探岳和柯迪亚克哪个好汽车文摘
胡志林
张天强
杨钫
（中国第一汽车股份有限公司新能源开发院，长春130013）
【摘要】特斯拉专注于电动汽车的研发要早于大多数传统汽车企业，经过多年的沉淀与积累，现已成为电动汽车行业
的领头羊。伴随着产品序列的不断丰富，与其对应的电动汽车热管理系统技术也在进行不断的更新与完善，充分体现了功能精细化和结构集成化的特点。基于特斯拉热管理系统相关专利，对其热管理系统技术发展趋势进行分析，为电动汽车热管理系统设计提供参考。
主题词：特斯拉电动汽车热管理HVAC
中图分类号：U469.72文献标识码：A
DOI:10.19822/jki.1671-6329.20200158
Development Trend of Tesla Electric Vehicle Thermal Management
Technology
Hu Zhilin,Zhang Tianqiang,Yang Fang
（New Energy Vehicle Development Institute,China FAW Corporation Limited,Changchun 130013）
【Abstract 】Tesla focused on the research and development of electric vehicles earlier than most traditional auto companies.After years of precipitation and accumulation,Tesla has become the leader in the electric vehicle industry.With the continuous enrichment of the product sequence,the corresponding electric vehicle thermal management system technology is also undergoing continuous updating and improvement,which fully reflects the characteristics of refined functions and structural integration.Based on the related patents of Tesla ’s thermal management system,this paper
analyzes the development trend of its thermal management system technology and provides a reference for the design of electric vehicle thermal management system.
Key words:Tesla,Electric vehicle,Thermal management,HVAC
【引用】胡志林，张天强，杨钫.特斯拉电动汽车热管理技术发展趋势[J].汽车文摘，2021(1):53-57.
【Citation 】Hu Z,Zhang T,Yang F.Development Trend of Tesla Electric Vehicle Thermal Management Technology [J].Automotive Di⁃
gest (Chinese),2021(1):53-57.
特斯拉电动汽车热管理技术发展趋势
1前言
随着汽车的电动化和智能化发展，电动汽车热管理系统也向着集成化、可控化和精准化方向发展，热管理系统设计结构越来越复杂，对控制精度要求也越来越高。对于电动汽车而言，热管理系统不仅影响乘用车驾乘舒适性，而且也牵涉安全性和能耗问题。如何实现电动汽车实际环境下续驶里程和舒适性之间的平衡，是电动汽车热管理系统设计需要解决的问题[1-2]。
特斯拉作为汽车行业的后起之秀，其专注于电动汽车的研发要早于大多数传统汽车企业，经过多年的沉淀与积累，现已成为电动汽车行业的领头羊。伴随着Tesla 产品序列的不断丰富，与其对应的电动汽车
热管理系统技术也在进行不断的更新与完善。本文基于特斯拉相关专利对其采用的热管理系统技术进行总结，为电动汽车热管理系统开发提供参考。
2特斯拉热管理系统技术概述
