【熱管理】特斯拉VS華為熱管理技術(shù)路線對比
發(fā)布日期：2022-10-14 瀏覽次數(shù)：1468
熱管理模塊愈發(fā)得到客戶關(guān)心“管理”一詞具備兩層含義。
1.并非只是對車機進行加熱，而是根據(jù)不同工況的熱需求為汽車提供合適的工作溫度，高溫時對車機的冷卻，雖不是加熱，但也屬于熱管理的范疇。再者，不論是加熱還是散熱都不是簡單線性的一項指標，熱管理是控制工作溫度在一定的區(qū)間內(nèi)，在盡可能小的成本下，使汽車良好運行。
2.汽車既然有散熱、加熱需求，其本身也可以通過良好的工業(yè)設(shè)計達到余熱回收的目的，實現(xiàn)熱量有效的利用，亦是汽車熱管理的含義之一。
冷啟動順利、防止“開鍋”。對于傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的熱管理系統(tǒng)中，熱管理的目的主要是兩項：傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車當(dāng)發(fā)動機熄火一段時間后，此時發(fā)動機已經(jīng)冷卻，其溫度低于正常工作溫度，機油由于重力作用回流到油底殼。車輛再次啟動時，需要通過機油泵將油底殼中的機油重新通過油道輸送至各個運動部件和摩擦副中，并建立、保持一定的油壓。
而在冬季寒冷地區(qū)，比如東北-35℃下，汽油的霧化性極差，啟動時必須噴射遠高于正常啟動的油量才能夠獲得有條件燃燒的混合氣，并且點火困難，低溫啟動時間明顯較長，一般來說-35℃在 15s 內(nèi)啟動成功都屬正常現(xiàn)象，缸內(nèi)直噴對于冷啟動性能會有所改善。由于機油溫度很低，粘度變大，在低溫工況下很難快速潤滑發(fā)動機各零部件，所以需要時間來提升油溫；另外一方面，發(fā)動機內(nèi)部各零件的間隙較大，需要經(jīng)過時間預(yù)熱，預(yù)熱膨脹后才能逐步達到規(guī)定間隙，如果在機油輸送和油壓建立的過程中，部件之間尚未形成油膜，尤其是缸蓋中的氣門液壓挺柱，需要經(jīng)歷充油的過程，此時氣門間隙較大，氣門閉合落座時將產(chǎn)生正常的機械“噠噠”聲。冷啟動困難引起的機械磨損對于發(fā)動機的影響是非常嚴重的，發(fā)動機 80\%以上的磨損都是在冷啟動階段造成的。
“開鍋”是指防凍冷卻液沸騰，呈現(xiàn)出“水被燒開”的狀態(tài)。冷卻液在正常的狀態(tài)下是不會達到沸點的，如果出現(xiàn)“開鍋”情況那就意味著冷卻液失效、循環(huán)冷卻系統(tǒng)故障等熱管理問題。
近年來，國內(nèi)汽車行業(yè)迅猛發(fā)展，涌現(xiàn)出不少自主品牌，熱管理問題也日益突出，在空間有限的發(fā)動機艙內(nèi)布置冷卻模塊必然會對冷卻空氣的流動造成很大阻礙，導(dǎo)致可能出現(xiàn)局部過熱、冷側(cè)空氣流動不良等問題。如果整車廠對冷卻系統(tǒng)換熱器的選配沒有經(jīng)過合理的計算分析，就去選擇換熱器和風(fēng)扇，這會導(dǎo)致冷卻模塊之間的匹配以及冷卻模塊與發(fā)動機之間的匹配出現(xiàn)問題，導(dǎo)致低速工況或爬坡等極限工況出現(xiàn)冷卻液溫度過高，進而導(dǎo)致發(fā)動機“開鍋”。進一步導(dǎo)致連桿、活塞、活塞環(huán)等部件的強度降低或者變形，以至于汽車難以承受正常的駕駛負荷以及破壞各零件間的正常工作，影響整車工作的可靠性。