讓特斯拉、比亞迪、華為都著迷的熱管理系統(tǒng)，究竟有何魅力

2022年，新能源、動(dòng)力電池已經(jīng)從汽車產(chǎn)業(yè)鏈火爆出圈成為家喻戶曉的話題。在上游的天齊鋰業(yè)等鋰鹽公司以87%的夸張毛利率，半年豪取103億凈利潤吸引走大家眼球的同時(shí)，汽車熱管理這個(gè)對大多數(shù)人來說未曾聽說的板塊已經(jīng)在二級市場中跑贏鋰鹽及動(dòng)力電池，詮釋了悶聲發(fā)大財(cái)?shù)木琛?/p>

把時(shí)間拉回到2020年，一向以挑剔著稱的馬斯克竟一反常態(tài)，大肆表揚(yáng)“Model Y的熱泵是我這段時(shí)間見過最好的工程設(shè)計(jì)之一”。

比亞迪隨后在2021年推出e3.0平臺的熱管理系統(tǒng)，全面取消了耗能最大的PTC控制模組，將駕駛艙制暖預(yù)熱交給熱泵電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)以及來自“8合1”電驅(qū)+電控系統(tǒng)的余熱，在設(shè)計(jì)思路上借鑒了特斯拉。

無獨(dú)有偶，一直想在汽車產(chǎn)業(yè)有所作為的華為也在2021年HI新品發(fā)布會(huì)上重點(diǎn)發(fā)布了熱管理系統(tǒng)TMS，采用一體化的設(shè)計(jì)理念，分配和傳導(dǎo)乘員艙、電池、電驅(qū)等區(qū)域的熱能，提升整車熱量的綜合利用率。

眾多大廠紛紛將熱管理系統(tǒng)推上C位，璞躍中國移動(dòng)出行團(tuán)隊(duì)認(rèn)為其深層原因在于電動(dòng)車熱管理系統(tǒng)水平高低對單車能量利用效率、續(xù)航里程及三電系統(tǒng)工作狀態(tài)均有較大影響，戰(zhàn)略意義大幅提升。同時(shí)，新的需求催生出新的市場，各大廠均希望在市場變革早期進(jìn)行技術(shù)卡位，對投資機(jī)構(gòu)來說，熱管理同樣具有很高投資價(jià)值。

01

電動(dòng)車單車熱管理系統(tǒng)價(jià)值翻倍，

重要性提升

為何燃油車熱管理成本低

燃油車發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度高（最高溫度可達(dá)2000℃），因此在制熱系統(tǒng)上利用發(fā)動(dòng)機(jī)工作產(chǎn)生的熱量即可，空調(diào)系統(tǒng)僅需考慮制冷功能，無需額外加裝制熱裝置。在發(fā)動(dòng)機(jī)溫度低時(shí)，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（90℃），改善排放性能。溫度高時(shí)，冷卻液走大循環(huán)通過散熱器和風(fēng)扇增加散熱效率。

此外，由于燃油車配備的電池容量通常很?。℉EV車型的電池容量大，可以使用電動(dòng)壓縮機(jī)），因此無法匹配電子壓縮機(jī)，只能選擇機(jī)械壓縮機(jī)來作為空調(diào)制冷的手段。雖然機(jī)械壓縮機(jī)相比電動(dòng)壓縮機(jī)會(huì)增加油耗，但是在前裝的一次性成本上也節(jié)約了1000元左右，燃油車整車熱管理系統(tǒng)的成本僅在兩、三千元上下。

電動(dòng)車熱管理系統(tǒng)成本暴漲，

占比僅次于三電系統(tǒng)

對于電動(dòng)車而言，其熱管理系統(tǒng)由空調(diào)熱管理、電機(jī)電控?zé)峁芾砑半姵責(zé)峁芾砣糠纸M成。空調(diào)熱管理由于沒有了發(fā)動(dòng)機(jī)提供制熱，因此需要采用PTC/熱泵/薄膜加熱器來提供熱源（氫燃料電池車?yán)碚撋峡梢韵袢加蛙囈粯佑蓜?dòng)力系統(tǒng)提供熱源，但啟動(dòng)時(shí)間更長）。

