特斯拉电机堵转加热技术

　　特斯拉Model 3开始利用热管理来回收驱动电机产生的热能，更甚至在驱动电机不旋转时，使用所谓电机堵转技术产生热能，当作热源使用。当然这样的一个过程是根据车辆不同工作模式，控制驱动电机是否输出电磁转矩。在不产生电磁转矩时，驱动电机就等于一个加热绕组。而在特斯拉在Model Y的设计中，则取消了高压的PTC（水热的在Model3上已取消），只配置了一个低压的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。下面我们的角度来看一下这些设计是如何来实现的。

　　通过对整个热管理系统来进行重新设计，特斯拉制造了一个热管理系统的「大脑」来统筹整个热管理系统的运转。特斯拉工程师给这个「大脑」取了一个名字，叫 Superbottle。Superbottle 是一个六向控制阀，通过电控调节液路的流向，Superbottle 实现了对相互独立的子系统的统一管理。通过一个六向控制阀电控调节液路的流向，特斯拉第一次把全车的热管理子系统统一管理起来。

　　在冷却模式下，Model 3 的电池组热管理系统和电机冷却系统相互独立。电池组冷却液从冷却装置流出，冷却整个电池组后经过 Superbottle 的管路流回冷却装置；电机冷却液从冷却装置经过 Superbottle 流入电机总成，流出后回到冷却装置。

　　（2）在加热模式下， Superbottle 将电池组液路和电机液路串联起来电池组冷却液经过 Superbottle 流入电机总成，流出后经过冷却装置（此时不工作）回到电池组。也就是说，在加热模式下，特斯拉通过利用电机产生的废热（车辆运行）或堵转（车量停止，此时电机绕组当作加热电阻使用）来为电池组加热，就像燃油车收集发动机废热给驾驶舱供热一样。

　　特斯拉其实就是利用电机堵转所产生的热量来为电池加热，这是一种不需要电阻加热的新解决方案。特斯拉选择将电机堵转发热，电机堵转功率的大小依据电池包需要的温度由热管理系统来调节。每个驱动电机最高可用 7kW 的热功率来满足了加热需求。这样一个时间段，电机扮演的角色变成了热管理加热装置。

　　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。

　　特斯拉把12V 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。

　　在这套系统里面，特斯拉设置的工作模式，如下图所示，特斯拉划分了12种工作模式：

　　COP=1~2：温度范围在-10℃~10℃之间，会启动混合模式，这时候热量有自12VPTC，然后一部分自热泵

　　COP1：这是热泵高效区，这时候热泵系统是最主要的加热方式。

　　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，或进行某些特定的程度的简化，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。

　　而之前电机余热发热的模式，在以上的具体模式中实际上也是存在的，就是把压缩机的用法也同样做了迁移，进入了高损耗模式。我觉得，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。

　　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）；在环境极低的环境下，利用电机堵转给电池加热等这些都需要可以有效的进行软件上的精准控制为基础。

　　从8向换向阀到12种工作模式的自动控制到驱动电机堵转热管理技术，无一不透露特斯拉热管理的创新的气息，这已成为特斯拉黑科技的标配。而特斯拉Model Y的引领效应，可能加速热泵空调和驱动电机堵转技术在电动汽车上的应用。

　　在低温条件下，电动车需要面临乘客舱需要加热，电池需要加热的问题。从电池的性能上来讲，电池怕冷不怕热。在低温条件下，电池下续航会大幅度的降低，功率也会大大折扣.

　　从上表可以看出来，特斯拉的热管理技术是在一直在优化的。Model S/X是第一代热管理技术，采用直接PTC加热，Model 3开始收集功率电子的余热来为电池加热，这是第二代管理系统，Model Y在热管理系统上引入了一个很重要的热管理方式-热泵，马一龙在推特上对这个热泵大吹特吹了一番，其实特斯拉也并不是最先使用热泵的主机厂。

　　对有发动机的汽油车或者混合动力车，驾驶舱和电池的加热从来都是一个问题。发动机的热效率到40%已经是极其困难了，也就是说绝大部分热被没有用来做有用功，被浪费掉了，这部分废热用来加热驾驶舱和电池包绰绰有余，同时还提高了整车能耗。对燃料电池纯电动汽车来说，与内燃机相似，燃料电池的发电效率在50-60%左右，余热也能充分的利用。但是对锂离子纯电动车而言，能利用的废热只有电机和逆变器的冷却废热，但是电机的效率轻轻松松到80-90%，这点废热与发动机的废热比起来就是毛毛雨了。