艙內(nèi)供熱、為三電系統(tǒng)提供合適工作溫度傳統(tǒng)內(nèi)燃機熱效率可以達到 40\%左右，通過有效的熱管理系統(tǒng)可以回收發(fā)動機產(chǎn)生的余熱，提供給駕駛艙進行供暖。但是，新能源汽車沒法利用燃燒產(chǎn)生的熱量，主流制熱方案有空氣（風(fēng)暖）PTC、水暖 PTC 和熱泵空調(diào)等。PTC 熱敏電阻型加熱系統(tǒng)的發(fā)熱原理簡單，是依靠電流通過電阻生熱，純電動汽車上用的 PTC 是一種半導(dǎo)體熱敏電阻。PTC 的特性是隨著溫度的升高 PTC 材料的阻值也會升高，這個特性決定了恒電壓情況下，PTC 加熱器在溫度低的時候加熱快，而溫度上升后阻值變大，電流變小，PTC 消耗的能量變少，這樣就能保持溫度相對恒定。
PTC 水暖往往和電機冷卻水路并在一起；風(fēng)暖 PTC 就是直接將 PTC 安裝在駕駛室的暖風(fēng)芯體處，通過鼓風(fēng)機將車內(nèi)空氣循環(huán)起來并通過 PTC 加熱器，直接加熱駕駛室內(nèi)的空氣，結(jié)構(gòu)相對簡單 。
PTC 技術(shù)具有成本低、制造工藝簡單、加熱迅速等優(yōu)點，但是采用 PTC 對電動車供暖會嚴重削減汽車的續(xù)航里程，并且 PTC 技術(shù)的 COP 小于 1，效率較低。在此背景下，熱泵技術(shù)更為所關(guān)注。從原理角度上講，熱泵核心原理就是逆卡諾循環(huán)，熱泵消耗的功可以使環(huán)境中的熱量遷移到高溫?zé)嵩瓷?，其效能系?shù)大于一并不違反熱力學(xué)第一定律，即能量守恒定律，因為高溫?zé)嵩此盏臒崃坎粌H僅來自熱泵所消耗的功，也來自低溫?zé)嵩矗创髿猸h(huán)境）中的熱量。而 PTC 技術(shù)從能量轉(zhuǎn)化的角度僅僅是電能轉(zhuǎn)變成熱能，所以 COP 值在理想情況下最高也只能達到 1。
動力電池高效工作溫度區(qū)間較窄，熱管理系統(tǒng)是維持電池性能和安全的關(guān)鍵。20-35℃是動力電池的高效工作溫度區(qū)間，溫度過低導(dǎo)致電池充放電功率性能下降，縮短續(xù)航里程；溫度過高 45℃會產(chǎn)生電池?zé)崾Э仫L(fēng)險，威脅整車安全。
另一方面，電動車動力電池要求溫控均勻一致，過大的差異會造成內(nèi)耗，降低電池充放電循環(huán)效率，影響電池的功率和能量發(fā)揮，嚴重時還將導(dǎo)致熱失控，影響系統(tǒng)安全性與可靠性。為了使電池包發(fā)揮最佳的性能和壽命，需要對電池進行熱管理，通常需要復(fù)雜、精細的冷卻回路，維持電芯溫度一致性，將電池包溫度控制在合理的范圍內(nèi)。
傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車熱管理系統(tǒng)架構(gòu)
內(nèi)燃機作為傳統(tǒng)汽車的“心臟”，也作為主要的高溫?zé)嵩?，傳統(tǒng)汽車熱管理系統(tǒng)也圍繞著發(fā)動機冷卻進行。發(fā)動機工作溫度高，需通過水路循環(huán)及時散熱。傳統(tǒng)內(nèi)燃機在工作時氣缸內(nèi)最高溫度可達 1500℃，若不及時將熱量散發(fā)出去，發(fā)動機工作產(chǎn)生的熱量會使其迅速升溫，最終使活塞和缸體粘連導(dǎo)致發(fā)動機報廢。發(fā)動機熱管理系統(tǒng)主要由水泵、發(fā)動機水套、節(jié)溫器、暖風(fēng)、散熱器及管路等部分組成。通過水泵將散熱器中的冷卻液泵入到發(fā)動機水套內(nèi)，冷卻液與發(fā)動機壁面通過熱交換帶走發(fā)動機燃燒產(chǎn)生的熱量，從而降低發(fā)動機熱負荷，降低其在大負荷工況下溫度過高的風(fēng)險。冷卻液流出發(fā)動機后，分兩路分別流向節(jié)溫器和暖風(fēng)散熱器，暖風(fēng)水路在發(fā)動機任何工況下均處于流通狀態(tài)，以確保駕駛員根據(jù)需求隨時可通過暖風(fēng)的熱交換將發(fā)動機熱機后的冷卻液的熱氣吹入駕駛室內(nèi)。