PTC技術(shù)成熟，但是由于其電加熱的技術(shù)原理導(dǎo)致電能利用效率低于100%（每產(chǎn)生1焦耳的熱量需消耗超過1焦耳的電量），對電池消耗較大。尤其考慮到空調(diào)制熱功能最重要的使用場景是冬天，且溫度越低需要的制熱功率越大，采用PTC制熱會(huì)讓電動(dòng)車在冬季本就少得可憐的續(xù)航里程雪上加霜，嚴(yán)重破壞實(shí)用性。

熱泵制熱則是把熱量從相對低溫處（車外）搬到相對高溫處（車內(nèi)），利用低沸點(diǎn)的制冷劑將環(huán)境中的熱量帶入到乘客艙中，乘客艙得到的熱量為消耗的電能與吸收的低位熱能之和，因此其制熱系數(shù) COP [（吸收的低位熱能+消耗電能）/消耗電能]必然大于1（通常為1.5-5），減少了對電池的負(fù)荷。大眾ID.4 CROZZ在搭載CO2熱泵后，其冬季續(xù)航里程提升了30%。

電機(jī)和電控?zé)峁芾砜梢院芎玫亟梃b燃油車發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱熱管理模塊，同樣采用風(fēng)冷和水冷兩種方式。風(fēng)冷主要應(yīng)用于電機(jī)功率較小的低端車型，水冷則主要在功率較高的車型中使用。工作時(shí)依靠水泵帶動(dòng)冷卻液在冷卻管道中循環(huán)流動(dòng)，通過散熱器等熱交換過程，使冷卻液帶走電機(jī)、電控產(chǎn)生的熱量。

電池?zé)峁芾砜梢哉f是電動(dòng)車熱管理最大的增量，同時(shí)由于環(huán)境溫度對電池的工作狀態(tài)有巨大影響，因此電池?zé)峁芾淼暮脡膶﹄妱?dòng)車用戶體驗(yàn)至關(guān)重要。動(dòng)力電池高效工作溫度區(qū)間是 20-35℃，溫度過低（＜0℃）會(huì)導(dǎo)致電池活性下降，充放電功率性能下降，縮短續(xù)航里程，破壞電池壽命；溫度過高（＞45℃）則不僅會(huì)破壞電池壽命，還可能導(dǎo)致電池?zé)崾Э?，甚至起火等?yán)重事故發(fā)生。電池內(nèi)部溫度和電池模塊間溫度均勻性同樣會(huì)影響電池使用性能和循環(huán)壽命，因此電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)需要復(fù)雜、精細(xì)的冷卻回路來維持電芯溫度一致性，并能夠準(zhǔn)確測量和監(jiān)控電池溫度，在電池溫度過高時(shí)及時(shí)散熱、溫度過低時(shí)快速加熱。目前電池?zé)峁芾碛酗L(fēng)冷、水冷、直冷、相變材料等多種方式。

液冷方式由于其冷卻速度更快、換熱系數(shù)更高是應(yīng)用前景最好的電池?zé)峁芾矸桨福梢耘浜舷嘧儾牧系燃夹g(shù)輔助）。由于動(dòng)力電池電芯排列較為整齊，因此電池液冷主要通過液冷版的形式進(jìn)行。傳統(tǒng)電池液冷板采用整板結(jié)構(gòu)，置于電池組下方。寧德時(shí)代在剛剛發(fā)布的旗艦產(chǎn)品——麒麟電池中采用在兩塊電芯中間加裝液冷板的全新布局，使相鄰兩塊電芯的熱傳導(dǎo)降低、提升安全性，但單車液冷板用量也會(huì)成倍增加。

02

熱管理新技術(shù)

為中國帶來彎道超車契機(jī)

