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摘 要：對特斯拉Model Y 熱泵空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理進行了闡述。依據(jù)不同的環(huán)境溫度和車輛工況，對Model Y 熱泵空調(diào)系統(tǒng)的12 種制熱控制策略和3 種制冷控制策略進行了分析，介紹了不同策略下，八通閥的工作位置，車內(nèi)蒸發(fā)器、車內(nèi)冷凝器、換熱器1、換熱器2 和車外散熱器的工作狀態(tài)，制冷劑在系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)線路以及熱量轉(zhuǎn)移的過程。通過對特斯拉Model Y 熱泵空調(diào)系統(tǒng)控制策略的分析，為熱泵空調(diào)系統(tǒng)在電動汽車上的應(yīng)用及熱泵系統(tǒng)的開發(fā)提供參考。 0 引言 現(xiàn)代汽車空調(diào)系統(tǒng)有制冷和制熱功能，傳統(tǒng)汽車空調(diào)利用發(fā)動機冷卻液的熱量實現(xiàn)制熱，而純電動汽車空調(diào)常采用PTC（positive temperature coefficient）加熱器制熱。研究顯示，冬季低溫下PTC 耗電約為總耗電量的20%[1]。這將大幅降低電動汽車在冬季的續(xù)駛里程。為實現(xiàn)電動汽車冬季續(xù)駛里程與舒適性的平衡，特斯拉在Model Y 上首次引入熱泵空調(diào)系統(tǒng)[2]，將空調(diào)冷媒系統(tǒng)與動力電池、電驅(qū)冷卻系統(tǒng)通過換熱器進行熱交換，采用精準而智能化的熱量管理策略，充分回收并利用電池、電機、車外環(huán)境和車廂內(nèi)的熱量，分別為座艙和動力電池供熱，在滿足舒適性的基礎(chǔ)上，有效地提升了冬季低溫下的行駛里程。本文將對特斯拉Model Y 上搭載的熱泵空調(diào)系統(tǒng)控制策略進行分析，為電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的開發(fā)提供參考。 1 特斯拉Model Y 熱泵空調(diào)系統(tǒng)概述 1.1 特斯拉Model Y 熱泵空調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)成 特斯拉Model Y 上搭載的熱泵空調(diào)系統(tǒng)的總體組成主要包括車輛熱泵系統(tǒng)、動力電池冷卻回路、驅(qū)動系統(tǒng)冷卻回路、冷卻液閥系統(tǒng)（八通閥）、控制單元等，如圖1所示。其中，車輛熱泵系統(tǒng)與動力電池冷卻回路之間存在熱交換；動力電池冷卻回路通過冷卻液閥系統(tǒng)與驅(qū)動系統(tǒng)冷卻回路連接，實現(xiàn)熱量交換；控制單元則通過控制各系統(tǒng)部件使制冷劑、冷卻液、空氣沿著不同的路徑循環(huán)流動，從而實現(xiàn)制冷或制熱的功能。圖1 所示空調(diào)系統(tǒng)中，車輛熱泵系統(tǒng)在傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了車內(nèi)冷凝器、電池系統(tǒng)冷卻液換熱器、驅(qū)動系統(tǒng)液冷冷凝器、壓縮機出口三通閥、低壓車內(nèi)加熱器。動力電池冷卻回路用來加熱或冷卻動力電池包；驅(qū)動系統(tǒng)冷卻回路用來冷卻電機和驅(qū)動系統(tǒng)逆變器[3]。  圖1 特斯拉Model Y 熱泵空調(diào)系統(tǒng)組成示意
