摘要：特斯拉專注于電動汽車的研發要早于大多數傳統汽車企業，經過多年的沉淀與積累，現已成為電動汽車行業的領頭羊。伴隨著產品序列的不斷豐富，與其對應的電動汽車熱管理系統技術也在進行不斷的更新與完善，充分體現了功能精細化和結構集成化的特點。基于特斯拉熱管理系統相關專利，對其熱管理系統技術發展趨勢進行分析，為電動汽車熱管理系統設計提供參考。

1 前言

隨著汽車的電動化和智能化發展，電動汽車熱管理系統也向著集成化、可控化和精準化方向發展，熱管理系統設計結構越來越復雜，對控制精度要求也越來越高。對于電動汽車而言，熱管理系統不僅影響乘用車駕乘舒適性，而且也牽涉安全性和能耗問題。如何實現電動汽車實際環境下續駛里程和舒適性之間的平衡，是電動汽車熱管理系統設計需要解決的問題 [1-2] 。

特斯拉作為汽車行業的后起之秀，其專注于電動汽車的研發要早于大多數傳統汽車企業，經過多年的沉淀與積累，現已成為電動汽車行業的領頭羊。伴隨著Tesla產品序列的不斷豐富，與其對應的電動汽車熱管理系統技術也在進行不斷的更新與完善。本文基于特斯拉相關專利對其采用的熱管理系統技術進行總結，為電動汽車熱管理系統開發提供參考。

2 特斯拉熱管理系統技術概述

特斯拉從 2008年第 1款電動汽車 Tesla Roadster上市，至今已經生產了5款電動汽車。按照時間序列和匹配車型，可把特斯拉電動汽車熱管理系統技術可分為4代。以Tesla Roadster為代表，采用最早一代特斯拉熱管理系統，結構相對簡單，沿用傳統汽車熱管理系統思路，各個熱管理回路相對獨立。以 Tesla Model S/X為代表，采用特斯拉第2代熱管理系統，引入四通換向閥，實現電機回路與電池回路的串并連切換，在行業內屬于首創。以 Tesla Model 3為代表，采用特斯拉第3代熱管理系統，通過引入電機堵轉加熱，取消電池回路高壓正溫度系數熱敏電阻（Positive Temperature Coefficient, PTC）降低成本；乘員艙采暖仍然采用高壓風暖 PTC，但通過從設計結構上進行改進，克服風暖PTC無法實現乘員艙溫度分區控制的短板；同時結構上采用集成式儲液罐，簡化熱管理系統結構布置，降低后期維護成本的目的。以Tesla ModelY為代表，采用特斯拉最新一代熱管理系統技術，在特斯拉產品序列中首次采用熱泵空調系統，與特斯拉提出的電機低效制熱模式技術相結合，可應用于極端環境下乘員艙加熱，同時取消乘員艙高壓風暖PTC配置節約成本；在結構上采用高度集成的八通閥模塊，對系統多個熱管理系統部件進行集成，同時實現不同熱管理系統工作模式的靈活切換。

特斯拉對電動汽車熱管理技術進行不斷的創新，從技術上和結構上提出了新的想法，引領行業發展，為電動汽車熱管理系統技術的發展提供了新的思路。

3 特斯拉熱管理系統技術詳解

3.1 特斯拉第1代熱管理系統

特斯拉第 1 代熱管理系統應用于 Tesla Roadster車型，其熱管理系統拓撲結構如圖1所示，包含電機回路、電池回路、空調暖通（Heating Ventilation and Air Conditioning, HVAC）回路和空調回路，各回路功能相對獨立，不同回路之間的耦合度相對較小。

電機回路上布置有驅動電機、電子控制單元、電子水泵、膨脹水箱、電機散熱器和冷卻風扇。其主要作用是對電機回路上各電子部件進行散熱，保證各電子部件工作在合理的溫度范圍。

