中国新能源汽车热管理技术发展报告

第1章 研究背景
1.1 新能源汽车发展现状及趋势
面对能源安全、气候变化等方面的挑战,我国高度重视汽车工业的可持续发展,不仅将新能源汽车行业列为我国重大战略性产业之一,还出台了一系列政策法规,从税务减免、资金补贴等方面促进新能源汽车的长期平稳发展。另外,我国已经基本建立了支撑新能源汽车产业发展的标准体系,已发布新能源汽车标准97项(国家标准72项,行业标准25),涉及新能源汽车安全、整车及关键系统部件、电池回收利用、基础通用等标准。
目前,全球累计新能源汽车销量超过1100万辆。受碳排放法规加严、各国补贴政策刺激等影响,2020年全年,欧洲地区新注册新能源乘用车136万辆,市场份额约11.4%,同比增长143.8%,德国同比增长278.71%,意大利同比增长242.47%,主流车企市场占有率逐步提高,加速电动化转型。截至2020年12月,我国新能源汽车累计销量已超过550万辆。新能源汽车销量趋势如图1所示。

图1 新能源汽车年度销量趋势
随着全球主要发达国家相继提出碳中和发展愿景,新的政策法规将推动全球汽车生产商逐步加大汽车电动化方面的投入。伴随着全球新一轮科技革命和产业变革蓬勃发展,汽车与能源、交通、信息通信等领域加速融合,将面临前所未有的发展机遇。新能源汽车将为世界经济发展注入新动能,同时,我国新能源汽车也将进入加速发展新阶段,在此阶段,融合开放将成为新能源汽车发展的新特征。可以说,面向我国“碳中和”伟大目标,新能源汽车已成为肩负未来出行、产业发展、能源安全、空气质量改善等多重历史使命的国家战略。
1.2 新能源汽车对热管理技术的需求
新能源汽车虽然蓬勃发展,但也正面临电池安全事故、续驶里程、电池寿命、供暖季续驶里程急剧下降、热管理系统含有强温室效应气体等瓶颈技术的制约。相较传统燃油车,新能源汽车中很多零部件需要加热和冷却,因此极度依赖准确的温度控制系统来保持相关部件及整车性能,因此热管理系统复杂度的提升必将带来成本的大幅提高。针对纯电动汽车及插电式混合动力汽车,车内的综合热管理需求等细分情况的粗略示意如图2所示。

图2 新能源汽车热管理总体系统图
可以说,完备的热管理技术是新能源车辆杜绝安全隐患、保障稳定运行、提升乘用舒适度的重要前提,是推动新能源车辆行业稳步发展的关键要素。因此,发展绿色低碳热管理技术,提升热管理效率,提高电池、电机的温度控制精度,创造更舒适的车内环境,成为打造更安全、舒适、节能、环保的未来电动汽车最重要的环节之一。

第2章 技术现状
2.1 新能源汽车热管理技术
新能源汽车热管理系统包含车室空调、电池包、电动机、电控系统温度控制等主要需求,热管理策略复杂,要求较高。
其中,车室空调系统主要有四种功能:采暖和制冷功能;过滤空气和通风换气功能;湿度自动控制功能;除雾除霜功能。为实现以上功能,目前常见的新能源车辆车室空调一般采用蒸汽压缩式制冷系统加PTC电加热的方式实现,也有将制冷系统升级为制冷/热泵系统,部分或全部取代PTC电加热的作用。在制冷循环的具体结构设置上,除了传统的标准循环之外,还有喷射补气式、余热回收式等具体实现方式。
其次,电池温度升高或降低可能引发热失控,如燃烧、爆炸、性能衰减、阴极刺穿等,是重要的不安全因素。动力电池冷却方式主要包括:①自然散热;②强制风冷;③液冷;④直冷;⑤相变材料;⑥热管冷却系统。应用较广的前三种方式对比如下。
表1 电池冷却方式对比

资料来源:《电动汽车动力电池系统安全分析与设计》,光大证券研究所整理。
而动力电池的加热技术主要为:电加热膜、PTC、高压电加热、HVH热层技术等,其能源转化效率均在80~90%左右。