1.2 熱泵空調(diào)的工作原理
熱泵空調(diào)制冷原理與傳統(tǒng)汽車空調(diào)一致，來自蒸發(fā)器的低溫低壓氣態(tài)制冷劑被壓縮機壓縮成高溫高壓氣態(tài)制冷劑后進入車外冷凝器，并在冷凝器中放熱后冷凝成中溫高壓液態(tài)制冷劑；制冷劑放出的熱量由流經(jīng)冷凝器的車外空氣帶走，而從冷凝器流出的液態(tài)制冷劑將經(jīng)過儲液干燥器干燥過濾后再流入膨脹閥，隨后經(jīng)膨脹閥減壓膨脹后變成低溫低壓的液態(tài)制冷劑，隨后再流入車內(nèi)蒸發(fā)器，并在蒸發(fā)器內(nèi)吸熱蒸發(fā)成低溫低壓的氣態(tài)制冷劑。制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)的蒸發(fā)溫度低于室外環(huán)境溫度，因此制冷劑將吸收被送往車廂內(nèi)的空氣中的熱量，使進入車廂內(nèi)的空氣成為溫度較低的氣體，從而產(chǎn)生制冷效果。流出蒸發(fā)器的制冷劑最后再流回到壓縮機，如此循環(huán)形成制冷循環(huán)，如圖2 所示[4]。熱泵空調(diào)制熱的基本原理是“逆卡諾循環(huán)”，是常規(guī)空調(diào)制冷循環(huán)的逆過程，如圖3 所示。壓縮機將低溫低壓氣態(tài)制冷劑壓縮成高溫高壓氣態(tài)制冷劑后，將其輸入車內(nèi)冷凝器；制冷劑在車內(nèi)冷凝器中放熱，釋放出的熱量用來加熱被送入車廂的低溫空氣，使其成為溫度適中的暖風，從而產(chǎn)生制熱效果。制冷劑經(jīng)過車內(nèi)冷凝器后冷凝成中溫高壓的液態(tài)制冷劑，再經(jīng)膨脹閥膨脹減壓后變成低溫低壓液態(tài)制冷劑，隨后流入車外蒸發(fā)器。在冬季，環(huán)境溫度雖然較低[以制冷劑四氟乙烷（R134a）為例，環(huán)境溫度不低于-10 ℃]，但車外蒸發(fā)器中制冷劑的蒸發(fā)溫度仍低于環(huán)境溫度，因此制冷劑將吸收流經(jīng)車外蒸發(fā)器的空氣中的熱量，蒸發(fā)成低溫低壓的氣體，最后再流回到壓縮機，形成制熱循環(huán)[5]。 圖2 熱泵空調(diào)制冷原理
 圖3 熱泵空調(diào)制熱原理
2 特斯拉Model Y 熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱控制策略研究
特斯拉Model Y 熱泵空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)外界環(huán)境溫度、車輛本身加熱需求，共有12 種制熱控制策略，每種控制策略對應(yīng)的各部件的工作狀態(tài)見表1。表1 熱泵空調(diào)制熱控制策略總覽 
2.1 制熱控制策略1
