特斯拉电机堵转加热技术
玫瑰柒
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2020.04.03
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特斯拉Model 3开始利用热管理来回收驱动电机产生的热能,更甚至在驱动电机不旋转时,使用所谓电机堵转技术产生热能,当作热源使用。当然这个过程是根据车辆不同工作模式,控制驱动电机是否输出电磁转矩。在不产生电磁转矩时,驱动电机就相当于一个加热绕组。而在特斯拉在Model Y的设计中,则取消了高压的PTC(水热的在Model3上已取消),只配置了一个低压的PTC集成在空调系统鼓风机里面。而车辆热泵系统包括压缩机,机舱冷凝器,机舱蒸发器,机舱鼓风机和冷却器,并且把电池系统、功率电子PCS+驱动系统和整车的系统回路整合在一起。下面我们来看一下这些设计是如何来实现的。

1、Superbottle的结构

通过对整个热管理系统进行重新设计,特斯拉制造了一个热管理系统的「大脑」来统筹整个热管理系统的运转。特斯拉工程师给这个「大脑」取了一个名字,叫 Superbottle。Superbottle 是一个六向控制阀,通过电控调节液路的流向,Superbottle 实现了对相互独立的子系统的统一管理。通过一个六向控制阀电控调节液路的流向,特斯拉第一次把全车的热管理子系统统一管理起来。

这是电子驱动的冷却剂控制阀,由它改变冷却剂流动的路径。

这是一个计算机控制的执行器,由它来改变冷却剂的流动方向。

2、特斯拉热管理工作模式

(1)冷却模式

在冷却模式下,Model 3 的电池组热管理系统和电机冷却系统相互独立。电池组冷却液从冷却装置流出,冷却整个电池组后经过 Superbottle 的管路流回冷却装置;电机冷却液从冷却装置经过 Superbottle 流入电机总成,流出后回到冷却装置。

(2)在加热模式下, Superbottle 将电池组液路和电机液路串联起来电池组冷却液经过 Superbottle 流入电机总成,流出后经过冷却装置(此时不工作)回到电池组。也就是说,在加热模式下,特斯拉通过利用电机产生的废热(车辆运行)或堵转(车量停止,此时电机绕组当作加热电阻使用)来为电池组加热,就像燃油车收集发动机废热给驾驶舱供热一样。

3、特斯拉驱动电机堵转最大功率

特斯拉实际上是利用电机堵转所产生的热量来为电池加热,这是一种不需要电阻加热的新解决方案。特斯拉选择将电机堵转发热,电机堵转功率的大小根据电池包需要的温度由热管理系统来调节。每个驱动电机最高可用 7kW 的热功率来满足了加热需求。这个时候,电机扮演的角色变成了热管理加热装置。

4、Model Y的设计

在Model Y上配置了一个低压的PTC集成在空调系统鼓风机里面。而车辆热泵系统包括压缩机,机舱冷凝器,机舱蒸发器,机舱鼓风机和冷却器,并且把电池系统、功率电子PCS+驱动系统和整车的系统回路整合在一起。

5、Modle Y的热泵系统

特斯拉把12V PTC也作为热泵系统补充的一个拼图,从成本和产热的功率角度,把PTC完全作为了绿叶。

在这套系统里面,特斯拉设置的工作模式,如下图所示,特斯拉划分了12种工作模式:

特斯拉采用一个8向换向阀来完成各种模式的切换。

不过核心的划分依据是环境温度和电池的温度,如下图所示:

COP=1:热泵系统不工作的,主要是在环境温度很低的时候(-20℃),这里的做法就采用特殊的做法,按照之前处理办法,把驱动系统的做法堵转方式,把压缩机的控制算法改了,把一个电机作为加热器来使用(The control electronics may control the compressor to operate in a lossy mode in which the compressor generates heat)

COP=1~2:温度范围在-10℃~10℃之间,会启动混合模式,这时候热量有自12VPTC,然后一部分自热泵

COP>>1:这是热泵高效区,这时候热泵系统是最主要的加热方式。

实际上这12种模式,是车辆进行自己操作的,主要的输入参数包括车主所需要行驶的目的地和路线、环境(温度)、天气(湿度)、车辆的内部参数(包含电池SOC、Soh、热管理的运行参数)等等,这里面是一个很精致的过程,可能在实验验证环境会有不同工作模式和需求的界定和划分。实际做出来可能不止这么多,或者进行一定程度的简化,这个弄法也只有在上层控制器里面用高算力算完,然后把命令逐个分发下去。

而之前电机余热发热的模式,在以上的具体模式中其实也是存在的,就是把压缩机的用法也同样做了迁移,进入了高损耗模式。我觉得,特斯拉这样打透部件的用法,真的是把零部件上逼到了角落里面,你只要有硬件设计和制造的know how就可以了,具体怎么用,你别管,我来。按照基本的质保和寿命条款来走,后续处理根据软件的做法来调节。

6、热管理系统集成化

通过这个热泵系统,特斯拉似乎想建立起一个缜密的“热能产生与热能收集系统”,从仅利用电池电能产热(电池包级only on battery level)、到利用电池产热+利用电机电控余热产能(on whole vehicle level,整车级)、再到现在的利用电池产热+利用车内各处可以产热的部件+环境产热(both car and enviroment,延伸到车以外);在环境极低的环境下,利用电机堵转给电池进行加热等这些都需要能够进行软件上的精准控制为基础。

从8向换向阀到12种工作模式的自动控制到驱动电机堵转热管理技术,无一不透露特斯拉热管理的创新的气息,这已成为特斯拉黑科技的标配。而特斯拉Model Y的引领效应,可能加速热泵空调和驱动电机堵转技术在电动汽车上的应用。



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