發(fā)動機帶動機械水泵提供循環(huán)動力，節(jié)溫器控制大小循環(huán)切換。發(fā)動機溫度低時，冷卻液走小循環(huán)減少散熱，使得水溫快速提升到最佳溫度，改善排放性能。溫度高時，冷卻液走大循環(huán)通過散熱器和風(fēng)扇增加散熱效率。
電子節(jié)溫器技術(shù)與傳統(tǒng)熱管理方案相似，其主要差異在于將傳統(tǒng)的機械式節(jié)溫器更換成電子節(jié)溫器。傳統(tǒng)節(jié)溫器是將感應(yīng)溫度的石蠟結(jié)構(gòu)浸泡在發(fā)動機冷卻液中，當(dāng)冷卻液溫度升高后，石蠟受熱膨脹后將節(jié)溫器閥門頂開，從而開啟冷卻系統(tǒng)大循環(huán)。電子節(jié)溫器是通過 ECU 發(fā)送信號加熱電阻來實現(xiàn)石蠟加熱膨脹，從而開啟冷卻大循環(huán)。與傳動的節(jié)溫器相比，電子節(jié)溫器的響應(yīng)更快、溫度調(diào)節(jié)范圍更寬。
傳統(tǒng)熱管理方案中大循環(huán)驅(qū)動水泵為機械水泵，機械水泵通過發(fā)動機曲軸驅(qū)動輪系多楔帶帶動轉(zhuǎn)動，當(dāng)水泵帶輪與曲軸皮帶輪速比確定后，水泵的轉(zhuǎn)速完全由發(fā)動機轉(zhuǎn)速決定，因此水泵的泵水能力無法與發(fā)動機負荷完全匹配，只能隨轉(zhuǎn)速提升而增大流量。
電動水泵能夠從根本上解決了這個問題，電動水泵可以根據(jù)發(fā)動機不同的工況通過 ECU 控制實現(xiàn)開關(guān)，尤其在發(fā)動機冷起動階段，電動水泵可以停止泵水，從而使發(fā)動機內(nèi)部冷卻液處在小循環(huán)，實現(xiàn)快速升溫，以達到快速暖機的效果。另一方面，電動水泵也可以與電子節(jié)溫器配合使用，以達到更好的冷卻控制效果，實現(xiàn)快速暖機。
傳統(tǒng)內(nèi)燃機還有兩項專有的重要技術(shù)，增壓、EGR（廢氣再循環(huán)）。渦輪增壓系統(tǒng)利用發(fā)動機排氣動能壓縮進氣，提高充氣效率，有益于混合氣的形成以及缸內(nèi)燃燒；而廢氣再循環(huán)系統(tǒng)通過將部分廢氣返回到發(fā)動機氣缸再次燃燒，主要是為了減少尾氣中氮氧化物含量。但這兩項技術(shù)分別需要對于熱管理的需求都很高，所以傳統(tǒng)內(nèi)燃機架構(gòu)中必不可少的就是中冷器和 EGR 冷卻器。
傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車熱管理模塊拆分成發(fā)動機、空調(diào)、進氣三個子版塊，總計整個熱管理系統(tǒng)的單車價值量在 1960-2910 元之間。而隨著電子水泵、電子節(jié)溫器等零部件的滲透，單車價值量會繼續(xù)提升。
