特斯拉熱管理技術(shù)發(fā)展趨勢

摘要：特斯拉專注于電動汽車的研發(fā)要早于大多數(shù)傳統(tǒng)汽車企業(yè)，經(jīng)過多年的沉淀與積累，現(xiàn)已成為電動汽車行業(yè)的領(lǐng)頭羊。伴隨著產(chǎn)品序列的不斷豐富，與其對應(yīng)的電動汽車熱管理系統(tǒng)技術(shù)也在進(jìn)行不斷的更新與完善，充分體現(xiàn)了功能精細(xì)化和結(jié)構(gòu)集成化的特點(diǎn)。基于特斯拉熱管理系統(tǒng)相關(guān)專利，對其熱管理系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢進(jìn)行分析，為電動汽車熱管理系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

1 前言

隨著汽車的電動化和智能化發(fā)展，電動汽車熱管理系統(tǒng)也向著集成化、可控化和精準(zhǔn)化方向發(fā)展，熱管理系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，對控制精度要求也越來越高。對于電動汽車而言，熱管理系統(tǒng)不僅影響乘用車駕乘舒適性，而且也牽涉安全性和能耗問題。如何實(shí)現(xiàn)電動汽車實(shí)際環(huán)境下續(xù)駛里程和舒適性之間的平衡，是電動汽車熱管理系統(tǒng)設(shè)計需要解決的問題 [1-2] 。

特斯拉作為汽車行業(yè)的后起之秀，其專注于電動汽車的研發(fā)要早于大多數(shù)傳統(tǒng)汽車企業(yè)，經(jīng)過多年的沉淀與積累，現(xiàn)已成為電動汽車行業(yè)的領(lǐng)頭羊。伴隨著Tesla產(chǎn)品序列的不斷豐富，與其對應(yīng)的電動汽車熱管理系統(tǒng)技術(shù)也在進(jìn)行不斷的更新與完善。本文基于特斯拉相關(guān)專利對其采用的熱管理系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，為電動汽車熱管理系統(tǒng)開發(fā)提供參考。

2 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(dú)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(shí)現(xiàn)電機(jī)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(jī)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(fēng)暖 PTC，但通過從設(shè)計結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，克服風(fēng)暖PTC無法實(shí)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(hù)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(jī)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(fēng)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(jìn)行集成，同時實(shí)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(jìn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，包含電機(jī)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(dú)立，不同回路之間的耦合度相對較小。

電機(jī)回路上布置有驅(qū)動電機(jī)、電子控制單元、電子水泵、膨脹水箱、電機(jī)散熱器和冷卻風(fēng)扇。其主要作用是對電機(jī)回路上各電子部件進(jìn)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(jìn)行溫度調(diào)節(jié)控制，在低溫環(huán)境下，對動力電池進(jìn)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(jìn)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(fēng)機(jī)、熱交換器和電子水泵。其主要作用是對乘員艙溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，在低溫環(huán)境下，通過高壓風(fēng)暖PTC對鼓風(fēng)機(jī)吸入的低溫空氣進(jìn)行加熱，為乘員艙進(jìn)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(jìn)行冷卻，經(jīng)散熱器對鼓風(fēng)機(jī)吸入的高溫空氣進(jìn)行冷卻，為成員艙進(jìn)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(jī)、冷凝器、膨脹閥、熱交換器和干燥瓶。由壓縮機(jī)驅(qū)動冷媒工質(zhì)進(jìn)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(jìn)行制冷。

另外，電機(jī)回路和HVAC回路上布置有3個控制閥，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)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(fēng)機(jī)吸入的低溫空氣進(jìn)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(shí)現(xiàn)電機(jī)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?fù)浣Y(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(shí)現(xiàn)成員艙和電池回路的制冷。當(dāng)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(jìn)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(shí)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。空調(diào)系統(tǒng)與電池回路通過Chiller熱交換器進(jìn)行換熱，可對空調(diào)制冷量進(jìn)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(dāng)乘員艙有采暖需求時，采用高壓風(fēng)暖PTC進(jìn)行乘員艙進(jìn)氣加熱。

電機(jī)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(jī)的冷卻。在結(jié)構(gòu)上，仍然采用外置低溫散熱器對回路進(jìn)行冷卻，但在此基礎(chǔ)上，新增三通閥結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)對外置低溫散熱器的短接，在不需要散熱的情況下，較好的避免了多余熱量的散失，為電機(jī)余熱回收利用提供基礎(chǔ)。

由于電池回路和電機(jī)回路采用同樣的冷卻工質(zhì)，通過引入四通閥控制，可實(shí)現(xiàn)電池回路和電機(jī)回路的靈活交互。在整車?yán)鋯庸r下，當(dāng)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(shí)現(xiàn)電機(jī)回路和電池回路串聯(lián)，使用電機(jī)系統(tǒng)的余熱為電池系統(tǒng)進(jìn)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(jī)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(shí)現(xiàn)電機(jī)回路和電池回路串聯(lián)，通過電機(jī)回路的散熱器為電池系統(tǒng)進(jìn)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(dāng)整車運(yùn)行工況、電池系統(tǒng)和電機(jī)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(shí)現(xiàn)兩回路并聯(lián)。對電機(jī)回路和電池回路的熱管理需求進(jìn)行獨(dú)立控制。

