摘 要：对特斯拉Model Y 热泵空调系统的结构和工作原理进行了阐述。依据不同的环境温度和车辆工况，对Model Y 热泵空调系统的12 种制热控制策略和3 种制冷控制策略进行了分析，介绍了不同策略下，八通阀的工作位置，车内蒸发器、车内冷凝器、换热器1、换热器2 和车外散热器的工作状态，制冷剂在系统内的循环线路以及热量转移的过程。通过对特斯拉Model Y 热泵空调系统控制策略的分析，为热泵空调系统在电动汽车上的应用及热泵系统的开发提供参考。
0 引言
现代汽车空调系统有制冷和制热功能，传统汽车空调利用发动机冷却液的热量实现制热，而纯电动汽车空调常采用PTC（positive temperature coefficient）加热器制热。研究显示，冬季低温下PTC 耗电约为总耗电量的20%[1]。这将大幅降低电动汽车在冬季的续驶里程。为实现电动汽车冬季续驶里程与舒适性的平衡，特斯拉在Model Y 上首次引入热泵空调系统[2]，将空调冷媒系统与动力电池、电驱冷却系统通过换热器进行热交换，采用精准而智能化的热量管理策略，充分回收并利用电池、电机、车外环境和车厢内的热量，分别为座舱和动力电池供热，在满足舒适性的基础上，有效地提升了冬季低温下的行驶里程。本文将对特斯拉Model Y 上搭载的热泵空调系统控制策略进行分析，为电动汽车热泵空调系统的开发提供参考。
1 特斯拉Model Y 热泵空调系统概述
1.1 特斯拉Model Y 热泵空调系统的构成
特斯拉Model Y 上搭载的热泵空调系统的总体组成主要包括车辆热泵系统、动力电池冷却回路、驱动系统冷却回路、冷却液阀系统（八通阀）、控制单元等，如图1所示。其中，车辆热泵系统与动力电池冷却回路之间存在热交换；动力电池冷却回路通过冷却液阀系统与驱动系统冷却回路连接，实现热量交换；控制单元则通过控制各系统部件使制冷剂、冷却液、空气沿着不同的路径循环流动，从而实现制冷或制热的功能。图1 所示空调系统中，车辆热泵系统在传统空调系统的基础上增加了车内冷凝器、电池系统冷却液换热器、驱动系统液冷冷凝器、压缩机出口三通阀、低压车内加热器。动力电池冷却回路用来加热或冷却动力电池包；驱动系统冷却回路用来冷却电机和驱动系统逆变器[3]。
图1 特斯拉Model Y 热泵空调系统组成示意
1.2 热泵空调的工作原理
热泵空调制冷原理与传统汽车空调一致，来自蒸发器的低温低压气态制冷剂被压缩机压缩成高温高压气态制冷剂后进入车外冷凝器，并在冷凝器中放热后冷凝成中温高压液态制冷剂；制冷剂放出的热量由流经冷凝器的车外空气带走，而从冷凝器流出的液态制冷剂将经过储液干燥器干燥过滤后再流入膨胀阀，随后经膨胀阀减压膨胀后变成低温低压的液态制冷剂，随后再流入车内蒸发器，并在蒸发器内吸热蒸发成低温低压的气态制冷剂。制冷剂在蒸发器内的蒸发温度低于室外环境温度，因此制冷剂将吸收被送往车厢内的空气中的热量，使进入车厢内的空气成为温度较低的气体，从而产生制冷效果。流出蒸发器的制冷剂最后再流回到压缩机，如此循环形成制冷循环，如图2 所示[4]。热泵空调制热的基本原理是“逆卡诺循环”，是常规空调制冷循环的逆过程，如图3 所示。压缩机将低温低压气态制冷剂压缩成高温高压气态制冷剂后，将其输入车内冷凝器；制冷剂在车内冷凝器中放热，释放出的热量用来加热被送入车厢的低温空气，使其成为温度适中的暖风，从而产生制热效果。制冷剂经过车内冷凝器后冷凝成中温高压的液态制冷剂，再经膨胀阀膨胀减压后变成低温低压液态制冷剂，随后流入车外蒸发器。在冬季，环境温度虽然较低[以制冷剂四氟乙烷（R134a）为例，环境温度不低于-10 ℃]，但车外蒸发器中制冷剂的蒸发温度仍低于环境温度，因此制冷剂将吸收流经车外蒸发器的空气中的热量，蒸发成低温低压的气体，最后再流回到压缩机，形成制热循环[5]。