特斯拉从2008年第1款电动汽车Tesla Roadster 上市，至今已经生产了5款电动汽车。按照时间序列和匹配车型，可把特斯拉电动汽车热管理系统技术可分为4代。以Tesla Roadster 为代表，采用最早一代特斯拉热管理系统，结构相对简单，沿用传统汽车热管理系统思路，各个热管理回路相对独立。以Tesla Model S/X 为代表，采用特斯拉第2代热管理系统，引入四通换向阀，实现电机回路与电池回路的串并连切
换，在行业内属于首创。以Tesla Model 3为代表，采
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天津限行时间2021年第1期
用特斯拉第3代热管理系统，通过引入电机堵转加热，取消电池回路高压正温度系数热敏电阻（Positive Temperature Coefficient,PTC ）降低成本；乘员舱采暖仍然采用高压风暖PTC ，但通过从设计结构上进行改进，克服风暖PTC 无法实现乘员舱温度分区控制的短板；同时结构上采用集成式储
液罐，简化热管理系统结构布置，降低后期维护成本的目的。以Tesla Model Y 为代表，采用特斯拉最新一代热管理系统技术，在特斯拉产品序列中首次采用热泵空调系统，与特斯拉提出的电机低效制热模式技术相结合，可应用于极端环境下乘员舱加热，同时取消乘员舱高压风暖PTC 配置节约成本；在结构上采用高度集成的八通阀模块，对系统多个热管理系统部件进行集成，同时实现不同热管理系统工作模式的灵活切换。
特斯拉对电动汽车热管理技术进行不断的创新，从技术上和结构上提出了新的想法，引领行业发展，为电动汽车热管理系统技术的发展提供了新的思路。
3特斯拉热管理系统技术详解
3.1
特斯拉第1代热管理系统
特斯拉第1代热管理系统应用于Tesla Roadster 车型，其热管理系统拓扑结构如图1所示，包含电机回路、电池回路、空调暖通（Heating Ventilation and Air Conditioning,HVAC ）回路和空调回路，各回路功能相对独立，不同回路之间的耦合度相对较小。宁波市交通违章查询
图1特斯拉第1代热管理系统拓扑结构[3]
电机回路上布置有驱动电机、电子控制单元、电子水泵、膨胀水箱、电机散热器和冷却风扇。其主要作用是对电机回路上各电子部件进行散热，保证各电子部件工作在合理的温度范围。
电池回路上布置有动力电池、热交换器、膨胀水箱、高压PTC 和电子水泵。其主要作用是对动力电池
进行温度调节控制，在低温环境下，对动力电池进行加热，改善动力电池的低温性能；在高温环境下，通过与空调系统交互的热交换器，对动力电池进行冷却，保证动力电池的性能和使用寿命。
HVAC 回路上布置有散热器、高压PTC 、鼓风机、
热交换器和电子水泵。其主要作用是对乘员舱温度进行调节，在低温环境下，通过高压风暖PTC 对鼓风机吸入的低温空气进行加热，为乘员舱进行采暖；在高温环境下，通过与空调系统交互的热交换器，对HVAC 回路进行冷却，经散热器对鼓风机吸入的高温空气进行冷却，为成员舱进行制冷。
空调系统采用传统单蒸发器空调，回路上布置有压缩机、冷凝器、膨胀阀、热交换器和干燥瓶。由压缩机驱动冷媒工质进行制冷循环，通过热交换器对电池系统回路和HVAC 系统回路进行制冷。
另外，电机回路和HVAC 回路上布置有3个控制阀，可实现电机回路余热为HVAC 回路加热的目的，在低温环境下，成员舱有制冷需求，通过HVAC 回路的散热器对鼓风机吸入的低温空气进行预加热，节约高压PTC 消耗的电能。3.2
特斯拉第2代热管理系统
Tesla Model S/X 车型采用特斯拉第2代热管理系统，相对于第1代热管理系统，集成度更高，首次引入
四通阀控制结构，可实现电机回路与电池回路的串并联模式。另外，空调系统采用双蒸发器结构。其热管理系统拓扑结构如图2所示。
图2
特斯拉第2代热管理系统拓扑结构[4]
空调系统仍然采用传统空调，相对第1代系统，引入了成员舱内蒸发器和冷媒-水热交换器（Chiller ），分别实现成员舱和电池回路的制冷。当成员舱有制冷需求时，通过空调冷媒在室内蒸发器内的相变吸热过程对乘员舱进行制冷，这种方式在第1
代空调的基础
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上，取消了HVAC冷却回路，实现空调系统对乘员舱的直接制冷过程，制冷效果更好。空调系统与电池回路通过Chiller热交换器进行换热，可对空调制冷量进行精确分配，减小电池回路的主动冷却过程对乘员舱制冷舒适性的影响。当乘员舱有采暖需求时，采用高压风暖PTC进行乘员舱进气加热。