　　PTC加热是直接加热冷却液或着薄膜来加热电池，能量的最大效率也就是100%，也就是说1kJ的电池能量最多只能转换成1kJ的热量，而热泵的效率能够达到200-400%，因此热泵的加入能大幅度提高电池的能量利用效率。一个直接数据就是，改款后加入热泵的Model3，续航多出了31mile的续航，提升了9.6%。

　　所以从上面的5个步骤不难发现，总系统的效率为(冷媒从空气中吸收的热量+空压机对冷媒做的功)/空压机的功耗，很容易超过100%，外界温度过低的话，冷媒蒸发温度与环境温差过小，吸收的热量比较少，因此低温度的环境下，热泵效率要小很多，这是很多控制策略中，环境和温度低于-10°，就不采用热泵，直接高压PTC加热。

　　通常能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，在实际中一般能够达到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。

　　油管上面Munro对modelY进行了详细的拆解介绍，按照Munro的意思热管理部分是他觉得整车里面最有意思的部分，建议所有的OEM进行对标学习。他将整个热管理系统叫总成，因为集成度很高，紧凑，整个热管理核心部分不到一个手提箱大小，如下图所示。

　　整个系统位于车头储物舱打开的后面，高压空压机，蓄能器，冷却液膨胀水箱，冷凝器，

　　冷媒模块主要包含气液分离器，水冷冷凝器，蒸发器及冷媒支架。Munro在视频中特别提到气液分离器采用搅拌摩擦焊。

　　该款温控组件需要调整车辆不同部件的温度，该系统自身的温度变化幅度较大。跟着时间的推移，热、冷温度将开始弱化汽车部件。在制造阶段，若该类部件暴露在过高的温度下，这类问题就更明显了，这就是特斯拉采用部分SpaceX级方案的原因了。

　　特斯拉选择对制冷部件的铝制部分采用搅拌摩擦焊技术。Munro表示：“该方案可将两个部件的铝制部分及部分其他材料焊在一起，但对铝制材料而言，该技术最适用。事实上，焊枪的旋转非常快，搅拌摩擦焊可轻松将两块金属材料焊接在一起。然后再处理下外部边缘处即可。通常，该技术在铝材处于塑性状态(plasticstate)或触变状态时将其紧紧地粘合在一起。”

　　冷媒支架可以说是冷媒系统中最核心的部件，冷媒支架直通冷媒不通冷却液，通过不同的膨胀阀及电磁阀来控制冷媒经过不同热交换器。在不同的状态下面温度不一样，经过空压机后的冷媒，高温，经过膨胀阀的冷媒，低温。冷媒支架在这样的循环高温低温下很容易热胀冷缩而且引起支架损坏。特斯拉的工程师考虑到这样的一个问题，在支架上设计加工了很多细缝来避免因为热胀冷缩而造成的问题。

　　冷却液塑料支架嵌入在冷媒支架下方，只同冷却液。马一龙在微博上说这是借鉴PCB的设计思想(一般电路板是分层设计的，比如第一层信号线路，第二层供电线路，第三层地线，等等)，上层走冷媒，下层走冷却液，如果采用用常规的冷却水管集成度是做不到这样的集成度的

　　重要的东西放在最后说，冷却液支架背面衔接一个八通道阀，特斯拉工程师将其比喻成八爪鱼，这个八通阀叫octovale，经过控制步进电机的动作，是阀门处于不同的位置，从而始冷却液在不同的系统中流动，加热或者冷却系统。

　　对于很多传统OEM来说，驾驶舱热管理，电池热管理，很多都是很开的，并不是说传统主机厂没这个能力做出一套像特斯拉这么紧凑，与创意的热管理系统，很多时候协调部门之间的资源并不是一件很容易的事情，需要有强有力的猛人来推动整个事情。

　　近日，有海外媒体曝光了特斯拉Model 3的最新信息动向，相比目前在售的车型，可能作为改款车型的新车在多个方向均作出了提升，且是纯硬件层面的升级，而非FOTA升级带来的固件与软件算法新功能。

　　具体来说，目前根据海外曝光的改款新车图片来看，一是改款Model 3的前大灯相比老款发生了变化，在原来外侧近光灯的位置加入了透镜设计，可能是能够提升某些特定的程度的照明效果；其次，从曝光的图片来看，后备厢支撑杆的体积明显变粗，据此推测改款后的车型将具备电动尾门设计，这是老车主们已经吐槽了无数次的点，算是顺应消费者意见的改进。