图2 热泵空调制冷原理
图3 热泵空调制热原理
2 特斯拉Model Y 热泵空调系统制热控制策略研究
特斯拉Model Y 热泵空调系统根据外界环境温度、车辆本身加热需求，共有12 种制热控制策略，每种控制策略对应的各部件的工作状态见表1。
表1 热泵空调制热控制策略总览
2.1 制热控制策略1
Model Y 热泵空调系统采用的是R134a 制冷剂，当工作环境温度不低于-10 ℃时，R134a 仍可以吸收外界大气环境中的热量。当外界环境温度＞-10 ℃，车辆刚启动，动力电池不需要热泵系统加热，但车厢需要加热，热泵系统则采用控制策略1，换热器1、车内冷凝器、车外散热器工作，八通阀工作在位置1，构成两条互相独立的冷却液回路。如图4 所示，八通阀直接将换热器1、换热器2 和车外散热器串联；动力电池冷却系统与功率变换器、驱动单元冷却系统（包含逆变器、机油换热器和驱动系统构成的冷却系统）串联。
图4 八通阀工作位置1
在控制策略1 下，冷却液流经车外散热器，吸收外界大气中的热量，再通过八通阀和冷却液泵进入换热器1、换热器2（冷却液与制冷剂不在换热器2 中进行热交换），最后再回到冷凝器，如图5 中线路①所示。制冷剂循环回路通过换热器1 与冷却液回路进行热交换，此时的换热器1 相当于蒸发器。在换热器1 中，制冷剂吸收冷却液中的热量而蒸发，使冷却液温度低于环境温度。汽化后的制冷剂经过积累器进入压缩机，被压缩成高温高压的气态制冷剂，随后进入车内冷凝器。制冷剂在冷凝器中冷凝放热为车厢提供热量，最后通过膨胀阀再流入换热器1，热泵系统工作原理如图5 中回路②和③所示。在该控制策略下，车厢内的热量来自压缩机压缩做功消耗的电能和环境空气中的热量，制热效能比（COP）远大于1，即热泵处于高效工作区，产生的热能远高于电能消耗。
图5 制热控制策略1 工作原理
2.2 制热控制策略2
当外界环境温度＜-10 ℃时，电池冷却液系统和电机冷却系统还有富余的热量，车厢需要加热，热泵空调系统采用控制策略2，从动力电池冷却回路和驱动系统冷却回路吸热。在控制策略2 中，换热器1 和车内冷凝器工作，八通阀工作在位置2，动力电池冷却回路与驱动系统冷却回路串联，如图6 所示。热泵系统工作在控制策略2 时，制冷剂循环回路与控制策略1 一致，制冷剂通过换热器1从动力电池和驱动系统冷却回路吸热，再通过车内冷凝器向车厢内放热；冷却液在换热器1 中放热后温度降低，在冷却液泵的作用下流入动力电池系统带走动力电池工作时释放出的热量，随后经八通阀流入功率变换器、逆变器、机油换热器、换热器2、车外散热器旁路（由三通阀控制）、八通阀，再回到换热器1，如图7 线路①所示。该控制策略下，COP 远大于1。
图6 八通阀工作位置2
图7 制热控制策略2 工作原理
2.3 制热控制策略3