Model Y 熱泵空調(diào)系統(tǒng)采用的是R134a 制冷劑，當工作環(huán)境溫度不低于-10 ℃時，R134a 仍可以吸收外界大氣環(huán)境中的熱量。當外界環(huán)境溫度＞-10 ℃，車輛剛啟動，動力電池不需要熱泵系統(tǒng)加熱，但車廂需要加熱，熱泵系統(tǒng)則采用控制策略1，換熱器1、車內(nèi)冷凝器、車外散熱器工作，八通閥工作在位置1，構(gòu)成兩條互相獨立的冷卻液回路。如圖4 所示，八通閥直接將換熱器1、換熱器2 和車外散熱器串聯(lián)；動力電池冷卻系統(tǒng)與功率變換器、驅(qū)動單元冷卻系統(tǒng)（包含逆變器、機油換熱器和驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)成的冷卻系統(tǒng)）串聯(lián)。
圖4 八通閥工作位置1 在控制策略1 下，冷卻液流經(jīng)車外散熱器，吸收外界大氣中的熱量，再通過八通閥和冷卻液泵進入換熱器1、換熱器2（冷卻液與制冷劑不在換熱器2 中進行熱交換），最后再回到冷凝器，如圖5 中線路①所示。制冷劑循環(huán)回路通過換熱器1 與冷卻液回路進行熱交換，此時的換熱器1 相當于蒸發(fā)器。在換熱器1 中，制冷劑吸收冷卻液中的熱量而蒸發(fā)，使冷卻液溫度低于環(huán)境溫度。汽化后的制冷劑經(jīng)過積累器進入壓縮機，被壓縮成高溫高壓的氣態(tài)制冷劑，隨后進入車內(nèi)冷凝器。制冷劑在冷凝器中冷凝放熱為車廂提供熱量，最后通過膨脹閥再流入換熱器1，熱泵系統(tǒng)工作原理如圖5 中回路②和③所示。在該控制策略下，車廂內(nèi)的熱量來自壓縮機壓縮做功消耗的電能和環(huán)境空氣中的熱量，制熱效能比（COP）遠大于1，即熱泵處于高效工作區(qū)，產(chǎn)生的熱能遠高于電能消耗。  圖5 制熱控制策略1 工作原理
2.2 制熱控制策略2
當外界環(huán)境溫度＜-10 ℃時，電池冷卻液系統(tǒng)和電機冷卻系統(tǒng)還有富余的熱量，車廂需要加熱，熱泵空調(diào)系統(tǒng)采用控制策略2，從動力電池冷卻回路和驅(qū)動系統(tǒng)冷卻回路吸熱。在控制策略2 中，換熱器1 和車內(nèi)冷凝器工作，八通閥工作在位置2，動力電池冷卻回路與驅(qū)動系統(tǒng)冷卻回路串聯(lián)，如圖6 所示。熱泵系統(tǒng)工作在控制策略2 時，制冷劑循環(huán)回路與控制策略1 一致，制冷劑通過換熱器1從動力電池和驅(qū)動系統(tǒng)冷卻回路吸熱，再通過車內(nèi)冷凝器向車廂內(nèi)放熱；冷卻液在換熱器1 中放熱后溫度降低，在冷卻液泵的作用下流入動力電池系統(tǒng)帶走動力電池工作時釋放出的熱量，隨后經(jīng)八通閥流入功率變換器、逆變器、機油換熱器、換熱器2、車外散熱器旁路（由三通閥控制）、八通閥，再回到換熱器1，如圖7 線路①所示。該控制策略下，COP 遠大于1。
圖6 八通閥工作位置2 圖7 制熱控制策略2 工作原理
2.3 制熱控制策略3
當外界環(huán)境溫度和車廂內(nèi)溫度均低于-10 ℃時，車輛靜置一晚上后剛啟動，動力電池冷卻液溫度較低，不足以提供車廂加熱所需的全部熱量，熱泵空調(diào)系統(tǒng)采用控制策略3，即混合加熱模式。該模式是在2.2 節(jié)所述控制策略的基礎(chǔ)上增加了低壓車廂加熱器（PTC）加熱，使熱泵系統(tǒng)從動力電池冷卻回路吸收一部分熱量，部分吸收低壓車廂加熱器的熱量，旁通閥位置及控制策略工作原理可參考圖6 和圖7。與控制策略2 相比，控制策略3 由于低壓PTC 的介入，可為車廂提供更多熱量，也便于電池快速升溫。該控制策略下，換熱器1 的COP 遠大于1，車廂低壓加熱器的COP 是1。為了滿足駕駛員和乘客的不同制熱溫度需求，在熱泵系統(tǒng)中設(shè)有兩個低壓PTC，一個是在駕駛員側(cè)，另一個則是在副駕駛側(cè)。這兩個低壓PTC 可以根據(jù)需求獨立工作，提供不同的熱量，實現(xiàn)空調(diào)的分區(qū)控制。
