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小结：
热泵空调技术虽然不是什么新技术，而且理论也比较完善，但是Model Y给出了自己的解决方案：从8向换向阀到12种工作模式的自动控制，无一不透露着创新的气息，硬件结构集成创新并配以硬件软化，这已成为特斯拉黑科技的标配。



全文：


特斯拉Model Y技术分析（一）热泵空调技术
原创 汽车测评郡主 汽车测评之家 2020-04-04
上篇章说到Model Y相比Model 3在能耗上的一个改进是搭载了热泵空调，提高冬季低温用车能量利用效率。（详见：特斯拉Model Y与特斯拉Model 3比较）

Model Y的空调系统采用了热泵系统，并配以风热式的PTC辅助，降低低温下整车的能耗。这一块技术目前网上的资料介绍也不少了，小编本期汇总各路大神的观点，结合自己对热泵技术的了解，做个总结。



1、热泵空调的原理

热泵是一种可以将低位热源的热能强制转移到高位热源的空调装置，类似可以将低处的水泵到高处的“水泵”。使用四通换向阀可以使热泵空调的蒸发器和冷凝器功能互相对换，改变热量转移方向，从而达到夏天制冷冬天制热的效果。这样相对宝贵的电能在制热的过程中可以仅作为热量的“搬运工”，而不是自身转换成低品位的热能。



热泵空调的工作原理基于“逆卡诺循环”，如下图所示，制热模式下：1.蒸发器从环境中吸取热量进入热泵系统，2.低压工质被压缩升温，3.高温高压工质在冷凝器中与舱内空气换热，4.加热后的空气被送入车厢内，5.高压工质经膨胀阀成为低温低压气体完成循环。

制热模式下热泵空调可使能量利用效率大幅提升。



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2、与PTC相比的优势

PTC指正温度系数热敏电阻，电阻与温度正相关，当外界温度降低，PTC电阻值随之减小，通电发热量会相应增加。但PTC方案能耗巨大，在寒冷的冬天打开暖风空调，电池续航减少三成甚至一半，目前大多数电动车并未考虑极寒条件下应用的场景，所以短期内PTC方案成为了大多数电动车的首选。



目前PTC加热器有两中方案：风暖和水暖，差异在于，采暖风时冷风是和PTC散热片直接换热，还是和流有被加热冷冻液的换热器换热。随着液冷方案的普及，液体加热器也必然将成为主流。



一般电动汽车的PTC功率大致在1-6kw，完成除霜功能按面积大小需要功率在2-3kw左右，PTC水加热则需要4-6kw左右，例如蔚来ES8采用了前置5.5kw后置3.7kw的双PTC组合。以当前主流的续航300km平均带电量35kw为例，以平均30km/h的城市车速行驶和2kw的PTC加热，续航里程将缩减少91km，减少36%。



一般可以用所转换热量与输入能量之间的比值COP（能效比）来衡量空调器性能的好坏，COP越高说明空调的转化效率越高、越节能。PTC制热的COP仅为1，而热泵制热时的最低理论COP也高于1，在实际中一般可以达到2-4，即相同能耗下产生的热量是PTC的2-4倍。



仍以续航300km带电35kw的典型电动车为例，使用热泵空调将加热功率下降至1kw，则续航里程减少为233km，远高于PTC制冷的192km。可见在动力电池没有突破性进展的情况下要保证低能耗制热，热泵空调是为数不多的有效技术。



热泵技术在电动汽车上的使用由来已久，像Nissan Leaf、Renault ZOE、VW e-golf、BMW i3、Jaguar I-PACE、Audi e-tron、KIA Soul EV荣威Ei5、荣威Marvel X、蔚来ES6等都有采用热泵技术。



3、Model Y的热泵技术



（1）特斯拉为什么这个时候才用热泵技术

电动汽车使用热泵技术，特斯拉只是跟随者。一大帮前辈早就用了：日产聆风、雷诺ZOE、宝马i3、丰田普锐斯、捷豹I-PACE、奥迪E-tron，以及大多数版本的大众e-Golf。

即便在中国，也有上汽、蔚来ES6、长安CS75PHEV用了热泵，吉利已经储备了这一技术，拜腾首款量产车M-byte也将搭载。



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那么特斯拉为什么这个时候才用热泵技术? Youtube播客AndySlye的分析是：特斯拉总部位于加州，刚开始的主要市场也在于此。加州气候温和，哪怕是最冷的北加州地区，城区冬天最冷时也高于6摄氏度，一般冬季的天气，每天最低气温总在12度以上。冬夏续航里程变化不大。



