車輛中心 產業發展處 鄭冠淳

自2010年全球第一台量產電動車Nissan Leaf面世以來，電動車發展約莫十餘年，相較於已發展百年的燃油車，還有很多待發掘之處，而正如同在20、 30年前很難想像渦輪增壓和機械增壓會成為主流取代自然進氣，初代的Nissan Leaf在電池組內也沒有主動散熱機構，是隨著量產後才發覺其重要性。

近年隨著電動車的大量銷售，領導廠商Tesla發現了新問題，就是電池不僅要「散熱」，還會需要「加熱」，因為電池最佳運作溫度在20°C左右，在低溫時效能會大幅下降，現在越來越多新聞，是車主反映在冬天開電動車所遇到的困難，故Tesla在2019年發表Tesla Model Y時，推出一個創新的熱管理系統（Thermal Management System），名為Octovalve（八通閥），此系統僅僅透過溫度的控管，就能使整車的續航里程增加10%之多，並且在低溫環境能減少25%的能源消耗（因為妥善利用廢熱），使其品牌車輛在冬季及低溫地區，使用上更有效率。以下依序介紹其系統架構、核心組件及運作模式。

圖1、Tesla Octovalve系統外觀

資料來源：Tesla、Sandy Munro，車輛中心整理

連通空調、電池及馬達系統 利用室外溫度及系統廢熱 

系統架構，以冰箱的壓縮機原理為基礎，但蒸發器和冷凝器各使用兩套，因為需要把車身跟車廂溫度作區隔，所以有一套是放在車廂（Cabin）的空調系統內（Heating, Ventilation and Air Conditioning, HVAC），管路內裝的是冷媒（Refrigerant），另一套則是跟車身內部的電池和馬達系統做串聯，用的是液態冷卻液（Coolant），兩套的管路不互通，但會巧妙地接觸來利用彼此溫差，如圖2所示，空調組的是Evaporator和Condenser，由左方的粗線管路組成，電池與馬達組的是Chiller和Liquid-Cooled Condenser（LCC），由右方細線組成。

圖2、Octovalve系統架構

資料來源：Wray & Ebrahimi（2022），車輛中心整理

核心組件，名為「Octovalve」，octo是拉丁文的八，valve是閥，故稱八通閥（零件外殼畫了一隻章魚，取八爪章魚之意），雖然在示意圖上是一個圓，但其機構的實體化，是透過雙層的四向閘門來實現（4+4），如圖2右上方所示。八通閥共連接九條管路，也就是每個狀態下會有一條管路是封閉的，在側邊以一個垂直軸體旋轉，來決定哪些閘門之間兩兩相通，以實現閘門狀態的切換。

八通閥15種運作模式 處理各種情境需求

依照Tesla申請的專利^〔1〕內容揭露，八通閥有5種運作狀態（State），如圖3所示，而藉由開啟／關閉部分單元、封閉部分的管路，在每種狀態下還可以有更多的變化，圖3中灰色部分及透明的管線就是代表關閉功能，目前已知至少有15種運作模式，包含12種加熱模式及3種冷卻模式，各運作模式的差異，主要在於環境條件及需求情境的不同，環境條件包含室外溫度、車廂溫度、電池溫度及馬達溫度等，依照溫度的不同產生不同的需求，例如在加熱模式中，Heat-1、2、9是室外溫度大於-10°C的情況，利用壓縮機／電池廢熱／馬達廢熱來加熱車廂，Heat-3、4、5、6是室外溫度低於-10°C的極端低溫情況，Heat-7和8是車輛靜止後存放廢熱，Heat-10和11是除霧模式、Heat-12是排放廢熱到室外，詳細各運作模式說明，可參考專利^〔1〕、介紹動畫^〔2〕及學術期刊^〔3〕。

圖3、Octovalve運作模式

資料來源：United States Patent No.0070924（2019）、Wray & Ebrahimi（2022）、Untangle Club，車輛中心整理

小結

八通閥的巧妙之處，在於僅僅用一個機構（閥）就控管複雜的系統，且過去雖然許多電動車在電池和馬達都有冷卻液管路的設計，但是並不會跟車廂的空調系統有相互連結，也就是無法妥善回收利用電動車產生的廢熱（過去也沒有車廠覺得廢熱有用）以及車外環境的溫度，Tesla是在這領域第一個提出解決方案的廠商，首輛搭載於Tesla Model Y，現在全車系都已更新導入此系統。

其實像早年的多合一動力系統、碳化矽（SiC）、800V、CTP（Cell to Pack）到現在的八通閥，這些都是車廠在做電動車時意外的發明或領悟，後來都成為趨勢、潮流甚至是決定競爭力的關鍵零組件。在此也鼓勵臺灣的廠商能夠持續投入，或許就在那些電子元件中的某一處，能夠發現這種可以優化、整合甚至創新的技術，每一個新的發現都是打開一扇新的窗戶，通往一片蔚藍的天空，使產業可以有更多的機會發展，讓我們拭目以待！   

註：

1.   Mancini et al. (2019). United States Patent No.0070924. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office. 

2.   Untangle Club (2020). Tesla Model Y Thermal management system with OCTOVALVE & HEATPUMP | Working in Detail. Youtube. https://www.youtube.com/watch?v=rgmBpEQtJ1s

3.   Wray, A., & Ebrahimi, K. (2022). Octovalve Thermal Management Control for Electric Vehicle.Energies,15(17), 6118.