當?shù)蛪篜TC 和冷卻液共同提供的熱量仍無法滿足車廂制熱需求時，控制策略3 將啟動第二種工作模式，即車內(nèi)蒸發(fā)器和車廂內(nèi)空氣再循環(huán)管道開始工作。如圖8所示，來自車內(nèi)、外空氣和流經(jīng)冷凝器的空氣經(jīng)車內(nèi)蒸發(fā)器再次冷卻，此額外的制冷負載將增加壓縮機負荷，提高壓縮機功率消耗，最終通過冷凝器釋放更多熱量，加熱進入車廂內(nèi)的空氣。此模式下，壓縮機的COP 是1。系統(tǒng)中，車廂內(nèi)空氣再循環(huán)管道控制執(zhí)行器被用作計量設(shè)備，可以根據(jù)不同的熱量需求調(diào)節(jié)再循環(huán)空氣量，使壓縮機保持在接近滿負荷的工作狀態(tài)。 圖8 制熱控制策略3 模式二工作原理
2.4 制熱控制策略4
當外界環(huán)境和車廂溫度極低時，如低于-10 ℃，驅(qū)動系統(tǒng)和動力電池系統(tǒng)溫度均很低，即便車輛開始運行，驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量也被低溫環(huán)境耗散，動力電池需要額外的熱量進行加熱，此時熱泵空調(diào)采用控制策略4。如圖9 所示，換熱器1 不再工作，壓縮機和低壓PTC 作為僅有的熱源對車廂內(nèi)空氣進行加熱，制冷劑回路與冷卻液回路各自獨立工作，不再有熱交換，熱泵系統(tǒng)的COP是1。
圖9 制熱控制策略4 工作原理 在控制策略4 中，壓縮機和空調(diào)鼓風機工作處于低效率模式（low efficiency mode）下。此時，壓縮機和鼓風機會消耗更多電能，并將這些電能轉(zhuǎn)化成熱能，通過自身耗電發(fā)熱為熱泵系統(tǒng)制熱提供更多熱量。與此同時，經(jīng)車內(nèi)冷凝器加熱后的暖風由車廂內(nèi)空氣再循環(huán)管道引至車內(nèi)鼓風機進氣端，即空氣在蒸發(fā)箱中進行內(nèi)循環(huán)，如圖9 中線①所示，其原理與控制策略3 模式二相同。此外，鼓風機在低效率模式下會產(chǎn)生熱量，循環(huán)流過鼓風機的空氣能吸收這部分熱量。當這部分內(nèi)循環(huán)空氣被加熱到一定程度后，風門打開將熱空氣送入車廂，同時車廂內(nèi)冷空氣進入循環(huán)管道進行加熱。其中，循環(huán)空氣量的多少是由循環(huán)管道內(nèi)的風門控制，循環(huán)量過大會使車廂內(nèi)沒有暖風輸入或者輸入量極少，造成車廂內(nèi)舒適性下降，車內(nèi)車窗起霧；循環(huán)量太少會使車內(nèi)升溫慢。采用這種空氣循環(huán)的方式將有效減少快速制熱時制冷劑循環(huán)中的熱負荷。 2.5 制熱控制策略5 控制策略5 與控制策略4 相似，當熱泵系統(tǒng)所提供的熱量已經(jīng)滿足車廂內(nèi)的制熱需求，同時還有富余的熱量時，壓縮機下方的三通閥全開，換熱器2 開始工作，如圖10 所示。換熱器2 將熱泵系統(tǒng)熱量傳遞給冷卻液回路，為動力電池系統(tǒng)加熱。這將有助于動力電池盡快升溫，達到理想工作溫度，提高動力電池充放電性能。  圖10 制熱控制策略5 工作原理