但是，如今的特斯拉，远销全球各地，特别是环保意识高的北欧，天气寒冷，车主也深感冬夏续航里程差别之大。美国消费者报告在2019年2月测试显示，在室外-20摄氏度左右天气中，Model3实际跑64英里情况下，续航折损121英里。也就是说，在这种气候下，续航要折损几乎一半。其中的因素之一，也是空调制热。



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电动汽车冬天续航衰减，特斯拉也不例外。特斯拉如果采用热泵技术，降低制热的损耗，也就将降低冬季续航的折损程度。这也将提升这些地区的消费者满意度。

使用热泵技术除了降低车内制热耗能，也能帮助电动汽车的其他部件的热管理。当前，很多电动汽车将驾驶舱的空调和电池包热管理、电驱动系统热管理结合到一起。比如，特斯拉已经将电机的发热转移到驾驶舱的制热上。



如果使用热泵技术，特斯拉的电池温控系统也能提升。有一个小故事可以很好的说明这一问题。特斯拉的Model S P100D，目前应该是速度最快的电动轿车，0-100公里/小时加速仅需2.7秒。更但是奥迪却说，他们0-100公里/小时加速时间为5.5秒的E-tron比特斯拉Model S P100D快。理由是，E-tron采用了带了热泵的热管理系统，支持你反复将加速踏板踩到底来加速。但是，特斯拉Model S P100D冲刺一次之后，需要好长时间来冷却。奥迪工程师的意思是，热泵能帮助E-tron始终保持在25-35℃的良好工作区间。



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（2）热泵系统组成

Model Y之前，从Roadster到最新的Model 3，特斯拉的加热方案总体上依赖直接使用电池包电能的加热器，如PTC，但发展的趋势却是在逐渐去PTC化，将可以利用的热能利用起来。



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特斯拉在Model Y的设计中，取消了高压的PTC（水热的在Model 3上取消），在Model Y上配置了一个低压的PTC集成在空调系统鼓风机里面。而车辆热泵系统包括压缩机，机舱冷凝器，机舱蒸发器，机舱鼓风机和冷却器，并且把电池系统、功率电子PCS+驱动系统和整车的系统回路整合在一起。整个系统如下图所示：



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特斯拉把12V低压PTC也作为热泵系统补充的一个拼图，从成本和产热的功率角度，把PTC完全作为了绿叶。

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（3）热泵系统的工作模式

相比于现在已经应用热泵系统的车型，特斯拉在热泵与整车的集成上做得更进一步。特斯拉热泵集成应用的策略可以通过下面这张图来说明，即根据环境温度与电池温度的关系，从COP的划分，来规划热泵系统参与加热的程度，以及启动不同级别的加热模式。

在温度极低，如达到-30℃，此时压缩机作为加热器来使用，单纯地利用电池包的电能来加热，COP=1；

在-10℃~10℃之间，会启动混合模式，即有部来自加热器（如乘员舱低压PTC加热器），部分热能来自热泵，COP=1~2；

10℃以上，将完全依靠热泵系统，进行加热，COP的值在1.5与5之间。

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在这套系统里面，很惊讶于特斯拉设置的工作模式，这是根据外部的参数进行设定的，整体是比较复杂的，如下图所示，特斯拉划分了12种工作模式：

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特斯拉采用一个8向换向阀来完成各种模式的切换。



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实际上这12种模式，是车辆进行自己操作的，主要的输入参数包括车主所需要行驶的目的地和路线、环境（温度）、天气（湿度）、车辆的内部参数（包含电池SOC、Soh、热管理的运行参数）等等，这里面是一个很精致的过程，可能在实验验证环境会有不同工作模式和需求的界定和划分。实际做出来可能不止这么多，或者进行一定程度的简化，这个弄法也只有在上层控制器里面用高算力算完，然后把命令逐个分发下去。



（4）应用场景

要想更有效地利用热泵，必须建立精细化的工作模组，对各种使用工况进行综合考虑，比如一种常见的情况是，环境温度-10℃或更高些，电池与乘员舱都需要加热，并且距离车子出发还有1个小时左右，此时热泵系统将采用的模式策略为：首先，热泵通过利用环境空气，经乘员舱蒸发器作用，为电池系统加热（此时COP〉〉1），让PACK的温度处于被动热管理阀值点之上；然后，切换工作模式，利用热泵从PACK中取热，对乘员舱进行加热，



