新能源汽車引入熱泵系統最主要的動因就是純電動汽車或者支持純電行駛的插電式混動汽車不能再繼續使用發動機作為穩定的熱源用于制熱。
因此在引入熱泵系統之前，電動汽車的空調系統制熱功能主要由電加熱器，又稱電阻PTC（Positive Temperature Coefficient）加熱器完成。而直接用電加熱得到的熱量會大大降低電池的電量和行駛里程。
大眾Golf GTE高壓電加熱模塊PTC Heater
當冬季行駛打開基于電加熱的空調制熱功能時，幾乎一半的電量都用于制熱，而僅剩一半的電量用于行駛。使用熱泵系統制熱則行駛里程大幅提升。
當初特斯拉Model Y交付后，隱藏在車內的熱泵成了最大“彩蛋”。
熱泵是將熱能從熱源轉移的裝置，功能類似于反向空調。相較于傳統的電阻加熱器，熱泵最大的優點就是高效，其效能系數是傳統電阻加熱器的2-3倍。
“Model Y的熱泵是我這段時間見過的最好的工程設計之一。”特斯拉CEO埃隆·馬斯克(Elon Musk)在推特上表示，團隊已經完成了下一個階段的工作。
水往低處流，水泵是能將水由低處送往高處的裝置。自然條件下，熱能由高溫物體傳向低溫物體。熱泵則是能將熱能由低溫物體轉移至高溫物體的裝置，可以為用戶提供采暖、制冷、熱水、烘干等功能。
根據熱力學第二定律，熱量可以自發地從高溫物體傳遞到低溫物體。我們都知道，在自然狀態下，我們不能將外部寒冷環境中的熱量帶到更加溫暖的室內環境中。
但科技的發展則是通過理論及相關設備將自然狀態下不可能發生的事情實現，而這項將熱量從冷環境傳送到熱環境的熱泵技術已存有150多年了。
奧迪R8 e-tron純電動版熱泵空調系統
熱泵本身并不生產熱，只是熱的搬運工，基于逆卡諾循環原理，用少量電能驅動機組，通過熱泵系統中的工作介質進行變相循環，把低溫環境中的熱能吸收壓縮升溫后加以利用。熱泵作為綠色低碳的熱能供應方案，具備環保節能、能效比高等優勢，有巨大的環境效益和社會效益。
熱泵的主要構件包括制冷劑、壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發器等。熱泵系統通過多個閥和泵的控制，能夠把熱量從溫度低的地方搬運到溫度高的地方，具有制冷制熱兩種工況。
目前市面上存在著三種典型的熱泵空調系統，分別為直接式/間接式/補氣增焓直接式熱泵空調系統。
其中，采用增焓技術的熱泵空調系統能夠緩解低溫環境下制熱效率偏低的問題，目前國內廠商也開始逐漸開發測試采用增焓技術的熱泵系統。
熱泵系統的核心原理是一個封閉循環的回路，其中的介質被稱為冷媒或制冷劑，它在此循環回路中被連續地壓縮和膨脹。在每次被壓縮和膨脹時（即每一輪工作狀態），制冷劑將熱量從低溫環境中'抽取’并傳送到高溫環境中。
空氣并未作為冷媒使用，實際使用的冷媒是能夠在吸收熱量時蒸發，散發熱量時冷凝的液體。液體形態的改變過程能夠在每一輪工作循環中極大地提高熱效率。
將循環方式調轉，這類設備既可用于供熱也可用于制冷。
電動汽車熱泵空調是指應用在電動車型上的空調系統。熱泵空調系統以電動空調壓縮機，利用制冷循環可逆轉的特點，集制冷與制熱為一體，具有通用性好、結構緊湊、高效節能、環保等優點，已成為車載空調新趨勢。
下面以制熱為例，進行詳細介紹。
電動汽車利用熱泵空調制熱有三種工作模式。
1.空氣模式：當蒸發器中的冷凝劑溫度遠低于外界空氣溫度
如下圖所示：空調壓縮機將高溫高壓制冷劑氣體壓入冷凝器，制冷氣體從冷凝器流入熱力膨脹閥，從熱力膨脹閥流出來以后，制冷劑溫度會降低一些，然后再流入左邊的冷凝器。這兩個冷凝器負責給車內加熱，使用兩個冷凝器可以實現兩次加熱，使加熱效果更好。然后制冷劑會流入下一個熱力膨脹閥，從這個熱力膨脹閥出來后，制冷劑流入蒸發器，蒸發器中的制冷劑溫度低于周圍空氣溫度，制冷劑就會吸收周圍空氣的熱量氣化，然后低溫低壓制冷劑氣體再流回壓縮機。如此循環往復實現給車內加熱。
2.冷卻液模式：當蒸發器中的冷凝劑溫度高于外界空氣溫度
這種情況下，蒸發器中的制冷劑無法從外界空氣中吸收到熱量，制冷劑就會流入熱交換器，熱交換器左邊的兩根水管連接制冷劑，右邊的兩根水管連接冷卻液。在熱交換器中，制冷劑可以吸收電動汽車冷卻系統冷卻液的熱量，然后再流回壓縮機。
如果冷卻系統中冷卻液的熱量也不夠，這時候電加熱器才會工作，給冷卻液加熱。
3.空氣+冷卻液模式：當蒸發器中的冷凝劑溫度低于空氣和冷卻液。
在這種模式下，制冷劑既流向蒸發器，又流向熱交換器，從空氣和冷卻液中同時吸收熱量。相當于將空氣和冷卻液兩種吸熱方式串聯起來。