电机回路相较于第1代系统，增加了与电池回路相耦合的四通阀结构，另外对冷却部件有所调整，增加了车载充电机的冷却。在结构上，仍然采用外置低温散热器对回路进行冷却，但在此基础上，新增三通阀结构，可实现对外置低温散热器的短接，在不需要散热的情况下，较好的避免了多余热量的散失，为电机余热回收利用提供基础。
由于电池回路和电机回路采用同样的冷却工质，通过引入四通阀控制，可实现电池回路和电机回路的灵活交互。在整车冷启动工况下，当电池系统有加热需求，可调节四通阀的开启状态，实现电机回路和电池回路串联，使用电机系统的余热为电池系统进行加热，减少高压PTC为电池加热所消耗的电能。在环境温度低于一定值，同时电池有冷却需求，电机回路温度低于电池回路，可调节四通阀的开启状态，实现电机回路和电池回路串联，通过电机回路的散热器为电池系统进行冷却，节约空调系统为电池冷却所需要的能量消耗。
当整车运行工况、电池系统和电机系统的工作状态，不满足两热管理回路串联模式的情况下，则控制四通阀开启状态，实现两回路并联。对电机回路和电池回路的热管理需求进行独立控制。
特别指出，在最终量产车型上，实际热管理系统布置结构可能根据实际情况会有所调整，比如Tesla Model S采用双冷凝器布置结构，而Tesla Model X采用单冷凝器布置结构。但其与图2所示的热管理拓扑结构没有本质的区别，在此不再单独叙述。
3.3特斯拉第3代热管理系统
以Tesla Model3为代表的车型采用特斯拉第3代热管理系统。相对于第2代热管理拓扑结构，没有本质上的差别，更多的是增加了一些新的技术应用，同时结构设计上更凸显集成化。在风暖PTC、驱动电机和储液罐结构设计上均有较大的技术创新，下面将分别进行介绍。
3.3.1风暖PTC新技术
空调系统仍采用传统空调系统，主要用于乘员舱制冷和动力电池回路的主动冷却过程。乘员舱采暖仍然采用高压风暖PTC结构，但相对于第2代热管理系统，从风暖PTC的结构设计端进行了改进，克服风暖PTC无法实现分区控制的缺点。
特斯拉空调箱系统采用风暖PTC进行乘员舱加热，PTC采用正温度因子材料随长度变化的加热管。可
实现驾驶座与副驾驶座的分区加热控制，风暖PTC 加热体横跨驾驶侧风道与副驾驶侧风道，如图3所示。
图3风暖PTC加热器分区示意[5]
风暖PTC加热器由多个加热芯组成，每个加热芯沿长度方向可分为8个单元，可对每个单元采用的正温度系数电阻材料用量进行设定，如图4所示。正温度系数电阻材料用量不同，在接通电流后，会产生不同的热量和表面温度，因而可实现2侧气体流道内的不同吹风温度。通过选择性的对1个或多个加热芯进行IGBT开关控制，最终实现驾驶侧和副驾驶侧的分区温度控制。
图4具有非对称正温度因子的PTC加热芯示意[5]
目前风暖PTC大多无法实现分区控制。特斯拉对热管理部件层面进行研究，在其他厂家普遍采用水暖PTC实现空调分区控制的情况下，特斯拉仍坚持采用风暖PTC技术路线，从部件的设计入手，在保留风暖PTC升温响应快的优点基础上，解决风暖PTC的短板，拓宽风暖PTC的使用场景。
3.3.2驱动电机新技术
驱动电机采用油冷电机，与电机回路通过热交换器实现热量传递，同时电机新增低效制热模式，通过电机控制器新的控制方式，可实现电机发热模式，通过四通阀控制，实现与电池回路的串联，采用电
机低效制热模式用于电池回路的加热，相应的取消电池回路的高压PTC，减少成本。采用电机低效制热模式对电池回路进行加热的运行如图5
所示。
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汽车文摘
图5电机低效制热模式加热电池回路示意[6]在极端冷启动工况下，电池有快速加热需求，在电机与电池回路串联的情况下，电机正常余热无法满足电池升温速率需求，则驱动电机进入低效制热模式。通过电机控制器调节电机定子线圈旋转磁场与转子永磁体的相位角，实现不同的电机效率。驱动电机进入电机低效制热模式，对电机定子线圈进行驱动生成热量，同时保证电机转子旋转或静止。
结合特别设计的电机润滑油流道，实现电机低效制热模式下的驱动电机热量转移，通过热交换器，把电机低效制热模式下生成的热量转移到电池回路，用于电池系统加热。电机低效制热模式可实现远大于电机普通驱动模式下的生热，因而可取消电池回路的高压PTC，节省系统成本。电机低效制热模式下的润滑油和热流量流动如图6所示。