相比于傳統(tǒng)燃油車，新能源汽車的主要區(qū)別在于燃油發(fā)動機系統(tǒng)被三電部件（電池、電機、電控）取代，相應(yīng)的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)變?yōu)閯恿﹄姵責(zé)峁芾砗碗姍C電控冷卻系統(tǒng)，原有的汽車空調(diào)系統(tǒng)雖然保留，但是失去了原有的能量源發(fā)動機，因此其主要部件也有較大變動。新能源汽車熱管理系統(tǒng)包括座艙熱管理（制熱和制冷）、電池系統(tǒng)熱管理（制熱和制冷）以及電機電控冷卻系統(tǒng)三部分構(gòu)成。
客車等商用車中通常采用四通換向閥等進行模式切換, 而乘用車空調(diào)目前主要采用三通閥的三換熱器系統(tǒng), 通過電動二通閥或電動三通閥實現(xiàn)制冷、制熱、除濕和蒸發(fā)器除霜模式的切換. 冬季制熱運行時, 車外換熱器(蒸發(fā)器)溫度可能低于室外空氣的露點溫度, 從而導(dǎo)致結(jié)霜現(xiàn)象, 當(dāng)霜層太厚時需要進入除霜模式, 除霜模式的系統(tǒng)流程與夏季制冷模式一致. 乘用車除濕工況時,空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)先經(jīng)過車內(nèi)蒸發(fā)器降溫, 將空氣中的水蒸氣凝結(jié)排出, 再經(jīng)過車內(nèi)冷凝器加熱回溫后送回車室內(nèi), 達到除濕的目的。
冷卻器（Chiller）是熱交換器的一種，其融合了蒸發(fā)器和換熱器的功能，是耦合電池液冷回路和座艙空調(diào)回路的關(guān)鍵部件，也是采用液冷方案下的新能源汽車熱管理系統(tǒng)的增量部件之一。從工作原理上看，Chiller 的內(nèi)部主體由一層層的板式換熱片堆疊組成，分為冷媒回路（蒸發(fā)器）和冷卻液回路（換熱器），冷卻液和冷媒以對流的形式在其內(nèi)部流動。在換熱器主體中，冷卻液和冷媒隔層間隔開，相互形成三明治結(jié)構(gòu)。對流過程中熱量從冷卻液轉(zhuǎn)移到冷媒上，以實現(xiàn)換熱。電池冷卻的效率由 Chiller 的功率大小、水泵功率的大小、冷卻液流速、冷媒流速等因素決定。
壓縮機是空調(diào)系統(tǒng)的“心臟”，其作用是將低溫低壓的氣態(tài)冷媒從低壓側(cè)吸入壓縮，使其溫度和壓力升高，再泵入高壓側(cè)成為高溫高壓的氣態(tài)冷媒，往復(fù)循環(huán)，是連接空調(diào)回路低壓側(cè)和高壓側(cè)的關(guān)鍵。在燃油車車上壓縮機一般由發(fā)動機皮帶驅(qū)動，目前電動壓縮機的產(chǎn)品技術(shù)相對成熟，分為旋轉(zhuǎn)式（旋葉式、渦旋式和轉(zhuǎn)子式）和往復(fù)活塞式（斜盤式和曲柄連桿式）兩大類，在傳統(tǒng)燃油驅(qū)動的乘用車上常用的是斜盤式、渦旋式和旋葉式，其中斜盤式壓縮機是往復(fù)式壓縮機的主導(dǎo)產(chǎn)品，已經(jīng)發(fā)展多年，工藝比較成熟，主要用在大排量乘用車，但能耗較高。
新能源汽車由電力驅(qū)動，因而只能采用電動壓縮機。相比于皮帶驅(qū)動的壓縮機，電動壓縮機需要額外增加一個電機和控制器，因而其價值量相比于傳統(tǒng)壓縮機提升顯著。從技術(shù)和市場趨勢上看，考慮到新能源汽車對于能耗和噪聲的要求相比于傳統(tǒng)車高，特別是熱泵空調(diào)系統(tǒng)需要壓縮機具備高壓縮性能，因而其技術(shù)壁壘較高，目前全球市場格局仍被主流壓縮機廠商主導(dǎo)，如電裝、日本三電、翰昂（三家占比80\%以上）等。國內(nèi)廠家中奧特佳在自主品牌中份額較高，家用空調(diào)巨頭如格力等也開始借助強大的電動壓縮機技術(shù)切入車用熱泵空調(diào)領(lǐng)域。目前主要的電動壓縮機采用的是具有效率高、噪聲小、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、體積小等優(yōu)點渦旋式方案，如電裝自主開發(fā)的渦旋式壓縮機具有氣體噴射功能，能提高循環(huán)制冷劑的流量速率，從而改善熱泵空調(diào)的加熱性能。