特別指出，在最終量產(chǎn)車型上，實(shí)際熱管理系統(tǒng)布置結(jié)構(gòu)可能根據(jù)實(shí)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)沒有本質(zhì)的區(qū)別，在此不再單獨(dú)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?fù)浣Y(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(fēng)暖PTC、驅(qū)動電機(jī)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(jìn)行介紹。

3.3.1 風(fēng)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(fēng)暖PTC結(jié)構(gòu)，但相對于第2代熱管理系統(tǒng)，從風(fēng)暖PTC的結(jié)構(gòu)設(shè)計端進(jìn)行了改進(jìn)，克服風(fēng)暖PTC無法實(shí)現(xiàn)分區(qū)控制的缺點(diǎn)。

特斯拉空調(diào)箱系統(tǒng)采用風(fēng)暖PTC進(jìn)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。可實(shí)現(xiàn)駕駛座與副駕駛座的分區(qū)加熱控制，風(fēng)暖PTC加熱體橫跨駕駛側(cè)風(fēng)道與副駕駛側(cè)風(fēng)道，如圖3所示。

風(fēng)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(jìn)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(shí)現(xiàn)2側(cè)氣體流道內(nèi)的不同吹風(fēng)溫度。通過選擇性的對1個或多個加熱芯進(jìn)行IGBT開關(guān)控制，最終實(shí)現(xiàn)駕駛側(cè)和副駕駛側(cè)的分區(qū)溫度控制。

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

3.3.2 驅(qū)動電機(jī)新技術(shù)

驅(qū)動電機(jī)采用油冷電機(jī)，與電機(jī)回路通過熱交換器實(shí)現(xiàn)熱量傳遞，同時電機(jī)新增低效制熱模式，通過電機(jī)控制器新的控制方式，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)發(fā)熱模式，通過四通閥控制，實(shí)現(xiàn)與電池回路的串聯(lián)，采用電機(jī)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(jī)低效制熱模式對電池回路進(jìn)行加熱的運(yùn)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(jī)與電池回路串聯(lián)的情況下，電機(jī)正常余熱無法滿足電池升溫速率需求，則驅(qū)動電機(jī)進(jìn)入低效制熱模式。通過電機(jī)控制器調(diào)節(jié)電機(jī)定子線圈旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子永磁體的相位角，實(shí)現(xiàn)不同的電機(jī)效率。驅(qū)動電機(jī)進(jìn)入電機(jī)低效制熱模式，對電機(jī)定子線圈進(jìn)行驅(qū)動生成熱量，同時保證電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)或靜止。

結(jié)合特別設(shè)計的電機(jī)潤滑油流道，實(shí)現(xiàn)電機(jī)低效制熱模式下的驅(qū)動電機(jī)熱量轉(zhuǎn)移，通過熱交換器，把電機(jī)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(jī)低效制熱模式可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)大于電機(jī)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(jī)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(jìn)行連接，增加了整個熱管理系統(tǒng)運(yùn)行過程中的失效風(fēng)險點(diǎn)。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(shí)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(jī)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(jìn)，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(hù)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 8 所示。包含空調(diào)系統(tǒng)回路、電機(jī)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(fù)責(zé)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(dú)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(jī)回路進(jìn)行耦合，實(shí)現(xiàn)整個熱管理系統(tǒng)的熱量交互。

在使用驅(qū)動電機(jī)運(yùn)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(jī)和鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)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(jī)和鼓風(fēng)機(jī)的電機(jī)進(jìn)入低效制熱模式，作為電加熱器使用，空調(diào)壓縮機(jī)的電機(jī)可生成8 kW左右的熱量，而鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)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(yùn)行。同時改善熱泵工作噪聲，實(shí)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(shí)現(xiàn)耦合，而動力電池又具有質(zhì)量大熱容高的特點(diǎn)，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(shí)際運(yùn)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(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行集成，可有效的與集成閥門模塊實(shí)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(jìn)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)也在不斷的更新。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(jìn)行了不斷的創(chuàng)新，不僅考慮熱管理系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，而且對整車裝配以及后期維護(hù)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(jìn)行學(xué)習(xí)。

4 結(jié)論

（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(dú)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(shí)現(xiàn)電機(jī)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(shí)現(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的升級，各熱管理回路之間實(shí)現(xiàn)一定程度的交互，尤其新引入四通閥結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)電池回路和電機(jī)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?fù)浣Y(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?zé)峁芾硐到y(tǒng)能耗的優(yōu)化，體現(xiàn)了精細(xì)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(shí)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了較大的改變，可實(shí)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(hù)的便利性，對熱管理系統(tǒng)部件進(jìn)行了高度集成，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)集成化的目的。

審核編輯 ：李倩