图6电机低效制热模式润滑油和热流量示意[6] 3.3.3集成式储液罐技术
传统热管理系统包含大量的热管理部件和管路，同时采用众多的软管和接头进行连接，增加了整个热管理系统运行过程中的失效风险点。另外，由于各部件安装位置不同，在整车装配过程中需要消耗大量的时间和人工成本。
特斯拉采用集成式储液罐设计，实现膨胀水箱与热管理系统的加热与冷却部件高度集成，如图7所示。该集成模块可以包含四通阀、电机水泵、电池水泵、Chiller热交换器、散热器和执行器等部件，通过结构改进，减少不必要的热管理系统管路和接头连接数量，简化热管理系统在整车上的装配工作量，节省整车装配时间和后期维护成本。
图7集成式储液罐结构示意[7]
3.4特斯拉第4代热管理系统
特斯拉第4代热管理系统应用于特斯拉最新车型Tesla Model Y，其热管理系统拓扑结构如图8所示。包含空调系统回路、电机系统回路和电池系统回路。
图8特斯拉第4代热管理系统拓扑结构[8]
相对于特斯拉以往热管理系统，在Tesla Model Y 车型上，特斯拉首次引入热泵空调系统。该空调系统主要是负责乘员舱的采暖和制冷功能。在结构上，该空调系统没有单独设置外置冷凝器，通过热交换
器和管路连接，与电池回路和电机回路进行耦合，实现整个热管理系统的热量交互。
在使用驱动电机运行低效制热模式为电池系统加热的基础上，新增空调系统压缩机和鼓风机电机的低效制热模式。在极端低温启动情况下，控制空调压缩机和鼓风机的电机进入低效制热模式，作为电加热器使用，空调压缩机的电机可生成8kW左右的热量，而鼓风机电机可产生400W的热量，在取消乘员舱高压PTC，替换为2个低压PTC的情况下，能够保证热泵系统在-30℃环境下可靠稳定运行。同时改善热泵工作噪声，实现良好的NVH性能。
由于该热泵系统与电池回路通过热交换器实现56
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耦合，而动力电池又具有质量大热容高的特点，动力电池也作为该热泵系统的1个热量存储装置，根据整车实际运行工况，判定是否为动力电池加热或从动力电池吸热。
Tesla Model Y热泵空调系统采用了功能强大的整车热管理预调节工作模式，可通过Tesla Mobile App、车载循环日程App和自适应推断程序进行控制，后面这一种可识别用户上班时间，同时推断出典型的驾车出发时间。
在结构上，特斯拉对Tesla Model Y的热管理系统进一步集成化，采用了集成歧管模块[9]和集成阀门模块。集成歧管模块把复杂的热管理系统管路进行集成，可有效的与集成阀门模块实现配合安装，集成阀门模块为八通阀结构，可看作是2个四通阀的集成。如图8中虚线框中所示。
3.5特斯拉热管理系统技术发展时序
按照时间顺序对特斯拉电动汽车热管理系统技术进行汇总，如图9所示。
图9特斯拉电动汽车热管理系统技术发展时序
可以看出，随着上市车型的换代，特斯拉热管理系统技术也在不断的更新。伴随着热管理系统新技术
的应用，在结构集成上，特斯拉也进行了不断的创新，不仅考虑热管理系统功能的实现，而且对整车装配以及后期维护便利性都作了统筹。
特斯拉这种从事物本身需求出发，即第一性原理（First Principle），开拓思维勇于创新、不断探索新的问题解决方法，值得我们技术从业者进行学习。
4结论
（1）特斯拉第1代热管理系统设计相对简单，各回路相对独立，乘员舱空调系统采用间接制冷方式，采用阀门控制可实现电机回路余热对乘员舱加热。
（2）特斯拉第2代热管理系统较第1代热管理系统实现拓扑结构的升级，各热管理回路之间实现一定程度的交互，尤其新引入四通阀结构，可实现电池回路和电机回路的串并联，空调系统采用传统空调，乘员舱采用蒸发器直接制冷。
（3）特斯拉第3代热管理系统较第2代热管理系统在拓扑结构上没有大的变化，但在热管理系统部件上引入了大量的新技术应用，在热管理系统功能上，注重热管理系统能耗的优化，体现了精细化设计思路。
（4）特斯拉第4代热管理系统作为特斯拉最新一代热管理系统，实现了全新升级。首次引入了热泵空
调系统，同时也对热管理系统拓扑结构进行了较大的改变，可实现较多的热管理系统功能，控制较为复杂。考虑到整车装配和后期维护的便利性，对热管理系统部件进行了高度集成，实现了结构集成化的目的。
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