國際四巨頭壟斷燃油車熱管理系統(tǒng)

由上圖可知，日本電裝（豐田集團(tuán)旗下）、法國法雷奧、韓國翰昂和德國的馬勒在燃油車熱管理領(lǐng)域掌控了全球約6成的市場份額。他們不僅擁有幾十年甚至上百年的汽車熱管理經(jīng)驗(yàn)，更重要的是，在長期的合作中他們與下游主機(jī)廠形成了深度綁定，新進(jìn)入者很難與之競爭。

特斯拉推出高集成化熱管理系統(tǒng)，

開創(chuàng)了電動(dòng)車熱管理新的發(fā)展方向

隨著電動(dòng)車銷量的增加，傳統(tǒng)四巨頭并非沒有涉足其中，只不過在設(shè)計(jì)思路上沒有打開，有照搬燃油車的思維慣性（或是對市場份額有恃無恐）。如2022年才開始登陸高端量產(chǎn)車的熱泵系統(tǒng)，日本電裝早在2013年就在雷諾Zoe和日產(chǎn)LEAF上進(jìn)行了搭載。翰昂也是早在2014年就將熱泵搭載到起亞Soul等韓系車型。但是直到2020年特斯拉在Model Y上搭載的第四代熱管理系統(tǒng)問世，沒有人嘗試將量產(chǎn)車的電機(jī)電控以及空調(diào)熱管理的余熱進(jìn)行集成回收來為電池加熱，各模塊間依舊獨(dú)立運(yùn)行。

特斯拉在Model Y的熱管理系統(tǒng)中沒有單獨(dú)設(shè)置外置冷凝器，而是通過熱交換器和管路連接，與電池回路和電機(jī)回路進(jìn)行耦合，實(shí)現(xiàn)整個(gè)熱管理系統(tǒng)的熱量交互，同時(shí)進(jìn)一步集成化，采用了集成歧管模塊和集成閥門模塊。該系統(tǒng)通過控制膨脹閥開度，止向閥動(dòng)作來控制冷媒的循環(huán)，通過控制八通閥的位置來控制冷卻液的循環(huán)，最終可實(shí)現(xiàn)12種制熱模式及3種制冷模式來應(yīng)對不同工況需求，降低了單車能耗，增加續(xù)航里程。

中國企業(yè)奮起直追

特斯拉第四代熱管理的核心器件——八通閥正是由特斯拉與中國企業(yè)三花智控聯(lián)合開發(fā)完成的。三花的前身是1994年中日合資企業(yè)三花不二，經(jīng)過三十年持續(xù)不斷地在電子膨脹閥、四通閥等制冷部件領(lǐng)域投入研發(fā)并改進(jìn)產(chǎn)品性能，先后切入家用冰箱、空調(diào)、汽車等領(lǐng)域，時(shí)至今日終于在閥類產(chǎn)品走到世界前列。憑借電動(dòng)車熱管理帶來的新需求，發(fā)力向汽車熱管理Tier1企業(yè)努力。

華為意識到自己在汽車機(jī)械素質(zhì)、操控性領(lǐng)域技術(shù)薄弱，在看到面對電動(dòng)車熱管理的新需求，業(yè)界無人能給出最優(yōu)解，存在著彎道超車的機(jī)會(huì)后，毅然將汽車熱管理系統(tǒng)作為核心發(fā)力點(diǎn)之一。其TMS系統(tǒng)在部件域?qū)嚎s機(jī)、儲液罐、水閥、電子閥等12個(gè)主要零部件集成為一體，以基板取代傳統(tǒng)的互通管路，實(shí)現(xiàn)管路數(shù)量降低40%，部件數(shù)量降低10%，裝配工作量降低60%。在控制單元域，傳統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)各部件由電子控制單元（ECU）單獨(dú)控制，TMS將所有部件的控制單元集成于一個(gè)電子驅(qū)動(dòng)單元（EDU），能夠有效降低系統(tǒng)故障率，便于維護(hù)、診斷各系統(tǒng)部件的生命周期，提升熱管理系統(tǒng)可靠性。

