绿芯君的公司里有一台Model 3的对标车，双电机长里程版本。之前我们几名工程师，用专业的设备把它在试车场进行了各种驾驶性的测试，写成的回答引起了不少特斯拉真实车主的反馈。
眼看凛冬将至，气温一次又一次刷新低，Model 3也将迎来它在中国的第一个冬天。小编突然又想起自己车库角落的那辆对标用的特斯拉Model 3，是时候看下它的低温电池性能了。为了知道它在冬季续航的实际表现，我们把它又送到把它塞到一个能开车的冰柜（环境转榖试验舱）里进行了测试。
测试加分析的的结果很有意思。Model 3在加热这件事情上，从原理上就和其他纯电动车不一样。应对低温，整车厂会采取比如增加一个“高压PTC”或者柴油加热装置，来进行加热。
1、 高压PTC
PTC（Positive Temperature Coefficient）的核心，或者说这几个字直接翻译成中文，就是一个正温度系数热敏电阻。它消耗充电桩或者动力电池的电能，将其转化成热能。转换的功率 。所谓的PTC热敏电阻，是指低温时它的电阻R变低，发热功率增大；高温时电阻R变高，发热功率降低。现在纯电动汽车配备的PTC，峰值功率大概3kW，平均功率大概在2kW左右，不算很复杂的高科技。按照0.6元一度民用电来算，一小时工作成本1.2元，如果是快充的话会更贵不少。
2、柴油加热装置
用户给车辆加油，通过燃烧柴油来对电池或座舱进行加热，平均燃油消耗率0.2L/h，通过热值换算功率大概也在2kW左右，工作成本大概1.3元/h。让我们来算一算两者是不是比较接近——
这两种方式，无论是加热功率还是使用成本都比较接近，但有各自不同的缺点。PTC会耗用在冬季本来就捉急的电池能量，影响续驶里程。柴油加热要增加一套机构，使用这套系统的威马EX5在售价上会增加7千元左右，对于一台十几万的电动车这可不是一笔小钱，而且纯电动车加柴油这件事，听上去可能会比较膈应。
Model 3在这加热这方面，依旧保持了它特立独行的个性，使用了一种更新颖的方法，甚至可以说是一种倾向于传统车方案——
电动车上本来就有一个可以起到电热丝的作用的零件，电机线圈绕组。特斯拉的思路便是利用电驱系统的废热，像传统车用发动机余热给乘员舱供暖一样。使其既用于车辆驱动，又用于产生额外的热量加热电池。
内燃机只有30%左右的驱动效率，汽油燃烧剩下70%的能量都变成热量需要去散发掉。利用余热给乘客供热，合情合理。那为什么Model 3之前的电动车，用了PTC，用了热泵，甚至用上了柴油加热，却没有想到用车上现成的热源？
这不是工程师傻，是因为电机与内燃机特性完全不同。电机驱动效率基本在90%以上，而产生的10%热量并不足以用来为座舱和电池进行加热。你可能会想，随便找个电动车就有100kW的功率，那10%就有10kW，这远远超过3kW的PTC功率。但是这里的100kW指的是电机的峰值功率，只能持续十数秒的时间，日常行驶不是在赛道上开，也不可能让电机持续运行在如此高功率的区间。
其实日常行驶工况的平均输出功率其实低到你想不到的程度，一台Model 3长里程版在NEDC工况下的平均输出功率只有4.22kW，就算有能量回收等情况也会产生电机热量损耗，我们把这个数字的10%乘以二，不到0.9kW的平均输出功率，也无法满足持续2kW左右的制热需求。
要做到这个功能，特斯拉的工程师需要实现以下几个功能。
通过车辆测试、拆解和资料分析，我们基本了解了他们具体是如何操作的——
整个冷却/加热水路的设计要重新设计。照理说这个也不是什么太黑的高科技，但是特斯拉还是自己玩的很high——说白了特斯拉的工程师们设计了一个可以电控切换水路循环流向的超级旁通阀门。
我知道说了这么多乱七八糟的很难看懂，所以画了个动图。如果图片不容易看懂，那用一句简单的话概括，就是冷却时，电池和电驱冷却系统互不影响。加热时，将电池冷却回路和电机冷却回路串联起来。关于这个阀门的具体内容，可以参看@朱玉龙 朱校长的这篇分析文章。
为了这个白色的塑料罐子，特斯拉调皮地起了个名，叫Super Bottle。还设计了一个超级英雄卡通形象，偷偷地印在了这个白罐子上面。这个罐子普通用户日常使用是完全看不到的，这份闷骚就像他们发射到太空,现在正在绕日运转的那台Roadster里，一块PTC版上著名的这行字：“Made on Earth by humans”。
让我们先来看一下某个电机的效率MAP图。
我们知道，电机扭矩是通过id，iq矢量控制实现的（矢量控制具体是什么我们在这里不具体介绍，有兴趣的话推荐这个回答https://www.zhihu.com/question/23567707/answer/104257795）。下图是在某转速下的等扭矩曲线图，理论上我们可以有无数种id和iq的配比方式，但是只有一种是效率最优解。那就是id^2+iq^2最小的时候，我们需要的电流最小，功率最低，也就是效率最大。
