新能源汽车热管理行业深度调研投资展望分析报告.docx

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新能源汽车热管理行业深度调研投资展望分析报告

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2017年12月

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新能源汽车热管理概述

新能源汽车崛起下热管理行业迎变革与发展新机遇

汽车热管理主要作用是为驾驶舱乘客提供适宜的温度环境，并使汽车各部件在适合的温度范围工作。

广义的汽车热管理包括空调系统和对汽车上其它发热设备的管理，狭义的热管理仅指后者。

热管理在传统燃油车上的应用已非常成熟，传统燃油车的狭义热管理系统主要指对发动机、变速箱的冷却。

新能源汽车的崛起为汽车热管理行业带来了变革与新的发展机遇。

新能源汽车的冷却散热为汽车辅助系统核心技术之一，新能源汽车主要热源有电池、控制器、电动机等。

按照能源类型，新能源汽车可分为纯电动汽车、插电式混合动力汽车、燃料电池汽车三大类：

纯电动汽车的热管理系统主要包括汽车空调系统及狭义的热管理系统，其中狭义的热管理系统包括动力电池热管理、电机电控冷却以及电子设备的冷却；插电式混合动力汽车热管理还包括发动机、变速箱冷却；对于燃料电池来说，涉及到燃料电池的热管理。

在新能源汽车的热管理系统中，最需要关注的是空调系统与电池热管理系统。

图1：

传统燃油车热管理组成

图2：

新能源汽车热管理组成

空调系统热管理——热泵空调渐行渐近

由于动力方式不同，传统汽车与新能源汽车热管理存在较大差别。

传统汽车空调系统：

发动机带动压缩机制冷，制热则利用发动机余热汽车空调系统有制冷、制热功能，传统空调系统的主要部件包括压缩机、冷凝器、储液器、膨胀阀、蒸发器、风扇和管路等，其中实现热交换功能的部件主要是蒸发器与冷凝器。

在传统汽车空调制冷系统中，发动机带动压缩机将高温气态的制冷剂压入冷凝器，制冷剂由气态转变为液态放出热量，并以液态形式进入储液罐，过滤水分等杂质。

之后，高温液态的制冷剂流经膨胀阀，并在蒸发器内变成气态吸收热量，鼓风机将冷气吹入驾驶舱内，实现制冷，同时气态制冷剂重新回到压缩机中，开启新一轮的循环。

不同于制冷系统，制热系统通过引入发动机产生的热从而达到为车舱升温的效果。

大部分内燃机热效率低于30%，运转过程中的废热足以对车内进行供热。

汽车发动后，发动机运转产生热量，车内空调器内的暖风水箱将这部分能量回收利用，再通过鼓风机以及风道将其吹至车厢内，实现暖风功能，一方面为车舱提供制热效果，另一方面带走了发动机部分热量，降低了发动机温度。

图3：

传统空调系统工作原理图

新能源汽车空调系统：

电动压缩机制冷，电加热设备或热泵空调实现制热电动压缩机实现新能源汽车空调制冷功能。

在新能源汽车空调的制冷系统中，由于纯电动汽车没有发动机，压缩机需要靠电力驱动。

该系统的基本原理为：

电池

组的直流电通过逆变器为空调驱动电动机供电，空调电动机带动压缩机旋转，从而形成制冷循环。

电动压缩机制冷空调系统对于传统汽车空调系统的改变较小，在结构上只是将压缩机的驱动动力源由发动机变为驱动电动机。

目前汽车空调制热方面主要有两种方案：

一种是采用电加热设备，如PTC电加热器（PTC，PositiveTemperatureCoefficient，泛指正温度系数很大的半导体材料或元器件，通常提到的PTC是指正温度系数热敏电阻，简称PTC热敏电阻）。

PTC电加热器采用PTC热敏电阻元件为发热源的一种加热器，PTC热敏电阻是一种典型具有温度敏感性的半导体电阻，它的电阻随湿度变化而急剧变化，当外界温度降低，PTC电阻值随之减小，发热量会相应增加。