03

高度集成化

是熱管理系統(tǒng)未來發(fā)展核心

當(dāng)前電動(dòng)車熱管理系統(tǒng)系統(tǒng)集成度較低，仍以分散式為主，三電系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)的回路彼此獨(dú)立，有各自的溫控和管路系統(tǒng)，導(dǎo)致熱管理流程復(fù)雜，零部件較多且能量利用不充分。從整車層面看，各個(gè)分散的熱管理系統(tǒng)通過統(tǒng)籌管理可以減少能量浪費(fèi)和體積占用。當(dāng)前面臨的主要困難是控制邏輯復(fù)雜以及鋁合金加工工藝上面存在挑戰(zhàn)，但璞躍中國移動(dòng)出行團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，高能量利用效率、輕量化、長續(xù)航的集成式熱管理系統(tǒng)是行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

馬瑞利在其新推出電動(dòng)車熱管理系統(tǒng)中，突破了傳統(tǒng)鋁合金鑄造工藝的限制，將加熱、散熱、傳熱、溫控、溫感環(huán)節(jié)集成為一個(gè)部件，重量由上一代產(chǎn)品的7kg減少到0.6kg，體積大幅縮小，是電動(dòng)車熱管理集成化的一次很有意義的突破。

針對熱泵在低溫環(huán)境啟動(dòng)慢、制熱效果差的問題，可以使用CO2熱泵及/或加裝薄膜加熱器來進(jìn)行應(yīng)對。CO2熱泵空調(diào)比現(xiàn)有空調(diào)冷媒更加環(huán)保，在低溫下比R1234yf型熱泵能源利用率更高，以更少的耗電量達(dá)到相同的制熱效果。相比普通的熱泵空調(diào)系統(tǒng)很難在-15℃以下進(jìn)行使用的硬傷，CO2熱泵空調(diào)可以在-30℃持續(xù)工作，增加了實(shí)用性。CO2熱泵沒能普及的主要原因是運(yùn)行壓力高（為傳統(tǒng)熱泵的8-9倍），因此需要將整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)更換為耐高壓零部件，如耐高壓管路、耐高壓電子膨脹閥、耐高壓的空氣壓縮機(jī)等，會(huì)增加技術(shù)難度和成本。

使用薄膜加熱器+熱泵的方案確實(shí)可以很好應(yīng)對低溫工況的問題，但是成本顯著增加同時(shí)增加熱管理系統(tǒng)的體積，導(dǎo)致該方案僅能在高端車領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。

璞躍中國移動(dòng)出行團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，雖然中國企業(yè)和特斯拉在電動(dòng)車熱管理系統(tǒng)初期競爭中反應(yīng)迅速，但以Big4為代表的老牌歐美日韓的Tier1及整車廠巨頭仍然有著競爭優(yōu)勢和舉足輕重的行業(yè)影響力，部分在電動(dòng)車熱管理領(lǐng)域開創(chuàng)的新技術(shù)也會(huì)反哺到燃油車熱管理上進(jìn)行應(yīng)用。大眾集團(tuán)在奧迪A8（2018）及大眾ID系列（2021）率先搭載了CO2熱泵，是全球最早在走量車型上搭載CO2熱泵的公司，其高門檻部件高壓電子壓縮機(jī)正是出自燃油車熱管理Big4之一的翰昂。中國企業(yè)仍然需要以挑戰(zhàn)者的姿態(tài)，戒驕戒躁，以十年為單位制定企業(yè)戰(zhàn)略，堅(jiān)定研發(fā)導(dǎo)向，不斷改進(jìn)產(chǎn)品的同時(shí)敢于去擁抱新技術(shù)，才真正有希望在這場沒有終點(diǎn)的馬拉松當(dāng)中建立核心優(yōu)勢。

審核編輯 黃昊宇