電池回路上布置有動力電池、熱交換器、膨脹水箱、高壓PTC和電子水泵。其主要作用是對動力電池進行溫度調節控制，在低溫環境下，對動力電池進行加熱，改善動力電池的低溫性能；在高溫環境下，通過與空調系統交互的熱交換器，對動力電池進行冷卻，保證動力電池的性能和使用壽命。

HVAC回路上布置有散熱器、高壓PTC、鼓風機、熱交換器和電子水泵。其主要作用是對乘員艙溫度進行調節，在低溫環境下，通過高壓風暖PTC對鼓風機吸入的低溫空氣進行加熱，為乘員艙進行采暖；在高溫環境下，通過與空調系統交互的熱交換器，對HVAC回路進行冷卻，經散熱器對鼓風機吸入的高溫空氣進行冷卻，為成員艙進行制冷。

空調系統采用傳統單蒸發器空調，回路上布置有壓縮機、冷凝器、膨脹閥、熱交換器和干燥瓶。由壓縮機驅動冷媒工質進行制冷循環，通過熱交換器對電池系統回路和HVAC系統回路進行制冷。

另外，電機回路和HVAC回路上布置有3個控制閥，可實現電機回路余熱為HVAC回路加熱的目的，在低溫環境下，成員艙有制冷需求，通過HVAC回路的散熱器對鼓風機吸入的低溫空氣進行預加熱，節約高壓PTC消耗的電能。

3.2 特斯拉第2代熱管理系統

Tesla Model S/X車型采用特斯拉第2代熱管理系統，相對于第1代熱管理系統，集成度更高，首次引入四通閥控制結構，可實現電機回路與電池回路的串并聯模式。另外，空調系統采用雙蒸發器結構。其熱管理系統拓撲結構如圖2所示。

空調系統仍然采用傳統空調，相對第1代系統，引入了成員艙內蒸發器和冷媒-水熱交換器（Chiller），分別實現成員艙和電池回路的制冷。當成員艙有制冷需求時，通過空調冷媒在室內蒸發器內的相變吸熱過程對乘員艙進行制冷，這種方式在第1代空調的基礎上，取消了HVAC冷卻回路，實現空調系統對乘員艙的直接制冷過程，制冷效果更好。空調系統與電池回路通過Chiller熱交換器進行換熱，可對空調制冷量進行精確分配，減小電池回路的主動冷卻過程對乘員艙制冷舒適性的影響。當乘員艙有采暖需求時，采用高壓風暖PTC進行乘員艙進氣加熱。

電機回路相較于第1代系統，增加了與電池回路相耦合的四通閥結構，另外對冷卻部件有所調整，增加了車載充電機的冷卻。在結構上，仍然采用外置低溫散熱器對回路進行冷卻，但在此基礎上，新增三通閥結構，可實現對外置低溫散熱器的短接，在不需要散熱的情況下，較好的避免了多余熱量的散失，為電機余熱回收利用提供基礎。

由于電池回路和電機回路采用同樣的冷卻工質，通過引入四通閥控制，可實現電池回路和電機回路的靈活交互。在整車冷啟動工況下，當電池系統有加熱需求，可調節四通閥的開啟狀態，實現電機回路和電池回路串聯，使用電機系統的余熱為電池系統進行加熱，減少高壓PTC為電池加熱所消耗的電能。在環境溫度低于一定值，同時電池有冷卻需求，電機回路溫度低于電池回路，可調節四通閥的開啟狀態，實現電機回路和電池回路串聯，通過電機回路的散熱器為電池系統進行冷卻，節約空調系統為電池冷卻所需要的能量消耗。

當整車運行工況、電池系統和電機系統的工作狀態，不滿足兩熱管理回路串聯模式的情況下，則控制四通閥開啟狀態，實現兩回路并聯。對電機回路和電池回路的熱管理需求進行獨立控制。

特別指出，在最終量產車型上，實際熱管理系統布置結構可能根據實際情況會有所調整，比如 TeslaModel S采用雙冷凝器布置結構，而Tesla Model X采用單冷凝器布置結構。但其與圖2所示的熱管理拓撲結構沒有本質的區別，在此不再單獨敘述。

