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如何以特斯拉的姿勢解決冬季續航問題？
不是鄭小康 03-19 21:27 投訴閱讀數：91799
文 | Chris
3月14日，特斯拉在官網上線了Model Y用戶手冊。相比Model 3，Model Y一個
小小的更新是引入了熱泵空調。在特斯拉之前，熱泵空調在純電動汽車行業已
經有著廣泛的應用。一個平平無奇的熱泵空調，特斯拉能玩兒出什麼花樣？
https://i.imgur.com/FWEI7RD.jpg
一個科普：什麼是熱泵？熱泵是一種以逆循環方式迫使熱量從低溫物體流向高
溫物體的高效節能裝置。在冬季工況下，熱泵的能源效率比廣泛應用的PTC熱敏
電阻加熱高2-4倍，反應到整車上可以使續航里程增加20%以上。
我們首先要回答一個問題：如何以特斯拉的姿勢解決冬季續航問題？藉由這個
問題的答案，如果你可以有所啟發、想到更多，那再好不過。Enjoy it.
Model 3 是如何解決熱管理問題的？
在氣溫低於零下10℃的冬季，純電動車的動力電池除了驅動電機，還要為全車
的熱能需求提供能量。如果不對能量加以高效利用，純電動車續航衰減最高可
以達到50%。
對於這個問題，普通廠商選擇放棄：配備PTC 熱敏電阻保證電動車冬季基本的
製熱需求，至於續航衰減問題，戰略性放棄。
有些追求的廠商選擇優化：配備熱泵空調，在保證制熱的同時提升能源效率，
降低制熱對續航衰減的影響。
你要知道的是，一輛電動車，它的不同組件在不同工況下會出現完全不同的熱
需求。
夏天開車，駕駛艙有製冷需求；
夏天去超級充電樁充電，駕駛艙有製冷需求同時電池組有製熱需求（更高的電
池組溫度有利於更快達到最大功率，縮短充電時間）；
夏天趕時間，高速駕駛去超級充電樁充電，駕駛艙有製冷需求，電池組有製熱
需求同時電機有製冷需求
......
所以一款合格的電動車，在熱管理系統上至少要有空調製冷系統、採暖系統、
電機冷卻系統和電池組熱管理系統。通過相互獨立的子系統將前面提到的複雜
需求逐一拆分，最終解決整車的熱管理問題。
https://i.imgur.com/ECSunxC.jpg
Model 3是如何解決這個問題的？特斯拉沒有採用市面上通用的熱管理組件。通
過對整個熱管理系統進行重新設計，特斯拉製造了一個熱管理系統的「大腦」
來統籌整個熱管理系統的運轉。
https://i.imgur.com/b1PSx70.jpg
特斯拉工程師給這個「大腦」取了一個名字，叫Superbottle。Superbottle是
一個六向控制閥，通過電控調節液路的流向，Superbottle實現了對相互獨立的
子系統的統一管理。
https://i.imgur.com/1okwGRw.jpg
在冷卻模式下，Model 3 的電池組熱管理系統和電機冷卻系統相互獨立：
https://i.imgur.com/i3Kwt6l.jpg
電池組冷卻液從冷卻裝置流出，冷卻整個電池組後經過Superbottle 的管路流
回冷卻裝置；
電機冷卻液從冷卻裝置經過Superbottle 流入電機總成，流出後回到冷卻裝置
在加熱模式下， Superbottle 將電池組液路和電機液路串聯起來：
https://i.imgur.com/oxEx7QV.jpg
電池組冷卻液經過Superbottle 流入電機總成，流出後經過冷卻裝置（此時不
工作）回到電池組。
也就是說，在加熱模式下，特斯拉通過利用電機產生的廢熱來為電池組加熱，
就像燃油車收集發動機廢熱給駕駛艙供熱一樣。
但是這裡會出現一個問題：內燃機驅動效率最高不超過45%，而Model 3 的電機
驅動效率超過了93%。換句話說，電機廢熱根本不足以滿足整車的加熱需求。
https://i.imgur.com/80imQPD.jpg
特斯拉選擇將電機堵轉發熱，最高可達7kW 的功率完全滿足了加熱需求。這個
時候，電機扮演的角色變成了熱管理加熱裝置。
通過一個六向控制閥電控調節液路的流向，特斯拉Model 3 第一次把全車的熱
管理子系統統一管理起來。
一個不恰當的比喻，傳統的純電動車相互獨立的熱管理系統就像北方冬季的分
戶式採暖系統，每家每戶都有獨立的採暖系統，能耗高、成本高、污染大；而
Model 3的Superbottle就像集中供暖，一次性投資大、使用成本低、能源效率
高。
從整車角度來看，Superbottle 的優勢不止於此。曾經對逆向工程了兩台Model 3
的Sandy Munro 對Superbottle 做出瞭如下評價：
提升了集成度，降低包裝空間的需求
增加了可維修性的潛力
潛在的熱管理系統重量（獨立安裝支架、外殼等）下降
降低組裝成本（n 個組件簡化為1 個組件）
降低製造時間和成本（n 個組件簡化為1 個組件）
當然弊端也顯而易見，由於不是供應鏈的標準化組件，Superbottle 的研發和
模具成本更高。
Superbottle + 熱泵= Model Y 熱管理？
接著往下說，既然Superbottle 因為非標準化組件成本偏高，那麼將其應用到
Model Y、Model S/X 上快速上量，通過規模化來降低成本是不是一個合理的思
路？
https://i.imgur.com/nNfUg03.jpg
再加上文章開頭提到，Model Y 增加了熱泵，所以Superbottle + 熱泵= Model Y
熱管理系統，對嗎?