特斯拉对热泵效能的考虑更多的是基于一般的寒冷环境，如-10℃，对于应对比如-30度的情况，特斯拉会将压缩机compressor作为加热器来使用，这个时候纯电加热的效率值COP=1，注意，该种情况，必须电池温度、乘员舱温度，和外部温度都达到-30℃。很多时候，外界的温度在-30℃，但电池包内的温度已经达了30℃的被动热管理阀值点，此时，热泵系统已经可以高效运行了。



（5）硬件软化

而之前Model 3的电机余热发热的模式，在以上的具体模式中其实也是存在的，就是把压缩机的用法也同样做了迁移，进入了高损耗模式。特斯拉这样打透部件的用法，真的是把零部件上逼到了角落里面，你只要有硬件设计和制造的know how就可以了，具体怎么用，你别管，我来。按照基本的质保和寿命条款来走，后续处理根据软件的做法来调节。用一切手段来数字化硬件，甚至机械件，这是智能汽车的基础。



（6）热管理系统集成化

通过这个热泵系统，特斯拉似乎想建立起一个缜密的“热能产生与热能收集系统”，从仅利用电池电能产热（电池包级only on battery level）、到利用电池产热+利用电机电控余热产能（on whole vehicle level，整车级）、再到现在的利用电池产热+利用车内各处可以产热的部件+环境产热（both car and enviroment，延伸到车以外）；这些都需要能够进行软件上的精准控制为基础。



4、总结

热泵空调技术虽然不是什么新技术，而且理论也比较完善，但是Model Y给出了自己的解决方案：从8向换向阀到12种工作模式的自动控制，无一不透露着创新的气息，硬件结构集成创新并配以硬件软化，这已成为特斯拉黑科技的标配。



电动汽车冬夏续航里程接近三四成的差距，显然不是成熟汽车产品应有的表现。车企也不会对这个问题视而不见。在热泵空调成本降低、技术成熟的情况下，车企广泛采用，应该也只是时间问题。而特斯拉Model Y的引领效应，可能加速热泵空调在电动汽车上的应用。



以上文章的核心部分来自特斯拉公布的专利，想研究热泵空调的同仁们，可以在微信公众号后台回复“热泵空调”，自动获取PDF文件的百度网盘链接。
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好像比亚迪E平台3.0的的热泵和热管理原理也跟这差不多。
【 在 zhouxxs 的大作中提到: 】
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我要100%看明白干嘛

那些黑特斯拉只有营销没有技术 热泵、电机都不是自研的人 大概早就对这类技术分析烂熟于心了吧？

【 在 wangdanting 的大作中提到: 】
: 其实你自己就是百度，也看不明白吧。
: 这说的是热泵空调的原理、与ptc空调的区别、为啥特斯拉会选用热泵空调，哪句说了独家技术？这种水平的文章，纯属不懂装懂。
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看我回复，两贴里没人说清楚，我解释的还算清楚吧
【 在 wangdanting 的大作中提到: 】
: 那是热泵的技术分析，这玩意儿从第二次工业革命就有了，还觉得是特斯拉的发明，真无知可笑 ...
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感觉这是个不懂热力学的人写出来吹牛逼的，完全说不到点子上，看了半天不知所云。所谓热泵，其实最常见的家用空调就是热泵，原理极其成熟，COP高于直接加热也是常识，写一堆来说明一个常识，却不提热泵是最常见的空调种类，这就是吹牛。反而是燃油车的空调系统，由于利用了发动机余热，同时发动机可以直接带动压缩机，这个模式倒是与常见的空调并不一样。
那么作为最常见的空调为啥没广泛用在车里呢？我想一是燃油车的空调原理充分利用了废热和发动机动能，显然比额外加个纯电空调更节能更合理。而电动车没办法，只能装纯电的空调，这里面的难点我虽然没做过研究，无非也就是以下的一些问题：
1车体积受限，空调如何优化结构做的更小更适合车的结构
2空调（或者说空气源热泵）在冬天制热效率不够高，还存在结冰结霜的问题，如何解决（家用空调也需要电加热丝辅助加热，否则如果室外温度太冷，换热器结冰了根本就没法换热，也就没法子运行了）
3价格。
从这文章看，就是翻来覆去说了些废话，总结下来就是特斯拉装了个空调，然后特别冷的时候直接电加热，半冷不冷时混合加热，不冷时空调加热，但这玩意不是常识吗？你花两千买个美的，不也是这么玩的吗？黑科技在哪啊？这东西让我一个非专业人士都能给你拿出这种原理方案来好不好（本青虽然是热能博士，但不是专业搞空调的）？
当然，我相信谁也不是傻子，特斯拉的空调肯定也有些技术在里头，但绝对不是这文章说的玩意。
【 在 zhouxxs 的大作中提到: 】
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