3.3 特斯拉第3代熱管理系統

以Tesla Model 3為代表的車型采用特斯拉第3代熱管理系統。相對于第2代熱管理拓撲結構，沒有本質上的差別，更多的是增加了一些新的技術應用，同時結構設計上更凸顯集成化。在風暖PTC、驅動電機和儲液罐結構設計上均有較大的技術創新，下面將分別進行介紹。

3.3.1 風暖PTC新技術

空調系統仍采用傳統空調系統，主要用于乘員艙制冷和動力電池回路的主動冷卻過程。乘員艙采暖仍然采用高壓風暖PTC結構，但相對于第2代熱管理系統，從風暖PTC的結構設計端進行了改進，克服風暖PTC無法實現分區控制的缺點。

特斯拉空調箱系統采用風暖PTC進行乘員艙加熱，PTC采用正溫度因子材料隨長度變化的加熱管。可實現駕駛座與副駕駛座的分區加熱控制，風暖PTC加熱體橫跨駕駛側風道與副駕駛側風道，如圖3所示。

風暖PTC加熱器由多個加熱芯組成，每個加熱芯沿長度方向可分為8個單元，可對每個單元采用的正溫度系數電阻材料用量進行設定，如圖4所示。正溫度系數電阻材料用量不同，在接通電流后，會產生不同的熱量和表面溫度，因而可實現2側氣體流道內的不同吹風溫度。通過選擇性的對1個或多個加熱芯進行IGBT開關控制，最終實現駕駛側和副駕駛側的分區溫度控制。

目前風暖PTC大多無法實現分區控制。特斯拉對熱管理部件層面進行研究，在其他廠家普遍采用水暖PTC實現空調分區控制的情況下，特斯拉仍堅持采用風暖PTC技術路線，從部件的設計入手，在保留風暖PTC升溫響應快的優點基礎上，解決風暖PTC的短板，拓寬風暖PTC的使用場景。

3.3.2 驅動電機新技術

驅動電機采用油冷電機，與電機回路通過熱交換器實現熱量傳遞，同時電機新增低效制熱模式，通過電機控制器新的控制方式，可實現電機發熱模式，通過四通閥控制，實現與電池回路的串聯，采用電機低效制熱模式用于電池回路的加熱，相應的取消電池回路的高壓PTC，減少成本。采用電機低效制熱模式對電池回路進行加熱的運行如圖5所示。

在極端冷啟動工況下，電池有快速加熱需求，在電機與電池回路串聯的情況下，電機正常余熱無法滿足電池升溫速率需求，則驅動電機進入低效制熱模式。通過電機控制器調節電機定子線圈旋轉磁場與轉子永磁體的相位角，實現不同的電機效率。驅動電機進入電機低效制熱模式，對電機定子線圈進行驅動生成熱量，同時保證電機轉子旋轉或靜止。

結合特別設計的電機潤滑油流道，實現電機低效制熱模式下的驅動電機熱量轉移，通過熱交換器，把電機低效制熱模式下生成的熱量轉移到電池回路，用于電池系統加熱。電機低效制熱模式可實現遠大于電機普通驅動模式下的生熱，因而可取消電池回路的高壓PTC，節省系統成本。電機低效制熱模式下的潤滑油和熱流量流動如圖6所示。

3.3.3 集成式儲液罐技術

傳統熱管理系統包含大量的熱管理部件和管路，同時采用眾多的軟管和接頭進行連接，增加了整個熱管理系統運行過程中的失效風險點。另外，由于各部件安裝位置不同，在整車裝配過程中需要消耗大量的時間和人工成本。

特斯拉采用集成式儲液罐設計，實現膨脹水箱與熱管理系統的加熱與冷卻部件高度集成，如圖 7 所示。該集成模塊可以包含四通閥、電機水泵、電池水泵、Chiller熱交換器、散熱器和執行器等部件，通過結構改進，減少不必要的熱管理系統管路和接頭連接數量，簡化熱管理系統在整車上的裝配工作量，節省整車裝配時間和后期維護成本。