從特斯拉申請的專利「具有極端溫度加熱能力和熱效率預處理的最佳能源電動
汽車熱泵」來看，特斯拉工程師沒有止步於「添加熱泵」，而是將熱泵作為新
的能源供給組件納入到Superbottle中，Superbottle由此升級為一個自帶八向
控制閥的熱管理「大腦」。
https://i.imgur.com/aUivxJw.jpg
硬件的進階只是第一步，根據專利所述，光是非活動模式下，Model Y 上的
Superbottle 就支持1 種冷卻模式和4 種加熱模式。
https://i.imgur.com/USLKtSW.jpg
除了收集電機廢熱二次利用，Model Y 的Superbottle 還會收集電池組廢熱，
加上熱泵的外部環境產熱，整個系統熱管理的供給和消耗都通過集中控製而變
得空前複雜。
通過監測外部環境溫度、電機系統溫度、電池組溫度和座艙溫度、綜合電機、
電池組和熱泵、壓縮機等所有熱源供給在不同工況下（例如熱泵在零下30℃的
極限工況能源效率最低）的最佳效率，最終輸出綜合結果來提升整車的熱體驗。
繼續前文的不恰當比喻的話，相比Model 3，Model Y上的Superbottle就好像從
「集中供暖」進階到了「集中供熱」：將電廠（熱電聯產）、集中鍋爐房、工
業廢熱、太陽能等熱源供給與城市廠區生產用熱、居民區生活用熱和采暖等熱
源消耗統籌規劃起來。
從Superbottle 所想到的
回到Model Y，完全一致的電池組規格/輪轂尺寸、更重的車身、更大的撞風面
積，Model Y 反而比Model 3 的EPA 工況續航多了27 公里。這是進階版Superbottle
的功勞嗎？
https://i.imgur.com/cgOfQpk.jpg
Superbottle是Model 3/Y上的高度集成綜合管理、幹掉分佈式獨立組件思路的
一個縮影。如果你了解Model 3的話，它「三權分立，一統全車」的電子電氣架
構；Autopilot感知前融合、幹掉傳統的「感知芯片」的思路，與Superbottle
是如出一轍的。
回到熱管理，傳統車企陣營的熱管理統籌思維發展到了什麼水平？2019年的上
海車展上，博世展出了一個熱管理控制系統，會針對電機、電池組、電控和座
艙的製熱/冷需求進行綜合管理。不過從展出的產品來看，在硬件層面，博世還
沒推出一個類Superbottle一樣的組件。而我們更好奇的是：從車展亮相到進入
車企整車項目裝車，需要多長時間？
https://i.imgur.com/Y3UXIPN.jpg
值得一提的是，完整體現 Model Y上的Superbottle的這份專利，申請於2018
年9月7日。彼時Model 3已經投產一年有餘，也就是說，特斯拉團隊已經形成了
可持續的大破大立式創新的研發節奏。就在3月14日，Model Y開始了批量交付。
這就是理想汽車CEO李想所說的「傳統廠商絕不是在縮短這個差距，而是被加速
拉大」。
這種現像是怎樣造成的？是不是特斯拉的熱管理人才素養高於博世、大陸、BBA
這樣的傳統巨頭？
答案是顯而易見的。Superbottle的專利一作是特斯拉的熱管理系統高級主任工
程師Nick Mancini，在加入特斯拉前，他在蘋果擔任熱設計工程師。他經手的
第一個項目是特斯拉Model 3。也就是說，在Superbottle之前，他對純電動汽
車熱管理系統的設計經驗為零。
https://i.imgur.com/sskwSfz.jpg
iPhone 的熱管理？
在特斯拉的項目開發中，特斯拉CEO Elon Musk極度關注創新的重要性，反复鼓
勵引導工程師從事物的本質出發來思考問題，拋開產業現狀和已有趨勢的限制，
以第一性原理的思維方式來解決問題。如果你關注特斯拉的人才團隊，跨界任
職比比皆是。
最終的結果是，一大群對汽車電驅動、自動駕駛、電子電氣架構經驗為零的工
程師，在加入特斯拉後迸發出了旺盛的創意和超強的執行力。
人才是高速流動的，特斯拉的使命、價值觀、文化氛圍才是核心競爭力。
-END-
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Tesla Model 3 上的熱管理原本就十分複雜，雖然一個小小的Superbottle 看似
簡單，但要搞懂它如何運作的需要花一點時間甚至自己畫一下圖才能清楚。
現在Model Y 又加入了熱泵，實際的運作方式還不確定要等拆完車後看了報告才
知道，不過複雜度應該是只會比Model 3 多不會少。
這篇文章還提供了一個有趣的訊息，原來文中提到的跟Superbottle 有關的那項
專利有部分是由前Apple 工程師搞出來的，以前看到這份專利前還不曉得這件事
情直到現在才知道。
找厲害的人來做事，就算沒有汽車行業經驗也可以做出厲害的事情或產品，這
個就是一個例子，要是只拘泥於找行業內的頂尖人才來做事，應該是很難超越
行業內的頂尖公司。
OPTIMAL SOURCE ELECTRIC VEHICLE HEAT PUMP WITH EXTREME TEMPERATURE
HEATING CAPABILITY AND EFFICIENT THERMAL PRECONDITIONING
專利頁面：http://bit.ly/3bceZzI