車輛運行時，控制單元會根據環境溫度，選擇不同的工作模式。
上面介紹了熱泵空調制熱的原理，制冷則與制熱相反，不過原理相同，就不再贅述。
熱泵空調制冷原理圖
在電池技術沒有突破性進展的前提下，熱泵空調是降低續航里程損耗最佳的解決方案，2025年30%滲透率市場空間將近150億元。
汽車內空調系統主要有兩種技術路線：PTC制熱與熱泵空調制熱。二者各有優缺點，PTC低溫工作條件下制熱效果好，但耗電。熱泵空調系統低溫下制熱能力差，節電效果好，可有效提高新能源汽車冬季續航。
在制熱原理上，PTC系統與熱泵系統的本質區別在于熱泵系統使用冷媒從車外吸熱，而PTC系統則使用水循環在車內制熱。
與PTC加熱器相比，熱泵空調系統涉及加熱時氣液分離，冷媒流量壓力控制等技術難點，技術壁壘與難度都顯著高于PTC加熱系統。
熱泵空調系統制冷制熱均以電動壓縮機為核心，采用一套系統。而PTC加熱模式下以PTC加熱器為核心，制冷模式下以電動壓縮機為核心，兩套不同系統模式進行運轉。因此，熱泵空調模式專一，集成度更高。
PTC加熱原理圖
在加熱效率上，為了獲得5kW的輸出熱量，由于電阻損失，電加熱器需要消耗5.5kW的電能。而帶熱泵的系統只需要2.5kW的電能。壓縮機使用電能壓縮冷媒，在熱泵換熱器產生所需的輸出熱量。因此，綜合考慮經濟和社會效益，熱泵空調取代PTC已是大勢所趨。
相對于傳統的加熱和制冷系統，熱泵被認為是一種相對環保的技術。以下是幾個熱泵環保的優點：
低碳排放：熱泵利用自然存在的熱能（如空氣、地熱、水體等）來供暖和制冷，而不是直接燃燒化石燃料。因此，與傳統的燃油或燃氣加熱系統相比，熱泵系統的碳排放量較低，對全球氣候變化的影響較小。
無直接排放：熱泵系統沒有明顯的尾氣排放，因為它們不燃燒燃料。這減少了空氣中的污染物和有害氣體排放，改善了室內和室外的空氣質量。
能源效率高：熱泵的能源利用效率通常很高。例如，空氣源熱泵和地源熱泵可以在冬季從相對較低的環境溫度中提取熱能供暖，而在夏季則可以從室內空氣中吸收熱量來實現制冷。這些過程中，它們只需要少量的電能來驅動壓縮機和循環泵，使得每單位產生的熱量更加高效。
盡管熱泵在許多方面都具有環保優勢，但它們也不是絕對意義的環保，問題主要出在制冷劑。
早年對制冷劑的環保要求是， 不要損害臭氧層，考核指標是 ODP（全球變暖潛能值）；隨著第三代制冷劑（HFCs-不 消耗臭氧）逐漸占據主流（基本做到不破壞臭氧層），2016 年《基加利修正案》通過， 對制冷劑的環保要求，從 ODP 升級到了 GWP（全球升溫潛能值）。
目前，熱泵系統主要使用的制冷劑是氫氟碳化物。
氫氟碳化物（HFCs）：HFCs 是目前最常用的制冷劑之一，例如R-410A和R-32。雖然 HFCs 不會破壞臭氧層，但它們屬于溫室氣體，其全球變暖潛勢較高。因此，HFCs 在溫室氣體減排方面仍然存在一定的環保問題。
所以，到目前為止，熱泵還難以做到絕對意義上的環保。
07 熱泵系統目前的技術難點
目前，新能源汽車熱管理系統仍亟需解決熱泵系統應用的技術難點如下：
1.熱泵系統需要針對不同應用場景進一步優化與簡化。熱泵技術的應用也在和電池能量密度有強相關性，每kWh電池成本下降速度與熱泵每kW成本下降速度在進行比賽，也決定了熱泵技術的應用推廣速度和深度。目前提出的熱泵系統回路控制元件仍顯較多，系統控制仍較復雜，系統可靠性不高。
2.電動零部件集成化和模塊化需進一步提高。如電子膨脹閥和電池冷卻器的集成化、四通換向閥及系統可靠性和耐久性等。
3.熱泵工況下系統性能進一步提升。尤其是在-30℃北方使用場景下，R134a/R1234yf系統性能急劇降低，制熱量不夠、功耗增加，同時車室外換熱器在低溫工況如（2℃/1℃環境溫度）下嚴重結霜、系統性能惡化等問題。
4.熱泵系統成本需進一步降低。新能源汽車熱泵系統由于其復雜性和更多零部件，使得其成本相對于常規熱管理系統不具備優勢。一方面需要進一步加大熱泵系統推廣力度，以攤薄設計和開發成本，另一方面通過技術改進（如系統優化、低成本替代材料等）和集成化設計與制造來降低成本。
5.CO2熱泵系統的研發不夠。在環保和熱泵等發展趨勢下，CO2熱泵系統具有天然的制熱性能優勢，在業界受到越來越多的重視，但其中仍有很多技術問題亟需解決，如制冷和制熱性能的平衡考慮、系統高壓安全問題、系統關鍵零部件設計與匹配、制造系統升級轉換和改造、售后維修服務系統改造升級等。
