部熱量的利用率;而在環境溫度較高時，系統主動接入外部散熱器，從外部環境吸收熱量給車輛加熱，可以充分提高系統的能效，實現能量的智能化與精細化控制。

3.2? ? 乘員艙&電池同時加熱模式分析

通常情況下，電池包的溫度都會高于環境溫度。當電池也需要加熱時，通常已經是非常極端的情況，環境溫度低于-10 ℃，此時的熱泵系統無法從外部環境獲得熱量。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，此時的熱泵系統仍然完全依靠壓縮機做功，COP=1。從原理圖上看，冷媒經過壓縮機后，在截止閥1、2處按比例（優先保障乘員艙制熱需求）分成兩路，一部分經過乘員艙冷凝器，另一部分經過液冷冷凝器，在電子膨脹閥1處匯合，再經由乘員艙蒸發器→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關閉，打開電子膨脹閥2，保持冷卻液循環不變，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。

3.3? ? 乘員艙需要制熱&電池需要冷卻模式分析

這一模式通常出現在環境溫度較低，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，經過壓縮機做功之后的冷媒會分為兩路，一部分經過乘員艙冷凝器，另一部分經過液冷冷凝器，后共同在電子膨脹閥2→電池冷卻器處蒸發吸熱，再經由氣液分離器回到壓縮機。

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

特斯拉的這個設計十分高明，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境，這部分熱量在水路循環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先經過室外換熱器，進一步降低循環水溫。

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情況。此時的熱泵系統即作為普通的空調系統使用，液冷冷凝器替代了傳統的冷凝器進行工作，使空調系統正常運行。

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的優勢以及控制智能化的體現。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，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，乘員艙或者電機內部還會有一定的熱量，可通過熱泵將其存儲到電池包內。

這一工況下，乘員艙內部即為普通的制冷循環，冷媒和冷卻液在液冷冷凝器中進行熱交換。冷卻液的循環在八通閥的控制下，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，熱泵系統就能利用這部分熱量給乘員艙進行加熱。

4? ? Model Y熱泵系統與溫度對應關系

總體上來講，特斯拉Model Y熱泵空調系統分為以上五大運行模式，另外還包含蒸發器化霜、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。

通過以上對各個模式的分析，相信讀者能看出來，Model Y熱泵系統的控制邏輯與環境溫度、電池包溫度都有著密切的聯系，其中任何一個溫度都可能會影響熱泵系統的運行模式。它們的關系可以歸納為圖2。

5? ? 八通閥

提到特斯拉的熱泵系統，就不得不單獨說說八通閥（Octovalve），它是特斯拉整個熱泵系統各項功能得以實現的最關鍵的零部件。早在Model S上，特斯拉就將一個五通閥集成在了膨脹水壺上，起名Super Bottle，它是一個集膨脹水壺、五通閥、電子水泵于一體的機構，一經上市，便引起國內零部件廠家的熱烈追捧，目前已經有少數供應商能夠提供類似的解決方案。而Model Y上的八通閥，設計更為激進，集成度提升了好幾個數量級，特斯拉也調皮地在上面留下了八爪魚的圖案形象。雖然在特斯拉的專利中對八通閥有詳細的描述，但要將其與實物上的結構一一對應起來仍然困難重重，相信短期內很難有模仿者出現。

6? ? 結語

如果拆解過特斯拉的熱泵系統，就會發現它的硬件架構其實并不復雜，甚至比國內應用熱泵系統的車型要簡單得多，這都歸功于其中核心的八通閥（Octovalve）。特斯拉通過軟件控制，實現了以上五大場景、多達十幾種功能的應用，而駕駛員只需要簡單地設置空調溫度，其智能化程度確實值得國內主機廠學習。但如特斯拉這般大刀闊斧地直接取消高壓PTC的使用，在嚴寒地區的用車體驗是否會大打折扣，仍然需要時間去檢驗。

任何一項技術變革，都是一次引發行業洗牌的機遇。在燃油車的技術路線上，經歷了數十年的追趕，中國仍然不能躋身世界前列。而在新能源汽車的賽道上，中國已經形成了先發優勢，希望各大主機廠能用心沉淀，最終在這一領域出現媲美燃油車豐田、大眾級別的巨頭。

[參考文獻]

[1] Tesla Motors，Inc..Technologies for manifolds：US 2019039440 A1[P].2019-02-07.

[2] Tesla Motors，Inc..Optimal source electric vehicle heat pump with extreme temperature heating capability and efficient thermal precondition-ing：US 10967702 B2[P].2021-04-06.

收稿日期：2022-02-24

作者簡介：劉子誠（1990—），男，廣西人，助理工程師，研究方向：車輛、工程機械熱管理系統能耗控制。