再次,驱动电机主要冷却类型主要有两种,即液冷及风冷方式,两种方式对比如下。
表2  电机液冷及风冷散热方式的比较


最后,电控系统的冷却技术也很关键。通常使用的 IGBT(insulated gate bipolar transistor,绝缘栅双极型晶体管芯片)通过背面散热工艺片进行散热,而特斯拉model X的IGBT模块则设置了水冷装置。此外,新型的散热结构(Pin Fin和Shower Power)能够显著降低模块热阻,提高整体散热效率。
近年来,随着新能源汽车的快速发展,车载热管理系统正面临更为严峻的挑战。为解决整车热管理系统的现有问题,一体化整车热管理新框架及策略的构想应运而生,开发既满足乘员舱热舒适需求,又兼顾驱动电机、电池、电控系统的热管理系统,是新能源汽车高效、安全运行的保障。
2.2 压缩机
新能源汽车空调压缩机是指应用在新能源电动汽车中蒸气压缩式制冷、制热系统中的压缩机,为制冷、制热系统中工质的循环提供动力,由压缩机自带电机驱动,其所用制冷工质主要有R134a、R1234yf、R410A、R407C和CO2等。由于驱动方式的改变,新能源汽车空调压缩机的主要技术特征与性能要求如下:(1) 高效率、低噪声、轻量化、小型化。(2)适应更严苛的运行条件、更宽广的运行范围。(3)高安全性及可靠性。
新能源汽车行业普遍采用电动涡旋压缩机,该类型的压缩机具有以下优点:(1)不设吸气阀,不存在余隙容积,故容积效率高。(2)涡旋式压缩机多腔室连续运转工作,转矩脉动小,压缩机工作平稳;没有吸气阀,减少吸气阀引起的噪音源,噪声低;动盘运行回转半径小,轴系容易实现动平衡,振动小。(3)运动部件少,动、静涡盘的相对运动速度低,摩擦磨损很少,机械效率高、可靠性提高。
在空调压缩机市场,由外资企业所占据,如三电、电装、法雷奥、翰昂等,由于我国电动车市场引领全球,所以外资企业从2018开始在中国建厂生产电驱动压缩机供应全球。本土企业如南京奥特佳、海立、比亚迪等已经具备相当技术水平,其中奥特佳以涡旋式空调压缩机技术赢得了其在汽车空调压缩机领域的地位,是众多的自主品牌车型的主要供应商,在电动压缩机市场保有量约30%的市场份额;比亚迪自2014年研发并建设生产线,主要配套比亚迪新能源汽车, 近年保有较高的市场份额;重庆建设于1995年购买了Calsonic kansei 旋叶式压缩机技术,一直以旋叶式压缩机去获取市场,并于2018开始与翰昂成立合资公司致力于变排量压缩机与电驱动压缩机,希望能够在引领未来的电驱动压缩机以及变排量压缩机市场占有一席之地。近年来,国内新投资不少新能源汽车电动空调压缩机生产商,多数仍在产品试用或者小规模阶段。
2.3 换热器
为了应对日益增长的电池散热需求,液冷散热在电池热管理系统中的应用越来越广泛。电池散热器的常见形式包括水冷板结构、微通道管排管换热器、微通道蛇形管换热器等,分别如图3-5所示。

另外,板式换热器以紧凑、高效以及高质量、高性价比等产品特点,被行业广泛接受,通常用作电池冷却器、液冷冷凝器、油冷器等,并可与阀件等集成化制造为换热器组件。
除以上换热器外,新能源汽车中最主要的换热器应用场合是冷媒换热器。例如,冷凝器冷却介质为空气的换热器类型通常有管片式、微通道式。其中,微通道冷凝器使用较为广泛,通常由集流管、多孔扁管、百叶窗翅片、隔板、堵帽、边板、安装支架及其他附件组。而冷媒蒸发器安装于空调箱HVAC内,因空间限制,产品尺寸不宜太大,多采用双层多流程结构。室内冷凝器往往替代空调箱中暖风芯体的位置,其主要功能为制热、除湿工况下做冷凝器,对空调箱的冷风加热,给乘客舱提供暖风,其内部冷媒流动换热与冷凝器类似,较多采用微通道结构,但因为其较高的换热性能要求和较小的空间限制,通常采用双层流程结构。