当外界环境温度和车厢内温度均低于-10 ℃时，车辆静置一晚上后刚启动，动力电池冷却液温度较低，不足以提供车厢加热所需的全部热量，热泵空调系统采用控制策略3，即混合加热模式。该模式是在2.2 节所述控制策略的基础上增加了低压车厢加热器（PTC）加热，使热泵系统从动力电池冷却回路吸收一部分热量，部分吸收低压车厢加热器的热量，旁通阀位置及控制策略工作原理可参考图6 和图7。与控制策略2 相比，控制策略3 由于低压PTC 的介入，可为车厢提供更多热量，也便于电池快速升温。该控制策略下，换热器1 的COP 远大于1，车厢低压加热器的COP 是1。为了满足驾驶员和乘客的不同制热温度需求，在热泵系统中设有两个低压PTC，一个是在驾驶员侧，另一个则是在副驾驶侧。这两个低压PTC 可以根据需求独立工作，提供不同的热量，实现空调的分区控制。
当低压PTC 和冷却液共同提供的热量仍无法满足车厢制热需求时，控制策略3 将启动第二种工作模式，即车内蒸发器和车厢内空气再循环管道开始工作。如图8所示，来自车内、外空气和流经冷凝器的空气经车内蒸发器再次冷却，此额外的制冷负载将增加压缩机负荷，提高压缩机功率消耗，最终通过冷凝器释放更多热量，加热进入车厢内的空气。此模式下，压缩机的COP 是1。系统中，车厢内空气再循环管道控制执行器被用作计量设备，可以根据不同的热量需求调节再循环空气量，使压缩机保持在接近满负荷的工作状态。
图8 制热控制策略3 模式二工作原理
2.4 制热控制策略4
当外界环境和车厢温度极低时，如低于-10 ℃，驱动系统和动力电池系统温度均很低，即便车辆开始运行，驱动系统产生的热量也被低温环境耗散，动力电池需要额外的热量进行加热，此时热泵空调采用控制策略4。如图9 所示，换热器1 不再工作，压缩机和低压PTC 作为仅有的热源对车厢内空气进行加热，制冷剂回路与冷却液回路各自独立工作，不再有热交换，热泵系统的COP是1。
图9 制热控制策略4 工作原理
在控制策略4 中，压缩机和空调鼓风机工作处于低效率模式（low efficiency mode）下。此时，压缩机和鼓风机会消耗更多电能，并将这些电能转化成热能，通过自身耗电发热为热泵系统制热提供更多热量。与此同时，经车内冷凝器加热后的暖风由车厢内空气再循环管道引至车内鼓风机进气端，即空气在蒸发箱中进行内循环，如图9 中线①所示，其原理与控制策略3 模式二相同。此外，鼓风机在低效率模式下会产生热量，循环流过鼓风机的空气能吸收这部分热量。当这部分内循环空气被加热到一定程度后，风门打开将热空气送入车厢，同时车厢内冷空气进入循环管道进行加热。其中，循环空气量的多少是由循环管道内的风门控制，循环量过大会使车厢内没有暖风输入或者输入量极少，造成车厢内舒适性下降，车内车窗起雾；循环量太少会使车内升温慢。采用这种空气循环的方式将有效减少快速制热时制冷剂循环中的热负荷。
2.5 制热控制策略5
控制策略5 与控制策略4 相似，当热泵系统所提供的热量已经满足车厢内的制热需求，同时还有富余的热量时，压缩机下方的三通阀全开，换热器2 开始工作，如图10 所示。换热器2 将热泵系统热量传递给冷却液回路，为动力电池系统加热。这将有助于动力电池尽快升温，达到理想工作温度，提高动力电池充放电性能。
图10 制热控制策略5 工作原理
2.6 制热控制策略6