2.6 制熱控制策略6
在與控制策略4 和控制策略5 中相似的環(huán)境溫度和車輛狀態(tài)下，為了滿足車輛速度需求或者在低溫下的充電需求（充電優(yōu)先級高于車內(nèi)舒適性），熱泵系統(tǒng)需要給動力電池加熱，使其快速升溫，因此熱泵系統(tǒng)采用控制策略6，僅為動力電池冷卻液回路加熱，不再為車廂提供制熱，換熱器1、換熱器2 和壓縮機工作，工作原理如圖11 所示。系統(tǒng)工作時，被壓縮機壓縮后的高溫高壓氣態(tài)制冷劑經(jīng)三通閥流入換熱器2，高溫制冷劑在換熱器2中將熱量傳遞給動力電池冷卻液回路（此時的換熱器2相當于冷凝器），然后經(jīng)三通閥流入膨脹閥，經(jīng)膨脹閥膨脹后再進入換熱器1，最后經(jīng)積累器流回壓縮機。系統(tǒng)中，換熱器1 和換熱器2 有熱連接，換熱器1 給冷卻液回路降溫，換熱器2 給冷卻液回路加熱，其原理與效果同控制策略4 類似，通過換熱器1 和換熱器2 產(chǎn)生的冷卻與加熱相互抵消，壓縮機工作時的功率消耗則是動力電池系統(tǒng)加熱的熱量來源。圖11 制熱控制策略6 工作原理 2.7 制熱控制策略7 和控制策略8
為了充分利用整車熱量，盡可能地讓動力電池處在合適溫度范圍內(nèi)，熱泵空調(diào)系統(tǒng)采用了兩種不同的控制策略（控制策略7和控制策略8）來回收環(huán)境或車廂內(nèi)的熱量，并利用動力電池冷卻系統(tǒng)的隔熱保溫作用，將這些回收來的熱量存儲在動力電池冷卻液中。控制策略7 適用于車輛駕駛前或者駕駛后，通過車內(nèi)蒸發(fā)器吸收環(huán)境空氣中的熱量，提前預(yù)熱動力電池，同時將吸收的熱量存儲在冷卻液中，其工作原理如圖12 所示，換熱器2 和車內(nèi)蒸發(fā)器工作，換熱器1 和車內(nèi)冷凝器不再工作。車外空氣通過空調(diào)系統(tǒng)管道流經(jīng)車內(nèi)蒸發(fā)器，再由鼓風機送至車廂內(nèi)。這使車廂內(nèi)溫度略低于環(huán)境溫度，因此，車輛再次使用前，需要一定的時間將新鮮室外空氣引入車廂，并排出原有冷氣，使車廂內(nèi)溫度達到正常狀態(tài)。當車輛使用時或者即將使用時，熱泵空調(diào)系統(tǒng)將根據(jù)車內(nèi)車外溫度選用前文所述制熱控制策略1～3 中的相應(yīng)策略，釋放動力電池冷卻液回路中存儲的熱量，對車廂進行加熱。
圖12 制熱控制策略7 和控制策略8 工作原理
控制策略8 與控制策略7 工作原理基本一致，不同點僅在于回收熱量的來源不同。控制策略8 是直接回收車廂內(nèi)空氣的熱量，通過車廂空氣內(nèi)循環(huán)管道實現(xiàn)。該控制策略適用于車輛剛停下、再次使用間隔時間不小于1 h、車廂內(nèi)空氣尚有余熱這種情形。通過控制策略8 回收的熱量是有限的，回收量的多少取決于車輛行駛結(jié)束時車廂內(nèi)的總熱量。控制策略7 對熱量的回收是無限的，只要環(huán)境溫度高于-10 ℃，就一直可以從環(huán)境空氣中回收熱量。
2.8 制熱控制策略9
