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。
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。
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。
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。
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。
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。
以Tesla Model 3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。
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]
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8 kW左右的热量，而鼓风机电机可产生400 W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。
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。
（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。
参考文献
[1]Wawzyniak M,Art L,Jung M,et al.Thermal Management as a Basic Prerequisite for Electric Mobility[J].ATZ Worldwide,2017,119(9):46-51.
[2]Wawzyniak, M.& Wiebelt, A.Thermal Management for Electrified Vehicles[J].MTZ Worldwide,2016(77):38-43.
[3]Tesla Motors,Inc.Electric vehicle thermal management system:US 2010/0025006 A1[P].2010-02-04[2020-09-01].
[4]Tesla Motors, Inc.Thermal management system with dual mode coolant loops: US 8402776 B2[P].2013-03-26[2020-09-01].
[5]Tesla Motors, Inc.HVAC system with positive temperature coefficient varying along length of heat rod: US 2018/0105018 A1[P].2018-04-19[2020-09-01].
[6]Tesla Motors, Inc.Electric motor waste heat mode to heat battery: US 2018/0083509 A1[P].2018-03-22[2020-09-01].
[7]Tesla Motors, Inc.Heating and cooling reservoir for a battery powered vehicle:US 2017/0373359 A1[P].2017-12-28[2020-09-01].
[8]Tesla Motors, Inc.Optimal source electric vehicle heat pump with extreme temperature heating capability and efficient thermal preconditioning: US 2019/0070924 A1[P].2019-03-07[2020-09-01].
[9]Tesla Motors, Inc.Technologies for manifolds: US 2019/0039440 A1[P].2019-02-07[2020-09-01].
END
