新能源汽车引入热泵系统最主要的动因就是纯电动汽车或者支持纯电行驶的插电式混动汽车不能再继续使用发动机作为稳定的热源用于制热。
因此在引入热泵系统之前，电动汽车的空调系统制热功能主要由电加热器，又称电阻PTC（Positive Temperature Coefficient）加热器完成。而直接用电加热得到的热量会大大降低电池的电量和行驶里程。
大众Golf GTE高压电加热模块PTC Heater
当冬季行驶打开基于电加热的空调制热功能时，几乎一半的电量都用于制热，而仅剩一半的电量用于行驶。使用热泵系统制热则行驶里程大幅提升。
当初特斯拉Model Y交付后，隐藏在车内的热泵成了最大“彩蛋”。
热泵是将热能从热源转移的装置，功能类似于反向空调。相较于传统的电阻加热器，热泵最大的优点就是高效，其效能系数是传统电阻加热器的2-3倍。
“Model Y的热泵是我这段时间见过的最好的工程设计之一。”特斯拉CEO埃隆·马斯克(Elon Musk)在推特上表示，团队已经完成了下一个阶段的工作。
水往低处流，水泵是能将水由低处送往高处的装置。自然条件下，热能由高温物体传向低温物体。热泵则是能将热能由低温物体转移至高温物体的装置，可以为用户提供采暖、制冷、热水、烘干等功能。
根据热力学第二定律，热量可以自发地从高温物体传递到低温物体。我们都知道，在自然状态下，我们不能将外部寒冷环境中的热量带到更加温暖的室内环境中。
但科技的发展则是通过理论及相关设备将自然状态下不可能发生的事情实现，而这项将热量从冷环境传送到热环境的热泵技术已存有150多年了。
奥迪R8 e-tron纯电动版热泵空调系统
热泵本身并不生产热，只是热的搬运工，基于逆卡诺循环原理，用少量电能驱动机组，通过热泵系统中的工作介质进行变相循环，把低温环境中的热能吸收压缩升温后加以利用。热泵作为绿色低碳的热能供应方案，具备环保节能、能效比高等优势，有巨大的环境效益和社会效益。
热泵的主要构件包括制冷剂、压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器等。热泵系统通过多个阀和泵的控制，能够把热量从温度低的地方搬运到温度高的地方，具有制冷制热两种工况。
目前市面上存在着三种典型的热泵空调系统，分别为直接式/间接式/补气增焓直接式热泵空调系统。
其中，采用增焓技术的热泵空调系统能够缓解低温环境下制热效率偏低的问题，目前国内厂商也开始逐渐开发测试采用增焓技术的热泵系统。
热泵系统的核心原理是一个封闭循环的回路，其中的介质被称为冷媒或制冷剂，它在此循环回路中被连续地压缩和膨胀。在每次被压缩和膨胀时（即每一轮工作状态），制冷剂将热量从低温环境中'抽取’并传送到高温环境中。
空气并未作为冷媒使用，实际使用的冷媒是能够在吸收热量时蒸发，散发热量时冷凝的液体。液体形态的改变过程能够在每一轮工作循环中极大地提高热效率。
将循环方式调转，这类设备既可用于供热也可用于制冷。
电动汽车热泵空调是指应用在电动车型上的空调系统。热泵空调系统以电动空调压缩机，利用制冷循环可逆转的特点，集制冷与制热为一体，具有通用性好、结构紧凑、高效节能、环保等优点，已成为车载空调新趋势。
下面以制热为例，进行详细介绍。
电动汽车利用热泵空调制热有三种工作模式。
1.空气模式：当蒸发器中的冷凝剂温度远低于外界空气温度
如下图所示：空调压缩机将高温高压制冷剂气体压入冷凝器，制冷气体从冷凝器流入热力膨胀阀，从热力膨胀阀流出来以后，制冷剂温度会降低一些，然后再流入左边的冷凝器。这两个冷凝器负责给车内加热，使用两个冷凝器可以实现两次加热，使加热效果更好。然后制冷剂会流入下一个热力膨胀阀，从这个热力膨胀阀出来后，制冷剂流入蒸发器，蒸发器中的制冷剂温度低于周围空气温度，制冷剂就会吸收周围空气的热量气化，然后低温低压制冷剂气体再流回压缩机。如此循环往复实现给车内加热。
2.冷却液模式：当蒸发器中的冷凝剂温度高于外界空气温度
这种情况下，蒸发器中的制冷剂无法从外界空气中吸收到热量，制冷剂就会流入热交换器，热交换器左边的两根水管连接制冷剂，右边的两根水管连接冷却液。在热交换器中，制冷剂可以吸收电动汽车冷却系统冷却液的热量，然后再流回压缩机。
如果冷却系统中冷却液的热量也不够，这时候电加热器才会工作，给冷却液加热。
3.空气+冷却液模式：当蒸发器中的冷凝剂温度低于空气和冷却液。
在这种模式下，制冷剂既流向蒸发器，又流向热交换器，从空气和冷却液中同时吸收热量。相当于将空气和冷却液两种吸热方式串联起来。