随着新能源车辆热管理技术的不断发展,采用纯天然工质CO2替代传统氟利昂的呼声极高,被视为理想的终极解决方案。而CO2跨临界循环的放热过程处于超临界区,放热过程中其温度和压力为独立变量,物性参数变化剧烈,需开发传热性能好、耐高压的CO2气冷器。CO2气冷器通常有管翅式、微通道式。微通道换热器因其结构紧凑,质量小,换热效率高,且扁管设计可以承受很高的压力,而成为CO2气冷器首选。相反,CO2跨临界循环的蒸发过程处于亚临界区,饱和压力较高、蒸汽密度较高、饱和液体和饱和气体的密度比值较低。结合CO2热物理性质特点及微通道换热器特点,CO2蒸发器多采用微通道蒸发器;而微通道蒸发器冷媒分配,表面排水性能依旧是挑战。
2.4 阀件
在传统汽车空调系统中,采用阀件的数量很少。而在新能源汽车热管理系统中,随着电池冷却和热泵技术的应用,催生出各种新型的控制阀件,其中主要包括两种类别:冷媒系统控制阀件与冷却液系统控制阀件。冷媒系统控制阀件设置在冷媒回路中,直接与高压制冷工质接触,包括带电磁阀的热力膨胀阀、电子膨胀阀、电磁阀、电动切换阀、电动大口径冷媒控制阀、单向阀等,为制冷剂回路提供节流作用、分路作用、流量控制作用、模式切换作用。
而在新能源汽车中,冷却液系统往往更加复杂,需要兼顾电池冷却、电机冷却和电控系统的冷却;在混合动力汽车中,还需要管理发动机和进排气系统的冷却。因此,新能源汽车热管理冷却液阀一般采用电子控制冷却液阀,一般分为电磁式控制阀和电动式控制阀。冷却液控制阀包括两通截止阀、三通切换阀、三通比例调节阀、四通换向阀等。两通截止阀通常应用在回路需要切断的场合,而三通切换阀和三通比例调节阀通常用在回路需要旁通冷却液或者切换冷却液流向的场合。另外,新能源车辆中还需要通过冷却液四通阀来实现电池的低温冷却(冷媒系统冷却)和室外环境冷却。
2.5 管件和密封
新能源车辆热管理系统中的管件和密封主要包括制冷剂系统的管路及密封,及冷却液系统的管路及密封两个部分。
汽车空调制冷剂管路一般由铝管、橡胶软管及其他管路附件如接头(压板、螺母等)、配件(护套、铝套、充注口、视液镜、压力开关、电磁阀、支架、O型圈、堵帽等)组成。其中由压缩机到膨胀阀之间的汽车空调管路为高压管,由膨胀阀到压缩机之间的汽车空调管路为低压管。除了常见的金属铝管之外,还有一种称为同轴管的应用方法,通过冷凝器出口高温流体与蒸发器出口低温流体之间的回热,实现余热回收与性能提升。
除了金属硬管之外,车辆中还需要采用对振动具有缓冲和减震作用的空橡胶胶管进行管道连接,一般分为普通管和高温管两类。普通管为低压区胶管,工作压力最大为1.5MPa,工作温度为-40℃~+125℃;高温管为高压区胶管,工作压力最大为3.5MPa,工作温度为-40℃~+140℃。传统橡胶软管的密封采用扣压结构,首先将硬管进行滚槽端部成型,然后套入O型圈;然后将带O型圈的硬管通过工装塞入软管,最后连接处尾套上进行扣压密封。
汽车空调管路的接头形式有很多种,目前应用比较广泛的接头形式为螺纹连接和压板连接,连接处的密封性通常采用O型圈密封或密封垫圈密封等。
近年间,专为天然工质CO2开发的新型空调软管结构通常采用不锈钢波纹管,而软管结构的阻隔层选用波纹管,是为了阻隔CO2小分子穿透并渗透到外侧,并保留一定的柔软度和弹性,如图6所示。


图6 CO2软管结构