當環(huán)境溫度適中，車輛未啟動，但車廂內(nèi)較冷時，熱泵空調(diào)系統(tǒng)可以通過車外散熱器直接吸收環(huán)境空氣中的熱量對車廂進行預(yù)熱，此時系統(tǒng)采用的是控制策略9，工作原理如圖13 所示。系統(tǒng)工作時，首先由車外散熱器中的冷卻液吸收環(huán)境空氣中的熱量。冷卻液在冷卻液泵的作用下，經(jīng)八通閥流入換熱器1，并在其中將所吸收的熱量釋放給流經(jīng)換熱器1 的制冷劑。此時的換熱器1 相當于制冷劑循環(huán)回路中的蒸發(fā)器。隨后，冷卻液流入動力電池系統(tǒng)，由于冷卻液的熱量在換熱器1 中已釋放，故動力電池的溫度會略低于環(huán)境溫度。此后，冷卻液經(jīng)八通閥流向功率變換器、逆變器、機油換熱器，最后經(jīng)換熱器2 流回車外散熱器進行吸熱，如此循環(huán)。制冷劑回路則是通過壓縮機做功、車內(nèi)冷凝器放熱的方式將換熱器1 吸收的熱量釋放到車廂內(nèi)，給車廂預(yù)熱。圖13 制熱控制策略9 工作原理 2.9 制熱控制策略10
控制策略10 是為車廂除霧而設(shè)計的，通過讓車內(nèi)蒸發(fā)器芯局部結(jié)冰的方式去除車廂內(nèi)的水汽。熱泵系統(tǒng)運行在控制策略10 時，車廂內(nèi)全部空氣通過空調(diào)再循環(huán)管道進行循環(huán)，如圖14 中線①所示，而非傳統(tǒng)的連續(xù)吸入新鮮冷氣或干燥氣體，對其加熱后再輸入車廂。車廂內(nèi)空氣再循環(huán)方式一方面可以有效降低車廂內(nèi)空氣對流熱負荷；另一方面可連續(xù)快速地通過車內(nèi)蒸發(fā)器去除車廂內(nèi)的水汽。此外，鼓風機的循環(huán)吸入壓力需要盡可能低，以此降低車廂內(nèi)水汽的露點溫度，使空氣中的水分盡快凝結(jié)成水珠。在為車窗吹風除霧時，車窗除霧風門工作，將經(jīng)過車內(nèi)蒸發(fā)器冷卻后的冷風直接吹向車窗。同時，為保證車廂內(nèi)的制熱，經(jīng)過車內(nèi)蒸發(fā)器后的部分空氣再經(jīng)過車內(nèi)冷凝器加熱，輸出暖風。這部分熱量由動力電池和壓縮機提供。控制策略10 中，冷卻液回路和制冷劑回路均與控制策略3 相同，循環(huán)回路可參考2.3 節(jié)。
圖14 制熱控制策略10 工作原理 2.10 制熱控制策略11
控制策略11 是為車內(nèi)蒸發(fā)器和車窗除霜而設(shè)計的。當車窗結(jié)霜或者車內(nèi)蒸發(fā)器上結(jié)的霜已經(jīng)影響氣流流通、妨礙熱傳遞或者除濕功能時，控制策略11 將被啟用。該控制策略工作原理基本同控制策略2，參考圖7，區(qū)別在于為了盡快將車內(nèi)蒸發(fā)器上的霜融化，經(jīng)車內(nèi)冷凝器加熱后的熱空氣全部由內(nèi)循環(huán)管道引回至車內(nèi)蒸發(fā)。為了產(chǎn)生盡可能多的熱量，提高循環(huán)空氣溫度，壓縮機和鼓風機均工作在低效率模式下，通過大量熱風將霜吹化。為車窗除霜時，原理基本同上，只是經(jīng)由相應(yīng)的風道將熱風吹向車窗。
2.11 制熱控制策略12