冷空气直接流经加热器表面，加热后送入车内以实现制热。

PTC电加热方案具有恒温、较为安全和使用寿命长等优点，但能耗较大，且PTC加热出风较干燥，易使乘客感到不适。

对于新能源汽车而言，最优的制暖方案为热泵空调。

热泵，即把“热”从一个地方“泵”到另一个地方，可用于制热及制冷。

热泵空调制热技术原理和制冷系统相似，但制冷剂流向相反。

简单来说：

在夏季，热泵空调与传统空调一样，制冷剂从压缩机出来后，先进入到车外侧换热器（冷凝器）放热冷凝，再通过膨胀阀节流膨胀，后进入车内侧换热器吸收车内热量，最后回到压缩机，完成制冷循环；在冬季时空调回路方向相反，冷却剂先进入车内侧换热器，在其中放热冷凝，由于止回阀的存在，冷凝后的工质只能通过膨胀阀节流，之后再进入到车外侧换热器，最后压缩机，从而达到在室外制冷、在室内制热的效果，完成整个制热循环。

制冷剂流向的改变，主要依靠四通换向阀。

图4：

热泵空调系统工作原理图

图5：

雷诺Zoe热泵原理图

热泵空调具体工作原理：

制冷循环：

热泵空调系统处于制冷模式下时，四通阀不通电，制冷剂将首先被引导至车室外换热器：

低温低压制冷剂蒸汽被压缩机压缩为高温高压的过热蒸汽，经过滤器过滤压缩机排出的杂质，再经换向四通阀至室外换热器，高温高压的制冷剂蒸汽凝结为高压液体放热，热量被室外风扇吸入的室外空气带走。

然后，高压液体经过膨胀阀降温降压后流入室内换热器蒸发吸热，同时室内侧风扇使室内空气不断进入室内换热器翅片间进行热交换，并将放热后变冷的气体送入车室内达到车室降温。

最后，制冷剂经室内换热器换热后变为低温低压的气体并通过换向四通阀、气液分离器再次进入压缩机，实现制冷循环。

对空调压缩机功能的理解：

散热是需要温差的，当车室内需要制冷，室内的热量需要传递到车室外时，必须保证制冷剂温度高于室外气温，若制冷剂吸收的热量后显著低于室外，热量是无法传递到室外的。

这时候便需要压缩机将低温低压的制冷剂蒸汽压缩为高温高压的蒸汽，这样到室外冷凝器时由于室外温度相对更低，热量便可传递到室外。

制热循环：

当热泵空调系统处于制热模式下工作，四通阀通电，制冷剂将首先被引导至车室内换热器：

低温低压制冷剂蒸汽经压缩机压缩为高温高压过热蒸汽，通过换向四通阀改变流向，改为首先进入室内换热器凝结为液体放热，达到车室内制热效果。

然后，变为低温高压的液体经膨胀阀变为低温低压气液混合态，再经室外换热器从室外吸热变成低温低压气体并通过换向四通阀、气液分离器再次进入压缩机，完成制热循环。

图6：

热泵空调系统工作原理图

相比PTC加热，热泵空调加热效率高，在省电方面表现突出，且安全性更高。

人们通常用效能系数COP（CoefficientofPerformance）衡量热泵空调的效率，热

泵空调的COP一般为3，电阻丝加热的COP一般为1。

这意味着用热泵系统制热，1kW的电力输入功率能够带来3kW的制热功率，而用电阻丝制热，1kW只会带来1kW的制热。

热泵空调相比PTC加热板更安全，且加热效率更高。

热泵空调的应用车型主要有日产Leaf（聆风）、宝马i3、雷诺Zoe等，据为日产Leaf提供可制热热泵系统的日本电装公司介绍，其系统可使聆风在制热状态下的里程提升20-30%。

图7：

三菱重工热泵系统节能实验结果

目前，热泵空调发展主要受限于：

（1）低温制热性能有待提高。

当热泵空调处于制热模式时，充当蒸发器功用的车外换热器需要吸收外界热量，但若车外环境温度过低，车外换热器变无法有效吸收热量，热泵系统的运行会受到影响。

（2）低温环境中的结霜问题。

当外界环境温度较低且湿度较大时，车外换热器容易结霜，其带来的换热器热阻增加及翅片通道堵塞等都会影响制热。

采用热泵空调为车内制热的过程中要不时启动“除霜”功能，此时车内制热必须通过其他方式，如电阻丝制热，会让整个系统的制热效率下降。

针对上述问题，并联使用热泵与PTC加热是解决方式之一，当外界气温过低时采用PTC加热，此外，将PTC集成到热泵中或将电机等的热量引入热泵系统，都是未来可能的解决方式。

随着各研究机构、供应商、整车厂研发的持续推进，未来热泵空调大概率成为电动汽车空调的主流应用。

此外，冷媒方面，由于目前空调系统主要使用的冷媒R134a容易造成污染和破坏大气层，二氧化碳做冷媒是趋势之一，奔驰、大众等主机厂都曾表示未来会将二氧化碳作为冷媒应用于其产品上。