另一方面,汽车冷却液管路常见的方案为:EPDM橡胶软管、TPV胶管及单层/多层塑料管。
2.6 集成技术
随着热管理系统复杂性的增加,热管理零部件的集成需求越来越多。部件的集成可以大大减少管路的连接,减少泄漏,降低成本,减少系统应用时的匹配工作。其中常见的集成思路包括:膨胀阀和板式换热器的集成;压力传感器、膨胀阀与智能电池冷却器的集成;水路管件的集成等,如图7-10所示。其中,水路管件集成可以包含电池冷却器(冷媒-水换热)、电池加热器(水-水换热)、热力膨胀阀、电磁阀、水路集成分配调节阀、多个水路单向阀以及安装支架等。

2.7 压力传感器/ 压力温度集成传感器
对于研究和实现高效的制冷制热循环系统,压力传感器不可或缺,而随着技术的发展与温度控制的精准性需求,压力温度集成传感器应用也越来越广泛。
在新能源汽车发展大趋势下,热管理系统迎来了前所未有的技术变革,需要同时考虑驾驶舱、电机、电池热负荷,制冷剂回路,冷却水回路,制冷制热工况等等多种设计点,因而需要布局更多温度和压力信号控制点。如果采用单独的压力或温度传感器会导致安装阀座过多,线束也会过多,将会占用太多的有限前舱空间,不符合电动车集成化轻量化趋势,因此集成化压力温度传感器就变得尤为必要。压力传感器的技术路线包括MEMS压力传感器、陶瓷电容压力传感器、厚膜电阻压力传感器、金属厚膜压力传感器、玻璃微熔压力传感器等。
2.8 风机
新能源车辆中的风机包括前端模块的冷却风扇与HVAC中的鼓风机。冷却风扇是汽车热管理系统的重要组成部分,通过为各种前端散热模块提供换热风量,增强发动机、空调系统以及三电系统(电机、电驱和电控)的性能。现阶段冷却风扇主要是轴流式风扇,大部分为吸风式,归属于热管理系统的前端模块部分,布置在前端模块的后端。鼓风机在空调系统中起到使空气在车厢里循环或吸进车外新鲜空气等作用,进而辅助空调系统的制冷、加热、换气和空气净化功能。乘用车通常使用一个鼓风电机,高端车会装第二台鼓风电机于中部。鼓风机的风扇是离心式风扇,安装于空调系统(HVAC)的涡壳中。
2.9 制冷剂的发展现状
    汽车空调系统制冷剂的选择对于行业发展具有非常重要的影响,新能源汽车热管理系统与传统燃油车热管理系统相比有其特殊性,因此在进行环保制冷剂替代方案选择时除了考虑传统燃油车制冷剂替代时需要满足的与现有系统的匹配性(和现有零部件以及润滑油的兼容性)、运行可靠性以及环保安全特性(包括高能效、0 ODP、低GWP和无毒无害)等要求外,还需重点考量制冷剂的热泵工况制热性能。
目前新能源汽车制冷剂方面,乘用车主要采用R134a作为制冷工质,商用车多采用R407c、R410a作为制冷工质,皆为氢氟烃(HFC)类工质,全球气候变暖潜值(GWP)分别为1340、1700和2025,远高于国际标准中关于汽车空调用制冷剂GWP值不得高于150的要求,属于《蒙特利尔协议》和《基加利修正案》中需要严格限制生产和使用的工质。因此,寻找以及开发环保型替代方案已经迫在眉睫。
新能源汽车热管理领域替代制冷剂的主要选择准则包括:制冷剂具有良好的热力学性能、能够适应热泵运行和制热需求、满足环保(ODP为0,GWP要低)和安全性要求、生产成本和制冷剂替代成本综合要低,目前潜在的替代方案主要有HFO类工质、低GWP值的HFC类工质、纯天然工质以及混合工质等。满足以上要求的制冷剂主要有:①R1234yf具有与目R134a相近的物理性质,几乎可以直接替代当前的R134a系统;但其在低温下,制热性能与R134a同样衰减严重,需辅助PTC加热才能满足低温制热需求,节能效果不明显;另外,其受美国霍尼韦尔布局的大量专利群限制,应用成本较高,存在技术受限风险。