　　而除了上述两点的升级改进之外，其实最重磅的变化则是出现在前备箱上，根据曝光图片显示，改款Model 3的前备箱形状较老款有一定变化且内部容积减小，而原因大概率是在于新的改款model 3采用了和Model Y一致的特斯拉全新专利的热泵+辅助PTC的空调系统，这一套系统相比传统的水暖/风暖PTC，其在寒冷环境下制热时的功耗能大幅度降低，直接的优点是提升了电动车在寒冷环境中的实际续航能力。

　　那么，可能就有朋友会问了，为何热泵+辅助PTC就能将能耗做到大幅低于液冷PTC或者风冷PTC呢？这个PTC和热泵的区别何在？

　　要解读这两套不同技术路径的区别，我们就先要知道其核心差异点在哪里，我们先说目前电动车空调装车量最大的PTC，其学名叫正温度系数热敏电阻，它是消耗电能来换取自身的发热，进而通过与车内空气交换（风暖）或者与车内冷却液交换（水暖）来完成最终的空调制热目的。

　　而热泵的工作原理就与PTC大相径庭了，相比起PTC发热的笨办法，热泵走的是搬运热的技术路线，它是以逆循环的方式迫使热量从低温物体流向高温物体，仅消耗少量的逆循环净功，就能够获得较大的供热量。毕竟我们大家都知道，只要温度是高于绝对零度的-273.15℃，那么环境中就一定是有热能存在的，因此，将外界环境中的热能搬运到车内来，其实一样可以升温。

　　知道两个技术路径的区别之后，其核心的能耗差异就出来了，PTC是消耗电能转化热能，而热泵是消耗电能搬运热能。理论上来说，一般是用转换热量和输入能量的比值也就是COP（能效比）来衡量转化效率的好坏，COP越高说明空调转化效率越高，也就是越节能。

　　理论上的数据，PTC制热的COP一般仅仅为1，而热泵的COP最低情况也远高于1，在实际中一般会在2-4之间。也就是在相同能耗下，热泵产生的热量是PTC的2-4倍。

　　把这个差异换算到冬季的实际开空调行驶里程差异上，在其它条件相同的基础上，热泵车型能比PTC车型节约至少大几十公里续航能力出来。

　　看起来热泵很好，但为何如今大多数电动车还是采用PTC呢？甚至我们就说这篇文章的主角车型Model 3，在这一次的升级改款之前，依然也是以PTC为主呢？

　　这里，不得已提热泵空调的两个弱点，一是极低温时的效率问题，二是成本；尤其是前者。

　　当外界环境和温度过低时，比如当环境和温度达到-20℃，因为热量不足，热泵空调此时的COP仅为1，考虑结构问题，此时的热泵系统约等于不工作状态；而在北方更常见的-10℃-0℃区间，热泵空调此时的COP在1-2之间，只是比PTC加热略强一些，整体节约能源的效果还是差强人意；真正的高效区间，则是超过0℃之后，甚至在10℃后COP更是可以超过2.5，节约能源的效果十分出色。

　　很明显的，热泵最大的问题是极低温时的效果不佳。而改款Model 3如无意外，将搭载与Model Y一致的热泵系统，根据特斯拉此前申请的专利，这套热泵系统具备很复杂的8通阀，相比传统热泵空调系统，其获取热量的来源更多更复杂，且有12V小电瓶支撑的PTC辅助发热，以应对极端低温情况。

　　在这套系统中，特斯拉将传统的热泵空调和车辆的电池系统、动力系统通过8通阀进行了打通，彻底压榨了不同系统的余热，同时进行了融合，产生了多达12种工作模式。最重要的是，这些功能完全是系统自己去操作，根据天气情况和车辆情况自动完成所有的功能匹配与操作。这是特斯拉在算法层面和电子架构层面表现出的极高的水准，相信短期内可能也只有特斯拉Model 3/Y这种使用了域控制器的车型才能完成集成度如此高的整车热源打通和融合管理。

　　当然，上文提及热泵系统还有另外一个问题，那就是成本，传统汽车空调的成本单价在2000元左右，而普通热泵空调的成本单价则是3300元左右，光成本价就相差超过1000元，而特斯拉改款Model 3和Model Y身上的这套系统还有着相比传统热泵空调四通阀更复杂的八通阀，再考虑管道等问题，其综合成本必然是更高的，所以不排除未来可能会因为这一部分导致整车成本上涨进而影响最终销售价格。

　　目前改款Model 3仅仅是海外曝光，国内笔者大胆猜测可能会伴随后继采用宁德时代电池与磷酸铁锂电池版本车型一同改进上市，考虑到电池成本会大幅度降低且整车零部件国产化率愈发提高的背景，未来的新车，价格必然还会促进降低，实际续航也因为热泵的存在而更长。

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