目前，二氧化碳作为冷媒时对制冷系统的高工作压力要求是最大障碍。

新能源汽车热管理的核心——电池热管理

在狭义的新能源汽车热管理系统中，因为电池散热直接关系到电池安全、汽车长期使用后的一致性问题等，电池热管理系统最为关键，电机电控冷却与传统发动机、变速箱冷却类似，从技术难度、重要性上稍逊于前者。

电池是新能源汽车的核心部件，对于纯电动汽车而言电池成本可占整车成本的40%-50%。

目前新能源汽车动力电池在安全性、可靠性、能量密度、放电能力、充电速度、使用寿命等方面均存提升空间。

锂电池的温度需要控制在15℃至45℃范围之间。

温度是对电池安全性、使用寿命、性能产生直接作用的变量。

一方面，电池工作时会产生大量热，当热量不能及时有效散出时会导致电池温度过高，影响电池性能、加快电池寿命衰减。

当电池温度过高时（如图8所示），随着充放电次数的增加，电池电量随之大幅衰减。

在电池充放电次数同样为800次的条件下，电池温度为20℃时，电池容量约为88%；而当电池温度为80℃时，电池电量衰减到约32%。

此外，在严重的情况下，电池高温可能带来燃烧、爆炸等一系列安全问题。

另一方面，若温度过低，电池充电时易出现过充现象（如图9所示），使电池容量发生不可逆衰减，缩短其使用寿命。

电池过充后，锂离子在负极表面大量沉积，沉积的锂包覆在负极表面，阻塞了锂的嵌入，导致放电效率降低和容量损失；同时电池正极易出现开裂、漏液等现象，产生不可逆的损伤。

因此，对新能源汽车电池温度的管控非常必要，电池需要加装独立的加热、散热系统。

图8：

电池充放电次数、电池电量与温度的关系

图9：

电池电压与温度的关系

电池热管理概述及发展趋势

新能源汽车电池热管理分类

电池热管理主要分为电池冷却、电池加热两部分，重点主要在于电池冷却。

根据导热介质差异，电池冷却主要可以分为风冷、液冷、相变材料冷却三种方式。

风冷系统

风冷系统借助空气流动带走电池产生的热量。

被动式风冷系统利用汽车行驶时与空气相对运动产生的风进行散热，冷却效果较弱；主动式风冷系统则依托现有空调系统，借助空调系统吹入驾驶舱内的冷风实现对电池组的降温。

图10：

风冷系统的工作原理

图11：

起亚SoulEV的风冷路径

按照空气流经电池的方式，风冷系统可分为串联式与并联式。

串联式风冷系统由于空气依次经过各个电池，因此容易出现各电池之间冷却不均匀的现象。

相较之下，并联式风冷对于电池组的冷却更为均匀，效果更好。

使用串联式风冷方案的车型主要有第一代丰田Prius、第一代本田Insight与日产Leaf（被动风冷）；采用并联式风冷方案的车型主要有丰田PriusTHSII与丰田PriusTHSIII。

图12：

起亚SoulEV的风冷路径示意图

液冷系统

液冷系统的冷却原理是以冷却液为介质实现电池的热量交换，电池直接或间接与冷却液（通常为水与乙二醇的混合液）接触从而实现换热。

液冷系统通过chiller（电池冷却器）引进空调系统的制冷剂，将电池热管理系统与空调系统耦合起来。

以某款锂电池为例，在38°C≤电池温度＜45°C时，电池组仅通过低温散热器的风扇降温，chiller不参与电池冷却；而在电池温度≥45°C的高温工况下，chiller参与到电池冷却中，帮助电池快速散热。

chiller分别由两个冷却液进出管，两个制冷剂进出管，一个换热器主体和一个外部蒸发器组成。

在chiller内部，制冷剂和冷却液在换热器内充分换热，热量由冷却液转移到制冷剂上，冷却液温度下降再流经电池，从而能实现对电池高效降温。

电池温度＜0°C需要加热时，chiller不工作，开启PTC加热器加热冷却液，即可实现对电池的加热。

液冷系统在可以通过控制制冷回路通断以及控制PTC加热功率来控制冷却液的温度，从而控制电池内部温度。

图13：

液冷系统的工作原理

图14：

电池冷却器

液冷系统的冷却效率比风冷系统高，结构更为复杂，是目前许多电动乘用车的优选