②R32具有较为优异的制冷和制热性能,可以满足新能源汽车的应用需求;但是其一是微可燃性,二是GWP值仍较高,为675,远大于欧盟GWP<150的要求。③R290制冷制热性能同样相对较优,环境友好,GWP仅为3;但是易燃易爆,应用在汽车领域安全性仍需进一步论证。④R152a的GWP为124,虽满足欧盟要求,但是具有可燃性,使用二次回路统对负荷变化响应速度很慢,系统配置相对比较复杂,设计成本高。⑤ R445a作为混合制冷剂,制冷性能与R134a相当,低温制热性能略好一些,但提升较小,且为混合工质,微泄露就可能导致能衰减严重。⑥ CO2作为天然工质环保无污染,具有强劲的制热特性,完全满足新能源汽车在低温下的制热需求;但是高温制冷性能略差一些,通过合理的设计优化可以弥补部分不足;另外研发成本导致零部件价格偏高。
我国汽车空调领域未来的制冷剂替代发展路线目前尚未明确,上述几种替代方案均存在各自的优势和局限,未来的替代发展路线目前还无法确定,建议充分发挥各种制冷剂自身优点,应用于各自的优势领域。
(1)R1234yf几乎可以直接替代R134a系统,但其制热性能差,同时其居高不下的价格时制约发展的主要因素,降低成本才能促进其产业应用发展。
(2)CO2具有优异的低温制热性能,能完全满足汽车车室冬季供暖需求,是一种很好的替代方案,制冷性能提升以及零部件低成本化是促进其发展的关键。
(3)R290具有良好的制冷制热综合性能,但是易燃易爆特性严重限制其在新能源汽车领域的使用,目前亟需建立健全相关可燃性工质安全应用法规,并从降低充注量或构建二次循环等角度入手提升其安全性能,R290才能在新能源汽车热管理领域迎来良好发展。
2.10 新能源汽车热管理应用
新能源乘用车的整车热管理方案兼顾车室冷热供给、电池、电机、电控热管理、挡风玻璃除霜除雾、前端换热器冬季化霜等多种功能以及相互之间的耦合、交叉切换,多功能模式的需求驱动一体化设计方向的发展;零部件数量的增加,系统愈趋复杂,传统分散式布置方式也越来暴露其弊端;受当前制冷剂替代技术路线尚不明确影响,新能源乘用车热管理系统的流程、布局等也呈现多样性,但以特斯拉为代表的热管理系统已经向着一体化设计、零部件集成等方向发展,无论最终选择何种技术路线,受国际合约限制、精细化温度管理、用户多样需求、路况复杂多变等趋势,下一代新能源乘用车的将向着绿色高效化、功能一体化、结构模块化、控制智能化方向发展。
新能源商用车的热管理与乘用车类似,同样需要考虑电池、电机、电控的精细化温度管理,但是其也有显著的特点:①空调顶置送风;②空间大,热管理部件离空调一般较远;③启停、开门频繁,热负荷变化大。这都对商用车热管理系统提出新的挑战。商用车热管理系统同样向着绿色高效化、功能一体化、结构模块化、控制智能化方向发展。
新能源卡车类汽车多以纯电动卡车和燃料电池为主,纯电动技术基本已经成熟,但电池的能量密度比、充电时间、续航时里程等因素严重影响卡车的物流属性。对电池、燃料电池电堆的热管理技术也是需要解决的关键技术,相比纯电动,燃料电池卡车在乘员舱制热的情况下,电堆同样有强冷的热管理需求。
新能源汽车的面临的低温续航衰减、高温续航衰减等问题,以及乘客对热舒适性需求的增加,都对热管理系统提出了挑战,愈趋复杂的系统布局和运行模式导致开发成本增加,优化潜在空间大,理论仿真是解决以上问题的有效途径之一。依靠成熟的商业软件,耦合用户二次开发,对结合整车的全套热管理系统进行理论仿真和系统优化,可以提前预知全工况性能及优劣,大大降低开发成本,增加系统的设计合理性。目前,常用的软件平台包括GT-suite、Dymola、FlowMaster、Magna Kuli等商业软件,都可以全面的对整车热管理及能量分配问题进行理论仿真。