控制策略12 實際上是除濕功能，常規(guī)空調(diào)除濕是對進入車廂的空氣先冷卻，而達到除濕效果所需的冷卻溫度較低，為此空調(diào)系統(tǒng)需額外對除濕后的空氣進行加熱，這就增加了能耗。熱泵空調(diào)系統(tǒng)則利用車內(nèi)冷凝器在車內(nèi)蒸發(fā)器后面的特點，使被蒸發(fā)器降溫除濕后的空氣直接經(jīng)車內(nèi)冷凝器加熱。因制冷循環(huán)本身就要通過冷凝器對外放熱，被降溫后的空氣就可“免費”加熱升溫了，所以采用熱泵系統(tǒng)進行除濕所需的能耗最少。
要實現(xiàn)控制策略12，八通閥需工作在位置3，如圖15 所示，八通閥將換熱器1 和動力電池冷卻回路串聯(lián)，將換熱器2、車外散熱器、驅(qū)動單元和驅(qū)動控制系統(tǒng)冷卻回路串聯(lián)，這兩條串聯(lián)回路相互獨立。系統(tǒng)工作時，換熱器1 不工作，動力電池冷卻系統(tǒng)回路與制冷劑回路不進行熱交換，但換熱器2 開始工作，制冷系統(tǒng)回路通過換熱器2 與驅(qū)動控制系統(tǒng)冷卻回路進行換熱。在壓縮機的作用下，制冷劑回路開始工作，壓縮機下方的三通閥全開，制冷劑從壓縮機輸出后分別進入換熱器2 和車內(nèi)冷凝器，再經(jīng)過三通閥、膨脹閥后進入車內(nèi)蒸發(fā)器，最后經(jīng)積累器回到壓縮機。回路中換熱器2 主要將制冷所要放出的大部分熱量傳遞給驅(qū)動控制冷卻回路，再由驅(qū)動冷卻回路中的散熱器將熱量釋放至外界環(huán)境中；車內(nèi)冷凝器則通過流經(jīng)的空氣放熱。換熱器2 和車內(nèi)冷凝器各自釋放熱量的多少取決于流經(jīng)的制冷劑的量，這個量的調(diào)節(jié)則是通過控制壓縮機下方的三通閥實現(xiàn)的。控制策略12 工作原理如圖16 所示。
圖15 八通閥工作位置3圖16 制熱控制策略12 工作原理 3 特斯拉Model Y 熱泵空調(diào)系統(tǒng)制冷控制策略研究
特斯拉Model Y 共有3 種制冷控制策略，分別應(yīng)用在3 種不同的高溫情況下，即超級充電時、峰值功率輸出時和全車制冷時，3 種制冷控制策略下，各部件的工作狀態(tài)見表2。
表2 熱泵空調(diào)制冷控制策略總覽
3.1 制冷控制策略1
控制策略1 是車輛在超級充電時為動力電池提供額外的散熱，以提升車輛超級充電時的峰值功率。在正常室溫條件下，超級充電產(chǎn)生的電池熱量由換熱器1 傳遞給制冷劑回路；在制冷劑回路中，換熱器2 將制冷劑中的熱量傳遞給動力系統(tǒng)冷卻回路，最終通過車外散熱器將熱量釋放到空氣中。其中，動力電池冷卻液回路與驅(qū)動系統(tǒng)冷卻回路相互獨立，八通閥工作在位置3，與制熱控制策略12 相同，如圖15 所示。
一旦環(huán)境溫度過高，僅靠車外散熱器已無法將超級充電產(chǎn)生的熱量完全釋放出去。此時，車內(nèi)冷凝器需要參與工作，車內(nèi)鼓風機以最大功率將外界新鮮空氣吸入空調(diào)管道，這些新鮮空氣流過車內(nèi)冷凝器并將熱量帶走，因此車內(nèi)冷凝器為系統(tǒng)散熱提供了額外的散熱功率，減小了車外散熱器的散熱負荷，工作原理如圖17 所示。但車內(nèi)冷凝器散熱會使車廂內(nèi)全是熱空氣，溫度明顯升高，因此，只有當車廂內(nèi)沒有乘員或者超級充電峰值充電功率是第一優(yōu)先級時，才會采用這種控制策略。當超級充電峰值功率過后，車內(nèi)冷凝器不再工作，空調(diào)鼓風機將外界新鮮空氣送入車廂，給車廂降溫，使其恢復到室溫。
