文：電馳科研技術總監／羅玉林
Model 3／Y上的熱泵熱管理系統具有兩個大特點，其一為整個系統的集成化程度極高，採用了集成的歧管模組和集成的閥門模組。整個模組的核心是一個八通閥，可以把它看作是兩個四通閥的集成。整個模組採用調節八通閥動作位置的方式，使冷卻液在不同回路中進行熱量交換，確保熱泵的各項功能得以實現。
第二點為取消了高壓PTC，以降低能耗，增加續航里程。同時空調壓縮機和鼓風機也存在用來在環境溫度低於 -10℃ 時作為整個系統熱量補償的來源，這保證了整個熱泵系統在 -30℃ 的環境下也能穩定可靠地運行。
Model 3／Y的熱泵模組包含了電動壓縮機、電池冷激器、液態冷凝器、氣液分離器、電子膨脹閥、電子轉換閥、電子截止閥、冷媒溫度壓力感知器、單向閥、電子水泵、八通閥、空調管路、冷卻液管路以及十數個冷媒、冷卻液的控制介面。通過控制八通閥各個介面間的通斷，Model 3／Y整車熱泵能實現十數個不同類型的工況模式。結構如圖1－4所示。
Model 3／Y熱泵系統集成應用的策略與環境溫度和電池溫度有著直接的關係，系統會根據環境與電池包的即時溫度，來規劃熱泵系統參與加熱及冷卻的程度，以啟動不同級別的加熱模式。在滿足車艙內舒適性需求時，熱泵會優先採用較高效能的模式運行，減少能源的消耗，提高續航里程。
總結起來，Model 3／Y的熱管理系統共有5種模式：單獨車艙內制熱、車艙及電池都需要制熱、車艙需要制熱而電池需要冷卻、車艙及電池都需要冷卻、車艙內餘熱回收。
1.單獨車艙制熱模式
Model 3／Y的熱泵將環境溫度以 -10℃為界，在環境溫度低於 -10℃時，熱泵系統的制熱能力受到很大的制約。在這種情況下，電池包本身的溫度決定了熱泵系統的運行模式。
若電池此時溫度高於10℃，熱泵系統能通過電池冷卻器從電池、馬達耦合回路中吸收熱量來給車艙加熱。冷媒經過壓縮機後，依次經過制熱轉換閥→車艙冷凝器→電池冷激器膨脹閥→氣液分離器，最終回到壓縮機，完成一個對車艙的制熱循環。冷卻液經過電池冷激器與冷媒進行熱交換後，依次經過八通閥水口→電池包→八通閥水口→馬達循環水泵→馬達逆變器→PCS→八通閥水口→液態冷凝器→膨脹水壺→八通閥水口→電池循環水泵，再流入電池冷激器，如圖5所示。在這個過程中，車艙同時接收到壓縮機消耗的電功率和電池回路的熱量，系統整體的效能很高。
若電池溫度較低，無法給車艙提供熱量，則車艙的制熱主要依靠壓縮機做功。在這種極端條件下，熱泵系統無法通過外部散熱器或是電池冷卻器實現冷媒與冷卻液的熱量交換，電池冷激器膨脹閥與製冷轉換閥均處於關閉狀態。冷媒經壓縮機做功後，經由制熱轉換閥→車艙冷凝器→蒸發器膨脹閥→車艙蒸發器→氣液分離器後，直接回到壓縮機。冷卻液循環則與上述電池不提供熱量時一致，但在電池冷卻器處並不進行熱量交換。
若環境溫度高於- 10℃，則熱泵系統優先從外部環境中吸收熱量。系統中蒸發器膨脹閥關閉，冷媒通過電池冷激器吸收環境中的熱量。通過改變對八通閥的控制，如圖6－8所示。讓冷卻液依次經過八通閥水口→液態冷凝器→膨脹水壺→室外散熱器→八通閥水口→電池循環水泵，再回到電池冷激器形成閉環。
上述三種情況，在環境溫度較低時，熱泵都會遮罩室外散熱器，不讓其介入系統，是為了避免熱量進一步釋放到空氣中，大大提高了系統內部熱量的利用率；而在環境溫度較高時，系統主動介入外部散熱器水箱，從外部環境吸收熱量給車輛加熱，可以充分提高系統的能效，實現能量的智慧化與精細化控制。