此外,实际的动态运行性能、稳定性、舒适性直接受系统的控制影响,在未来愈趋复杂和舒适性驱使下,结合5G技术的智能化控制是实现功能、保障安全性、能量合理分配的有效解决方案,诸如极值搜索(ESC)、模型预测控制(MPC)算法,都是解决能量智能管控的关键,然而,结合不同的车型需求,智能算法如何进一步适应热力系统热惯性等,以及算法的鲁棒性、控制精度自优化等都是智能化控制发展需要研究的问题。
第3章 发展展望及建议
3.1 市场格局
3.1.1 全球碳排放政策倒逼新能源车辆加速发展
“低碳经济、节能减排”成为了全世界经济发展的新思路与新格局。汽车行业作为现今能源消耗与污染排放均名列前茅的工业领域,其能源利用方式的新能源化与车辆热管理技术的快速发展与成熟,是全球车辆领域(包括乘用车、商用车、轨道车辆等)下一步的发展方向和必然趋势。
应对基加利修正案,欧盟、美国、日本等国家都相继出台了对汽车空调工质的GWP限定方案。此外,欧洲、日本、韩国、美国等国家也已经确定2050年达到碳中和,我国也于2020年提出了2030碳达峰、2060碳中和的伟大目标。全球长期零碳排的方向已经基本确定,新能源车辆及其热管理技术作为道路交通行业碳中和的必要路径,在以上相关政策的导向和支撑下,即将迎来超大规模的市场需求。
3.1.2 新能源车辆热管理行业市场前景巨大
新能源汽车是全球汽车行业的重要发展方向,也是我国汽车产业转型升级的重要发展战略。为推动我国新能源汽车产业的快速发展,多年来我国政府出台了一系列激励政策,使得我国在新能源汽车领域走在了世界前列。此外,随着特斯拉在国内市场的引领和导向作用,全国中端及高端新能源车辆的提升趋势已经被明显加强,而中端车及高端车作为新能源车辆产业新的切入点与更大规模的产业需求,标志着新能源汽车正在进入全面市场化的转折点,行业供给端正在全面打开,为行业增长提供了充足的原动力。
按照合理预测,考虑到我国及全球车辆新能源化发展的大好前景,2025年我国和全球新能源汽车销量有望达到700万辆及1200万辆的级别,因此新能源车辆热管理系统在2025年的全球市场规模十分有望超过千亿级别。
3.1.3 新能源车辆热管理行业竞争格局已经初见端倪
从竞争格局上看,国内新能源汽车热管理市场参与者主要有两类:第一类参与者是全球传统汽车热管理巨头,如电装、法雷奥、马勒、翰昂等。以上全球行业巨头所涉及的传统汽车热管理技术及产品已相对成熟,进入新能源汽车热管理领域的时间较早,在国内新能源热管理领域的优势在于技术研发积淀深厚,且已拥有较为成熟的产品体系,但也存在产品价格高、决策链条长等劣势。第二类参与者是本土汽车热管理龙头企业,如三花、银轮、松芝、奥特加、及国内新兴热管理类零部件企业等。这类企业主营业务为传统汽车热管理零部件,近年积极拓展新能源汽车热管理领域。相较海外巨头,本土汽车热管理龙头具有转型意愿强烈、熟悉国内消费者偏好、产品价格有优势、成本管控力强、公司体制及管理方式灵活等优势。
3.1.4 热管理零部件需求大增,国内相关产业迎来弯道超车的机会
我国新能源汽车发展规划指出,2025年新能源汽车销量将占总销量20%,新能源汽车保有量达2000万辆以上;2030年新能源汽车将占汽车总销量40%,新能源汽车保有量超8000万辆。新能源汽车的保有量越来越多,零部件及整车热管理系统的需求量也是越来越大,各个车企规划新能源汽车产品战略。