高中学解析几何的时候老师告诉我们，圆的方程是 。在这张图上，id^2+iq^2就是以原点为圆心做的一个圆。当这个圆与等扭矩曲线相切的时候，id与iq的配比就是最优效率点。
我已经尽力解释的比较清楚了，如果你还不了解，我再举一个更简单的例子。如果要两个数相加等于10，可以有2+8、3+7、4+6等无数种方案，但如果我们定义这两个数字相乘的结果最大的时候为最优解，那最优解只有一种就是5+5=10，5*5=25。工程师就是要为这密密麻麻的点，每一个都找到最优解。
但这只是理论情况。因为铁损、轴承、气隙等各种实际情况，计算得到的电流配比输出的实际扭矩多少会有点偏差。为了扣出每一份效率，电机工程师需要趴在台架电脑上，利用测功机把这图里每个点真实的扭矩精确测量出来并进行微调。
通常情况下，工程师一定会让电机工作在最优效率点，在台架上的工作只要找到最优电流配比的标定就可以了。但如果较差效率点的电流配比也成为可能工况的话，可能就需要做更多的台架标定来保证各个效率下电机扭矩的准确性。
此时电机被赋予了两个功能——驱动与加热。也就说电机不仅要确保精确相应驾驶员的需求进行扭矩输出，还要顾及发热功率的控制，同时要确保电机、电池不会面临热失控的风险。前面讲到，电机效率是通过改变电流配比来实现的，这时再配合驱动功率需求，就可以实现发热功率的控制。比如说发热功率需求5kW，驱动功率需求20kW，那么只需要改变电流配比将驱动效率控制在1-（5/20）=75%即可。
当然，驱动功率是随驾驶员需求在实时变化的，而发热功率也会依据座舱空调、电池的温度实时调整。这二者变化节奏不同，也就导致电机效率也会不断的动态改变。这对于电机的动态控制提出了很高的要求，等于在控制方面增加了一个维度，可能在MCU软件中准备多款MAP，确保输出功率和发热量都能满足控制需求。
这种加热方式虽然复杂，但一旦实现，优点也是显而易见：
1、 充分利用了电机余热，能量使用率提高。
电动车加速时，功率达到30kW再正常不过。假设此时的电机效率为90%，那么有10%即3kW的热功率产生为电池包加热。和一个普通高压PTC最大输出功率相当。也就是说可以达到跟高压PTC相近的加热效果。
电池加热可以释放电池的部分放电量，提升续驶里程。但当加热需求超出电机在最高效率点正常的散热量时，本质上还是需要通过电机消耗电池的电量。所以加热后释放的能量，与加热时所消耗的能量，二者衡量殊多殊少是关键。
因此，目前电池加热的使用场景主要还是在快充中提升充电速度。Model3也专门设计了一套逻辑：电池温度较低时，如果用户在导航中设置目的地为快充桩，那么在行车过程中系统就会提前对电池进行预热，保证用户到达快充桩时可以获得最大的充电功率。
2、 最大输出功率大，加热效果好。
普通高压PTC功率管最大输出功率在3kW左右，而电机本身可承受温升的功率至少有7-8kW，短时间内对电池加热的升温效果会更好。
这点让我们用实测数据来说明。回到我们文章开始提到的那台角落里的Model 3，我们把它塞到冰柜里进行了真实的测试。-10℃停车时，后轴电机可是实现不出扭矩，但是给到约3kW的功率用于产生热量；行车过程中，后轴电机会降低效率，产生热量， 10km/h车速时后轴电机效率低至25%，20km/h车速时后轴电机效率低至40%，电池温升速率大概可以做到1℃/min，这个效果是不错的。下图所示为快充过程中电机产热对电池进行加热过程中的温度变化曲线：
3、 获得稳定的能量回收驾驶体验。
电动车用户在冬季行驶，其实还有一个小小的困扰——在温度较低且SOC较高时，能量回收的减速拖拽力达不到正常的水平，你可能习惯了某个强度的制动能量回收力度，却发现冬天充满电开出门的时候和平时的习惯不一样，必须补一脚刹车。而随着SOC下降和温度上升，感觉又慢慢变回来了。
这是因为低温高SOC时，电池的充电功率受到限制，电机无法发出较大的制动扭矩，和日常行驶的感受有所差异，导致在同等车速v下，电池充电功率P越受限，整车可产生的制动力F越小。：
但是，如果通过我们刚刚描述的方案，可以实现电机效率η的调节。就能做到更小的充电功率P之下，实现更高制动力F，车辆在各种环境下的驾驶一致性会更好。
总体来说，在Model 3上特斯拉的工程师一直很任性，取消仪表，电池采用大模组，首个SiC功率半导体……在加热这件事上，靠自己优秀的电控与创新能力，他们又秀了一波操作。成本几乎不提高或者说下降的前提下，提升了整个电池的性能，可以说几乎将能量效率发挥到了极致。在这方面的背后，实际上主机厂是对于核心技术的真正掌握，和各部门工程师之间的强大协同，以及对于供应商的强大控制能力，这是值得我们学习借鉴的。