车辆运行时，控制单元会根据环境温度，选择不同的工作模式。
上面介绍了热泵空调制热的原理，制冷则与制热相反，不过原理相同，就不再赘述。
热泵空调制冷原理图
在电池技术没有突破性进展的前提下，热泵空调是降低续航里程损耗最佳的解决方案，2025年30%渗透率市场空间将近150亿元。
汽车内空调系统主要有两种技术路线：PTC制热与热泵空调制热。二者各有优缺点，PTC低温工作条件下制热效果好，但耗电。热泵空调系统低温下制热能力差，节电效果好，可有效提高新能源汽车冬季续航。
在制热原理上，PTC系统与热泵系统的本质区别在于热泵系统使用冷媒从车外吸热，而PTC系统则使用水循环在车内制热。
与PTC加热器相比，热泵空调系统涉及加热时气液分离，冷媒流量压力控制等技术难点，技术壁垒与难度都显著高于PTC加热系统。
热泵空调系统制冷制热均以电动压缩机为核心，采用一套系统。而PTC加热模式下以PTC加热器为核心，制冷模式下以电动压缩机为核心，两套不同系统模式进行运转。因此，热泵空调模式专一，集成度更高。
PTC加热原理图
在加热效率上，为了获得5kW的输出热量，由于电阻损失，电加热器需要消耗5.5kW的电能。而带热泵的系统只需要2.5kW的电能。压缩机使用电能压缩冷媒，在热泵换热器产生所需的输出热量。因此，综合考虑经济和社会效益，热泵空调取代PTC已是大势所趋。
相对于传统的加热和制冷系统，热泵被认为是一种相对环保的技术。以下是几个热泵环保的优点：
低碳排放：热泵利用自然存在的热能（如空气、地热、水体等）来供暖和制冷，而不是直接燃烧化石燃料。因此，与传统的燃油或燃气加热系统相比，热泵系统的碳排放量较低，对全球气候变化的影响较小。
无直接排放：热泵系统没有明显的尾气排放，因为它们不燃烧燃料。这减少了空气中的污染物和有害气体排放，改善了室内和室外的空气质量。
能源效率高：热泵的能源利用效率通常很高。例如，空气源热泵和地源热泵可以在冬季从相对较低的环境温度中提取热能供暖，而在夏季则可以从室内空气中吸收热量来实现制冷。这些过程中，它们只需要少量的电能来驱动压缩机和循环泵，使得每单位产生的热量更加高效。
尽管热泵在许多方面都具有环保优势，但它们也不是绝对意义的环保，问题主要出在制冷剂。
早年对制冷剂的环保要求是， 不要损害臭氧层，考核指标是 ODP（全球变暖潜能值）；随着第三代制冷剂（HFCs-不 消耗臭氧）逐渐占据主流（基本做到不破坏臭氧层），2016 年《基加利修正案》通过， 对制冷剂的环保要求，从 ODP 升级到了 GWP（全球升温潜能值）。
目前，热泵系统主要使用的制冷剂是氢氟碳化物。
氢氟碳化物（HFCs）：HFCs 是目前最常用的制冷剂之一，例如R-410A和R-32。虽然 HFCs 不会破坏臭氧层，但它们属于温室气体，其全球变暖潜势较高。因此，HFCs 在温室气体减排方面仍然存在一定的环保问题。
所以，到目前为止，热泵还难以做到绝对意义上的环保。
07 热泵系统目前的技术难点
目前，新能源汽车热管理系统仍亟需解决热泵系统应用的技术难点如下：
1.热泵系统需要针对不同应用场景进一步优化与简化。热泵技术的应用也在和电池能量密度有强相关性，每kWh电池成本下降速度与热泵每kW成本下降速度在进行比赛，也决定了热泵技术的应用推广速度和深度。目前提出的热泵系统回路控制元件仍显较多，系统控制仍较复杂，系统可靠性不高。
2.电动零部件集成化和模块化需进一步提高。如电子膨胀阀和电池冷却器的集成化、四通换向阀及系统可靠性和耐久性等。
3.热泵工况下系统性能进一步提升。尤其是在-30℃北方使用场景下，R134a/R1234yf系统性能急剧降低，制热量不够、功耗增加，同时车室外换热器在低温工况如（2℃/1℃环境温度）下严重结霜、系统性能恶化等问题。
4.热泵系统成本需进一步降低。新能源汽车热泵系统由于其复杂性和更多零部件，使得其成本相对于常规热管理系统不具备优势。一方面需要进一步加大热泵系统推广力度，以摊薄设计和开发成本，另一方面通过技术改进（如系统优化、低成本替代材料等）和集成化设计与制造来降低成本。
5.CO2热泵系统的研发不够。在环保和热泵等发展趋势下，CO2热泵系统具有天然的制热性能优势，在业界受到越来越多的重视，但其中仍有很多技术问题亟需解决，如制冷和制热性能的平衡考虑、系统高压安全问题、系统关键零部件设计与匹配、制造系统升级转换和改造、售后维修服务系统改造升级等。
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