3.4 特斯拉第4代熱管理系統

特斯拉第4代熱管理系統應用于特斯拉最新車型Tesla Model Y，其熱管理系統拓撲結構如圖 8 所示。包含空調系統回路、電機系統回路和電池系統回路。

相對于特斯拉以往熱管理系統，在Tesla Model Y車型上，特斯拉首次引入熱泵空調系統。該空調系統主要是負責乘員艙的采暖和制冷功能。在結構上，該空調系統沒有單獨設置外置冷凝器，通過熱交換器和管路連接，與電池回路和電機回路進行耦合，實現整個熱管理系統的熱量交互。

在使用驅動電機運行低效制熱模式為電池系統加熱的基礎上，新增空調系統壓縮機和鼓風機電機的低效制熱模式。在極端低溫啟動情況下，控制空調壓縮機和鼓風機的電機進入低效制熱模式，作為電加熱器使用，空調壓縮機的電機可生成8 kW左右的熱量，而鼓風機電機可產生400 W的熱量，在取消乘員艙高壓PTC，替換為2個低壓PTC的情況下，能夠保證熱泵系統在-30 ℃環境下可靠穩定運行。同時改善熱泵工作噪聲，實現良好的NVH性能。

由于該熱泵系統與電池回路通過熱交換器實現耦合，而動力電池又具有質量大熱容高的特點，動力電池也作為該熱泵系統的1個熱量存儲裝置，根據整車實際運行工況，判定是否為動力電池加熱或從動力電池吸熱。

Tesla Model Y 熱泵空調系統采用了功能強大的整車熱管理預調節工作模式，可通過 Tesla MobileApp、車載循環日程App和自適應推斷程序進行控制，后面這一種可識別用戶上班時間，同時推斷出典型的駕車出發時間。

在結構上，特斯拉對Tesla Model Y的熱管理系統進一步集成化，采用了集成歧管模塊 [9] 和集成閥門模塊。集成歧管模塊把復雜的熱管理系統管路進行集成，可有效的與集成閥門模塊實現配合安裝，集成閥門模塊為八通閥結構，可看作是2個四通閥的集成。如圖8中虛線框中所示。

3.5 特斯拉熱管理系統技術發展時序

按照時間順序對特斯拉電動汽車熱管理系統技術進行匯總，如圖9所示。

可以看出，隨著上市車型的換代，特斯拉熱管理系統技術也在不斷的更新。伴隨著熱管理系統新技術的應用，在結構集成上，特斯拉也進行了不斷的創新，不僅考慮熱管理系統功能的實現，而且對整車裝配以及后期維護便利性都作了統籌。

特斯拉這種從事物本身需求出發，即第一性原理（First Principle）,開拓思維勇于創新、不斷探索新的問題解決方法，值得我們技術從業者進行學習。

4 結論

（1）特斯拉第1代熱管理系統設計相對簡單，各回路相對獨立，乘員艙空調系統采用間接制冷方式，采用閥門控制可實現電機回路余熱對乘員艙加熱。

（2）特斯拉第2代熱管理系統較第1代熱管理系統實現拓撲結構的升級，各熱管理回路之間實現一定程度的交互，尤其新引入四通閥結構，可實現電池回路和電機回路的串并聯，空調系統采用傳統空調，乘員艙采用蒸發器直接制冷。

（3）特斯拉第3代熱管理系統較第2代熱管理系統在拓撲結構上沒有大的變化，但在熱管理系統部件上引入了大量的新技術應用，在熱管理系統功能上，注重熱管理系統能耗的優化，體現了精細化設計思路。

（4）特斯拉第4代熱管理系統作為特斯拉最新一代熱管理系統，實現了全新升級。首次引入了熱泵空調系統，同時也對熱管理系統拓撲結構進行了較大的改變，可實現較多的熱管理系統功能，控制較為復雜。考慮到整車裝配和后期維護的便利性，對熱管理系統部件進行了高度集成，實現了結構集成化的目的。

審核編輯 ：李倩