膨脹閥又稱節(jié)流閥，是連接空調(diào)回路高壓側(cè)和低壓側(cè)的關(guān)鍵。熱力膨脹閥的原理與結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，廣泛應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)中，但是隨著空調(diào)節(jié)能需求的提升，變頻空調(diào)逐漸成為主流，熱力膨脹閥由于具有響應(yīng)速率慢、調(diào)節(jié)范圍小、精度低等缺點，正逐漸被電子膨脹閥（EXV）取代。EXV 在傳統(tǒng) TXV 上加入一個微型電機調(diào)節(jié)開度，從而控制回路流量，是可以實現(xiàn)“無極變速”調(diào)節(jié)功能的膨脹閥。從工作原理上看，EVX 同樣需要感知蒸發(fā)器出口的壓力和溫度，因而需要增加傳感器和控制器形成控制回路，因而 EXV 相比于同規(guī)格的 TXV 單價提升可達 2 倍以上。目前電子膨脹閥的市場滲透率不到 30\%，仍有較大的提升空間，且提升趨勢相對明確。
相比于傳統(tǒng)車，新能源汽車電動化和智能化的特點使得電子膨脹閥的應(yīng)用更加廣泛，在整車熱管理系統(tǒng)中，除了原有的座艙熱管理系統(tǒng)中的汽車空調(diào)需要將 TXV升級為 EXV 外，跟據(jù)整車耦合方案的不同，電池和電機電控的冷卻回路還需要額外增加 1 到 2 個 EXV；在熱泵空調(diào)系統(tǒng)中，除了原有制冷回路下的 EXV 外，制熱回路根據(jù)技術(shù)方案的不同也可能需要再增加 1 個 EXV，因而在新能源汽車上 EXV 的整車配套量和價值量將翻倍。
新能源車無發(fā)動機作為熱能來源，同時新增了電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，由于電池以及功率元件性能對溫度的敏感性，新能源車熱管理方案以及零部件都有較大變化，催生了對 Chiller 換熱器、冷卻班、電子膨脹閥、電子水泵、電子水閥、電動壓縮機等零部件的需求，同時新增 PTC 加熱器或熱泵系統(tǒng)，雖然沒有了中冷器、EGR 冷卻器的需求，但總體來看新能源車熱管理單車價值量幾乎是傳統(tǒng)燃油車的兩倍，提升至5300-6400 元左右。乘聯(lián)會數(shù)據(jù)顯示，2022 年 H1 我國新能源汽車滲透率約 22\%。我們預(yù)計，2025年國內(nèi)新能源汽車滲透率或達 50\%，年銷量達到 1500 萬輛。假設(shè)傳統(tǒng)乘用車熱管理系統(tǒng)單車價值量 2500 元，新能源乘用車熱管理系統(tǒng)單車價值量 6000 元，按該假設(shè)的銷量規(guī)模和單車價值量測算得上述國內(nèi)乘用車熱管理系統(tǒng)市場規(guī)模。我們預(yù)測，2025 年國內(nèi)乘用車熱管理市場規(guī)模或超 1275 億元，2021-2025 年 CAGR 約 18\%；其中新能源約 900 億元，2021-2025 年 CAGR 約 45\% 。