在与控制策略4 和控制策略5 中相似的环境温度和车辆状态下，为了满足车辆速度需求或者在低温下的充电需求（充电优先级高于车内舒适性），热泵系统需要给动力电池加热，使其快速升温，因此热泵系统采用控制策略6，仅为动力电池冷却液回路加热，不再为车厢提供制热，换热器1、换热器2 和压缩机工作，工作原理如图11 所示。系统工作时，被压缩机压缩后的高温高压气态制冷剂经三通阀流入换热器2，高温制冷剂在换热器2中将热量传递给动力电池冷却液回路（此时的换热器2相当于冷凝器），然后经三通阀流入膨胀阀，经膨胀阀膨胀后再进入换热器1，最后经积累器流回压缩机。系统中，换热器1 和换热器2 有热连接，换热器1 给冷却液回路降温，换热器2 给冷却液回路加热，其原理与效果同控制策略4 类似，通过换热器1 和换热器2 产生的冷却与加热相互抵消，压缩机工作时的功率消耗则是动力电池系统加热的热量来源。
图11 制热控制策略6 工作原理
2.7 制热控制策略7 和控制策略8
为了充分利用整车热量，尽可能地让动力电池处在合适温度范围内，热泵空调系统采用了两种不同的控制策略（控制策略7和控制策略8）来回收环境或车厢内的热量，并利用动力电池冷却系统的隔热保温作用，将这些回收来的热量存储在动力电池冷却液中。控制策略7 适用于车辆驾驶前或者驾驶后，通过车内蒸发器吸收环境空气中的热量，提前预热动力电池，同时将吸收的热量存储在冷却液中，其工作原理如图12 所示，换热器2 和车内蒸发器工作，换热器1 和车内冷凝器不再工作。车外空气通过空调系统管道流经车内蒸发器，再由鼓风机送至车厢内。这使车厢内温度略低于环境温度，因此，车辆再次使用前，需要一定的时间将新鲜室外空气引入车厢，并排出原有冷气，使车厢内温度达到正常状态。当车辆使用时或者即将使用时，热泵空调系统将根据车内车外温度选用前文所述制热控制策略1～3 中的相应策略，释放动力电池冷却液回路中存储的热量，对车厢进行加热。
图12 制热控制策略7 和控制策略8 工作原理
控制策略8 与控制策略7 工作原理基本一致，不同点仅在于回收热量的来源不同。控制策略8 是直接回收车厢内空气的热量，通过车厢空气内循环管道实现。该控制策略适用于车辆刚停下、再次使用间隔时间不小于1 h、车厢内空气尚有余热这种情形。通过控制策略8 回收的热量是有限的，回收量的多少取决于车辆行驶结束时车厢内的总热量。控制策略7 对热量的回收是无限的，只要环境温度高于-10 ℃，就一直可以从环境空气中回收热量。
2.8 制热控制策略9
当环境温度适中，车辆未启动，但车厢内较冷时，热泵空调系统可以通过车外散热器直接吸收环境空气中的热量对车厢进行预热，此时系统采用的是控制策略9，工作原理如图13 所示。系统工作时，首先由车外散热器中的冷却液吸收环境空气中的热量。冷却液在冷却液泵的作用下，经八通阀流入换热器1，并在其中将所吸收的热量释放给流经换热器1 的制冷剂。此时的换热器1 相当于制冷剂循环回路中的蒸发器。随后，冷却液流入动力电池系统，由于冷却液的热量在换热器1 中已释放，故动力电池的温度会略低于环境温度。此后，冷却液经八通阀流向功率变换器、逆变器、机油换热器，最后经换热器2 流回车外散热器进行吸热，如此循环。制冷剂回路则是通过压缩机做功、车内冷凝器放热的方式将换热器1 吸收的热量释放到车厢内，给车厢预热。
图13 制热控制策略9 工作原理
2.9 制热控制策略10