2.車艙及電池同時加熱模式
通常情況下，電池包的溫度都會高於環境溫度。當電池也需要加熱時，通常已經是非常極端的情況，環境溫度低於- 10℃，此時的熱泵系統無法從外部環境獲得熱量。除了要保證車艙的舒適性外，還需要分出部分熱量供給電池包，此時的熱泵系統仍然完全依靠壓縮機做功。
冷媒經過壓縮機後，在制熱與製冷轉換閥處按比例（優先保障車艙制熱需求）分成兩路，一部分經過車艙冷凝器，另一部分經過液態冷凝器，在蒸發器膨脹閥處匯合，再經由車艙蒸發器→氣液分離器，返回壓縮機。冷卻液仍然在電池冷卻器處與冷媒進行熱交換，被冷媒加熱後的冷卻液會將熱量傳遞到電池包處。
在一些特殊情況下，為了使電池快速升溫（大電流充電，電池溫度必須高於0℃），則要考慮犧牲車艙舒適性。此時熱泵會控制制熱轉換閥與蒸發器膨脹閥關閉，打開電池冷激器膨脹閥，保持冷卻液循環不變，開啟快速加熱電池包模式，這樣能使電池包快速達到可以充電或大功率放電的狀態。
3.車艙需要制熱而電池需要冷卻模式
這一模式通常出現在環境溫度較低，車輛需要進行大功率充電時。車輛快充時間較短，乘員有很大可能性在車上等待充電，這個過程中車艙的制熱功能需要得到一定的保證。這時的冷媒與上述任何情況的流向都有差別，經過壓縮機做功之後的冷媒會分為兩路，一部分經過車艙冷凝器，另一部分經過液態冷凝器，後共同在電池冷激器膨脹閥→電池冷激器處蒸發吸熱，再經由氣液分離器回到壓縮機。
而冷卻液循環也被八通閥分隔成了兩部分，經過電池冷激器的部分被冷媒冷卻後，依次經過八通閥水口→電池包→八通閥水口→電池循環水泵，再流入電池冷激器形成閉環。經過液態冷凝器的部分與室外散熱器串聯，將多餘的熱量帶到室外環境中。
特斯拉的這個設計，一方面車艙制熱量過剩時，其中一部分可以被液態冷凝器帶到室外環境，這部分熱量在水路循環中不會影響到電池包；另一方面，在車艙制熱量不足時，製冷轉換閥被關閉，冷媒的所有熱量都會集中到車艙冷凝器，用來加熱車艙。再者，若電池散熱能力不足，還能通過八通閥讓電池水循環先經過室外換熱器，進一步降低循環水溫。
4.車艙及電池都需要冷卻模式
這一情況即夏季正常的用車情況。此時的熱泵系統即作為普通的空調系統使用，液態冷凝器替代了傳統的冷排冷凝器進行工作，使空調系統正常運行。
5.餘熱回收模式
這一模式較為特殊，但這一模式的存在也正是熱泵空調的優勢以及控制智慧化的體現。餘熱回收，顧名思義即將整車冗餘部分的熱量存儲起來，以便下一次用車時釋放。電池包因為其對溫度的敏感性，表面一般都會有較好的保溫層，以維持電池的溫度恒定在一定範圍內，這一特性使得它很適合作為車輛餘熱回收的載體。冬季氣溫較低，當車輛停車、人員離開後，車艙或者馬達內部還會有一定的熱量，可通過熱泵將其存儲到電池包內。
這一工況下，車艙內部即為普通的製冷循環，冷媒和冷卻液在液態冷凝器中進行熱交換。冷卻液的循環在八通閥的控制下，是遮罩室外散熱器的，避免熱量通過室外散熱器耗散到外部環境中。在下一次用車時，電池包的溫度還能保持較高，熱泵系統就能利用這部分熱量給車艙進行加熱。
總體而言， Model 3／Y的熱管理硬體系統如此先進，都歸功於其中核心的八通閥和複雜的軟體控制，以實現以上五大場景、多達十幾種功能的應用，對駕駛而言，只需要簡單地設置空調溫度，它的控制策略會自動完成各類需求。