虽然外资企业并借着其在传统车热管理领域的技术储备与资金优势,已经率先进入国内市场并抢占了先机,但以三花、银轮、松芝、奥特加等为代表的国内资本与企业同样可以后发制人,从热管理零部件为切入点,布局新势力等增量市场,再逐步向综合性的整车热管理系统升级。新能源汽车热管理市场竞争格局未定,国内企业有望凭借市场响应快及成本优势实现弯道超车。目前技术及市场发展仍处于起步阶段,竞争格局尚未固化,快速发展和变化中的市场为国内优秀热管理企业带来了新的成长机遇。国内优秀的汽车热管理企业,如三花智控、银轮股份、奥特佳等,凭借高质量的产品、周到的服务及有竞争力的价格,正加速切入以特斯拉为代表的新能源头部车企的配套体系中,未来市场地位有望持续提高。
3.2 发展展望
随着汽车产业的深入发展,电动化、智能化、网联化、共享化将成为未来汽车产业发展的重要方向。汽车“新四化”的提出对新能源汽车热管理系统有了更高的要求,同时也在一定程度上为其发展指明了方向。新能源汽车热管理系统的长远发展,除了要提高整体能效,增加电动汽车的续航里程,还应兼备高度集成化、热害控制、远程控制、座舱环境个性化、宽温区高效化、关键零部件开发、环保工质替代等关键技术。综合而言,在当前新能源汽车发展以及碳中和目标的背景下,新能源汽车热管理行业也向着绿色化、一体化、模块化、智能化的“新四化”发展。
3.2.1 绿色高效化
习近平总书记在2020年9月22日第七十五届联合国大会一般性辩论上提出,我国争取在2060年实现碳中和,我国汽车体量大,新能源汽车发展规划指出2030年新能源汽车销量占比达到40%。因此,汽车热管理系统绿色高效发展也将成为我国实现碳中和的有力助力,绿色高效化成为新能源汽车热管理系统发展的核心。
绿色高效化一方面体现在强温室效应工质的减排,另一方面是体现在高效热泵技术的发展。国际上,欧洲已经禁止使用GWP高于150的工质,可选工质范围较窄,针对汽车空调R134a的替代制冷剂主要有R1234yf、CO2、R290等。R290随满足GWP要求,但易燃易爆;R1234yf 性质于R134a类似,GWP值仅为4,但是低温下仍然需辅助PTC实现制热,节能效果不明显,且受专利限制导致工质应用成本较高。以大众为大表的欧洲企业推出CO2热泵,具有强劲的低温制热特性,但是系统运行压力高,技术壁垒高,研发成本导致零部件配套成本较高,随着技术的进一步生产以及批量应用的推广,相信CO2系统零配件的价格将逐步降低,CO2热泵系统一旦经受住市场验证,会对新能源车热管理系统影响深远。
在我国,尚没有严格的政策限制工质应用,但是高GWP替代和低温制热两大问题,也已经让国内企业投袂而起。在为数不多的环保冷媒中,R1234yf相对安全且性能与R134a相近;CO2具有强劲的低温制热特性,这是其他环保冷媒无可媲美的,这一特点在新能源车上将凸显放大。当然,R1234yf受美国专利垄断,在经济利益驱使和当前复杂国际格局下,其是否可以作为我国新能源汽车热管理领域的长期选择也是值得思考的问题。
3.3.2 功能一体化
新能源汽车热管理系统不仅要兼顾车室内温度的冷热控制,更要对三电设备(电池、电机、电控)进行更为精细化的温度管理。另外,随着乘客对舒适性和安全性需求增加。一套多功能的热管理系统将成为主流。因此,应对高密度电池和电机/电控的精细化热管理、综合能效提升、乘员舱舒适性提升等关键问题,实现整车能量管控,功能一体化成为新能源汽车热管理系统发展的方向标。