控制策略10 是为车厢除雾而设计的，通过让车内蒸发器芯局部结冰的方式去除车厢内的水汽。热泵系统运行在控制策略10 时，车厢内全部空气通过空调再循环管道进行循环，如图14 中线①所示，而非传统的连续吸入新鲜冷气或干燥气体，对其加热后再输入车厢。车厢内空气再循环方式一方面可以有效降低车厢内空气对流热负荷；另一方面可连续快速地通过车内蒸发器去除车厢内的水汽。此外，鼓风机的循环吸入压力需要尽可能低，以此降低车厢内水汽的露点温度，使空气中的水分尽快凝结成水珠。在为车窗吹风除雾时，车窗除雾风门工作，将经过车内蒸发器冷却后的冷风直接吹向车窗。同时，为保证车厢内的制热，经过车内蒸发器后的部分空气再经过车内冷凝器加热，输出暖风。这部分热量由动力电池和压缩机提供。控制策略10 中，冷却液回路和制冷剂回路均与控制策略3 相同，循环回路可参考2.3 节。
图14 制热控制策略10 工作原理
2.10 制热控制策略11
控制策略11 是为车内蒸发器和车窗除霜而设计的。当车窗结霜或者车内蒸发器上结的霜已经影响气流流通、妨碍热传递或者除湿功能时，控制策略11 将被启用。该控制策略工作原理基本同控制策略2，参考图7，区别在于为了尽快将车内蒸发器上的霜融化，经车内冷凝器加热后的热空气全部由内循环管道引回至车内蒸发。为了产生尽可能多的热量，提高循环空气温度，压缩机和鼓风机均工作在低效率模式下，通过大量热风将霜吹化。为车窗除霜时，原理基本同上，只是经由相应的风道将热风吹向车窗。
2.11 制热控制策略12
控制策略12 实际上是除湿功能，常规空调除湿是对进入车厢的空气先冷却，而达到除湿效果所需的冷却温度较低，为此空调系统需额外对除湿后的空气进行加热，这就增加了能耗。热泵空调系统则利用车内冷凝器在车内蒸发器后面的特点，使被蒸发器降温除湿后的空气直接经车内冷凝器加热。因制冷循环本身就要通过冷凝器对外放热，被降温后的空气就可“免费”加热升温了，所以采用热泵系统进行除湿所需的能耗最少。
要实现控制策略12，八通阀需工作在位置3，如图15 所示，八通阀将换热器1 和动力电池冷却回路串联，将换热器2、车外散热器、驱动单元和驱动控制系统冷却回路串联，这两条串联回路相互独立。系统工作时，换热器1 不工作，动力电池冷却系统回路与制冷剂回路不进行热交换，但换热器2 开始工作，制冷系统回路通过换热器2 与驱动控制系统冷却回路进行换热。在压缩机的作用下，制冷剂回路开始工作，压缩机下方的三通阀全开，制冷剂从压缩机输出后分别进入换热器2 和车内冷凝器，再经过三通阀、膨胀阀后进入车内蒸发器，最后经积累器回到压缩机。回路中换热器2 主要将制冷所要放出的大部分热量传递给驱动控制冷却回路，再由驱动冷却回路中的散热器将热量释放至外界环境中；车内冷凝器则通过流经的空气放热。换热器2 和车内冷凝器各自释放热量的多少取决于流经的制冷剂的量，这个量的调节则是通过控制压缩机下方的三通阀实现的。控制策略12 工作原理如图16 所示。
图15 八通阀工作位置3
图16 制热控制策略12 工作原理
3 特斯拉Model Y 热泵空调系统制冷控制策略研究
特斯拉Model Y 共有3 种制冷控制策略，分别应用在3 种不同的高温情况下，即超级充电时、峰值功率输出时和全车制冷时，3 种制冷控制策略下，各部件的工作状态见表2。
表2 热泵空调制冷控制策略总览
3.1 制冷控制策略1
控制策略1 是车辆在超级充电时为动力电池提供额外的散热，以提升车辆超级充电时的峰值功率。在正常室温条件下，超级充电产生的电池热量由换热器1 传递给制冷剂回路；在制冷剂回路中，换热器2 将制冷剂中的热量传递给动力系统冷却回路，最终通过车外散热器将热量释放到空气中。其中，动力电池冷却液回路与驱动系统冷却回路相互独立，八通阀工作在位置3，与制热控制策略12 相同，如图15 所示。