圖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 與控制策略1 的原理相似，主要為車輛峰值功率輸出提供額外散熱，如最高車速行駛、爬坡等工況，工作原理如圖17 所示。但在控制策略2 中，八通閥會使動力電池冷卻液回路和驅(qū)動系統(tǒng)冷卻回路工作在串、并聯(lián)混合狀態(tài)，具體的工作方式取決于零部件的極限溫度狀況。如果在峰值功率輸出時，動力電池溫度已達到上極限，則八通閥工作在位置3，使兩回路并聯(lián)工作，其工作原理同控制策略1。
3.3 制冷控制策略3
當夏天車輛被曝曬后，車廂內(nèi)溫度極高，傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)會以最大功率給車廂降溫，車外散熱風扇工作在最高轉(zhuǎn)速，風扇、鼓風機和壓縮機的工作噪聲很大，車廂降溫速度較慢，乘坐舒適性下降。熱泵空調(diào)系統(tǒng)則利用動力電池冷卻液熱容量大、溫度低于環(huán)境溫度的特點，采用控制策略3，使八通閥工作在位置2，驅(qū)動冷卻回路與動力電池冷卻回路串聯(lián)工作，如圖18 所示。系統(tǒng)中，換熱器1 不工作，換熱器2 相當于制冷回路中的冷凝器，將制冷劑回路的熱量傳遞給冷卻液回路，動力電池冷卻液將吸收部分制冷劑熱量，從而有效減小車外散熱器和壓縮機的工作負荷，大幅降低散熱風扇轉(zhuǎn)速和工作噪聲，提高制冷回路制冷效率，提升車廂降溫速率。
圖18 制冷控制策略3 工作原理 4 結(jié)論
本文介紹了特斯拉Model Y 熱泵空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及熱泵系統(tǒng)制冷與制熱的原理，并分析了熱泵空調(diào)系統(tǒng)中12 種制熱控制策略和3 種制冷控制策略，分別就各控制策略的作用、主要部件的工作情況及系統(tǒng)的工作原理做了詳細描述。
當環(huán)境溫度高于-10 ℃時，熱泵系統(tǒng)吸收環(huán)境熱量給車廂加熱；當環(huán)境溫度低于-10 ℃時，熱泵系統(tǒng)吸收冷卻回路中的熱量給車廂加熱，當冷卻回路熱量不足以滿足制熱需求時，低壓PTC 開始工作，提供額外熱量；當環(huán)境溫度低于-10 ℃且冷卻回路沒有熱量提供時，僅壓縮機提供熱量為車廂加熱。當車廂和動力電池都需要加熱時，壓縮機和車內(nèi)鼓風機均工作在低效率模式，將更多的電能轉(zhuǎn)換成熱能，為車廂和動力電池加熱。當?shù)蜏叵聞恿﹄姵匦枰潆姇r，壓縮機和車內(nèi)鼓風機為動力電池加熱。當環(huán)境溫度較高時，熱泵系統(tǒng)利用動力電池冷卻液隔熱保溫的特點，將環(huán)境熱量回收至動力電池冷卻液中，一方面可以預(yù)熱動力電池，另一方面可為低溫制熱提供熱源；當環(huán)境溫度較低且環(huán)境熱量不可被回收時，熱泵系統(tǒng)回收車廂內(nèi)的余熱，將其存儲至動力電池冷卻液中。
此外，熱泵系統(tǒng)利用車內(nèi)冷凝器和車內(nèi)蒸發(fā)器串聯(lián)的特點，實現(xiàn)除霧、除霜和除濕的功能。當需要超級充電、大功率輸出時，車內(nèi)蒸發(fā)器提供額外的散熱功率，為動力電池降溫；當車廂需要大功率降溫時，動力電池冷卻回路提供額外散熱功率，提高制冷系統(tǒng)散熱效率。
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