当前,各大车载驱动电机制造商、整机厂也正在致力于新能源汽车热管理系统的功能一体化研究开发,功能的一体化也需兼顾整车安全性目标、动力性目标、续航能力目标、舒适性目标以及耐久性目标。更安全、更舒适的未来新能源汽车,多样化、多目标热管理需求驱使新能源汽车热管理系统的功能设计向着更为一体化的方向发展。
3.2.3 结构模块化
传统汽车空调部件相对简单,车载空调的结构布局形式往往也仅是适配车身结构,通过单一的部件安装连接,实现车室空调的功能。然而,随着新能源汽车的发展,热管理功能需求的复杂化、多样化和精细化,导致整车热管理系统的部件数量、接头数量呈爆发式增长。零部件的增加不仅导致接口数量成倍增加,可靠性降低,安装、维修成本增加。同时,零部件的分散式布置也带来振动、噪音的不可控性,给整车NVH带来挑战;热管理附件的增多带来的体积变大问题也给结构设计带来挑战。因此,在新能源汽车的快速发展和热管理批量产业化的驱动下,系统结构模块化成为热管理产业爆发式发展的关键。
热管理系统的结构模块化主要体现在两个方面, 零部件的集成和功能性结构模块。热管理系统结构的模块化在不同车型之间通用性增强,使得热管理系统在经历复杂化、多样化的发展后,又重新向着结构简洁的模块化方向发展,产业化效率大大提升。当然,这一发展也将造成供应结构发生变化,也会给热管理产业带来新的挑战和机遇。
3.2.4 控制智能化
新能源汽车热管理的精细化和功能的复杂化,在系统布局、结构设计的基础上,有效的控制策略是保障安全、稳定运行的前提。如何实现热管理的快、稳、准,就对热管理系统的控制提出挑战,在复杂需求驱动和智能化牵引下,热管理控制智能化成为未来精细化热管理的精髓。
控制智能化一是体现在热害控制,为保障充电过程中的安全性、防止电动汽车行驶或驻车过程中电池老化等造成的热失控,更好的解决新能源汽车热失控问题,热害控制技术应具备快速降温与自动控制等功能。二是体现在远程控制, 在新能源汽车智能化技术发展成熟之前,对整车热管理系统的远程控制技术,是保障新能源汽车安全,避免热失控现象发生的重要手段。三是体现在能量智能管控,复杂系统和精细化温度管控离不开动态运行的控制,未来的新能源汽车一体化热管理系统所涉及的控制量和目标量将愈趋增加,导致控制维度增加,在智能化趋势下,基于智能算法,诸如模型预测控制(MPC)也将和新能源汽车精细化热管理相辅相成,结合用户需求、三电设备需求、运行工况及路况条件,给出预测性的最优运行控制,从而实现能量智能管控。
总之,在智能化大背景下,高效、稳定的热管理需求驱使,新能源汽车热管理系统的控制也将是智能化的。
3.3 发展建议
(1)推动落实新能源汽车热管理系统能效行业标准,针对不同工况下,热管理系统的能效进行等级划分,加强行业内对热管理系统的重视程度,同时推动企业、研究机构对新能源汽车热管理技术的研发力度,完善技术标准,保障关键技术的快速发展。
(2)建立跨领域、多学科合作机制,加强热管理技术与材料、人工智能领域的融合,依据热管理系统工质特性,研制开发具有高强度、轻薄、耐腐蚀等性质的材料,推动关键零部件的升级,同时结合智能化技术实现主动热管理与自动控制,促进热管理系统的转型升级。
(3)加大对热管理专业人才的培养,随着热管理系统市场的扩大,相关专业人才必然出现短缺,此外,随着新能源汽车智能化的发展,传统热管理专业人员需进一步丰富自身技能,以满足热管理系统的技术需求。
(4)面向碳达峰、碳中和,我国建立健全绿色低碳循环发展经济体系下,新能源汽车热管理行业也急需具体的政策和管理机制落实,综合考虑技术发展和国际形势,逐步引导我国新能源汽车热管理技术路线的形成与稳固,推动新能源汽车热管理行业向着绿色高效化、功能一体化、结构模块化、及控制智能化方向快速发展。