一旦环境温度过高，仅靠车外散热器已无法将超级充电产生的热量完全释放出去。此时，车内冷凝器需要参与工作，车内鼓风机以最大功率将外界新鲜空气吸入空调管道，这些新鲜空气流过车内冷凝器并将热量带走，因此车内冷凝器为系统散热提供了额外的散热功率，减小了车外散热器的散热负荷，工作原理如图17 所示。但车内冷凝器散热会使车厢内全是热空气，温度明显升高，因此，只有当车厢内没有乘员或者超级充电峰值充电功率是第一优先级时，才会采用这种控制策略。当超级充电峰值功率过后，车内冷凝器不再工作，空调鼓风机将外界新鲜空气送入车厢，给车厢降温，使其恢复到室温。
图17 制冷控制策略1 工作原理
3.2 制冷控制策略2
控制策略2 与控制策略1 的原理相似，主要为车辆峰值功率输出提供额外散热，如最高车速行驶、爬坡等工况，工作原理如图17 所示。但在控制策略2 中，八通阀会使动力电池冷却液回路和驱动系统冷却回路工作在串、并联混合状态，具体的工作方式取决于零部件的极限温度状况。如果在峰值功率输出时，动力电池温度已达到上极限，则八通阀工作在位置3，使两回路并联工作，其工作原理同控制策略1。
3.3 制冷控制策略3
当夏天车辆被曝晒后，车厢内温度极高，传统空调系统会以最大功率给车厢降温，车外散热风扇工作在最高转速，风扇、鼓风机和压缩机的工作噪声很大，车厢降温速度较慢，乘坐舒适性下降。热泵空调系统则利用动力电池冷却液热容量大、温度低于环境温度的特点，采用控制策略3，使八通阀工作在位置2，驱动冷却回路与动力电池冷却回路串联工作，如图18 所示。系统中，换热器1 不工作，换热器2 相当于制冷回路中的冷凝器，将制冷剂回路的热量传递给冷却液回路，动力电池冷却液将吸收部分制冷剂热量，从而有效减小车外散热器和压缩机的工作负荷，大幅降低散热风扇转速和工作噪声，提高制冷回路制冷效率，提升车厢降温速率。
图18 制冷控制策略3 工作原理
4 结论
本文介绍了特斯拉Model Y 热泵空调系统的结构以及热泵系统制冷与制热的原理，并分析了热泵空调系统中12 种制热控制策略和3 种制冷控制策略，分别就各控制策略的作用、主要部件的工作情况及系统的工作原理做了详细描述。
当环境温度高于-10 ℃时，热泵系统吸收环境热量给车厢加热；当环境温度低于-10 ℃时，热泵系统吸收冷却回路中的热量给车厢加热，当冷却回路热量不足以满足制热需求时，低压PTC 开始工作，提供额外热量；当环境温度低于-10 ℃且冷却回路没有热量提供时，仅压缩机提供热量为车厢加热。当车厢和动力电池都需要加热时，压缩机和车内鼓风机均工作在低效率模式，将更多的电能转换成热能，为车厢和动力电池加热。当低温下动力电池需要充电时，压缩机和车内鼓风机为动力电池加热。当环境温度较高时，热泵系统利用动力电池冷却液隔热保温的特点，将环境热量回收至动力电池冷却液中，一方面可以预热动力电池，另一方面可为低温制热提供热源；当环境温度较低且环境热量不可被回收时，热泵系统回收车厢内的余热，将其存储至动力电池冷却液中。
此外，热泵系统利用车内冷凝器和车内蒸发器串联的特点，实现除雾、除霜和除湿的功能。当需要超级充电、大功率输出时，车内蒸发器提供额外的散热功率，为动力电池降温；当车厢需要大功率降温时，动力电池冷却回路提供额外散热功率，提高制冷系统散热效率。
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END
