吳憨子：新能源車熱管理發(fā)展史與溫度傳感器10問 | 新人資料

一、概述

新能源汽車的整車熱管理從簡到繁，結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，從獨立模塊到系統(tǒng)工程，升級明顯，單車價值量從1600-2500元提升至近7000 元，按照2025年全球新能源汽車銷量1150萬輛算，熱管理系統(tǒng)的空間為805億。

早期新能源汽車的熱管理系統(tǒng)主要包含三部分：空調(diào)系統(tǒng)、電機電控冷卻系統(tǒng)和電池溫度控制系統(tǒng)，分別用于保障乘客艙內(nèi)部、電機和電池處于一個適宜的溫度，各個系統(tǒng)之間仍然處于相對獨立的狀態(tài)。

2~3年前，新能源汽車的熱管理系統(tǒng)在特斯拉Model3 的帶領(lǐng)下，發(fā)生了較大的變化，各個系統(tǒng)之間的聯(lián)系進一步加強。在Model3設(shè)計中，熱管理系統(tǒng)由空調(diào)管路和電池及功率電子冷卻管路構(gòu)成，并加入集成了換熱器、切換閥、電子控制器、電子水泵和散熱器的 CR(Coolant Reservoir)冷卻液儲罐這一核心零部件，以實現(xiàn)三個管路的熱量交換。

二、問題解答

Q1：在燃油車時代，整車熱管理是怎么樣的？

整車熱管理在燃油車時代被劃分為2個獨立的模塊:汽車空調(diào)系統(tǒng)、發(fā)動機冷卻系統(tǒng)。在早期新能源汽車時代，整車熱管理除汽車空調(diào)系統(tǒng)外，還增加了電機電控冷卻系統(tǒng)和電池溫度控制系統(tǒng)。

Q2：“系統(tǒng)工程”概念是什么時候開始的?

到了Model3時代，各系統(tǒng)間的聯(lián)系進一步加強，開始出現(xiàn)“系統(tǒng)工程”概念。

熱管理系統(tǒng)由空調(diào)管路、電池及功率電子冷卻管路構(gòu)成，并加入集成了換熱器、切換閥、電子水泵、電子控制器和散熱器的CR冷卻液儲罐這一核心零部件，以實現(xiàn)三個管路的熱量交換。由于此方案對控制提出了更高的要求，因此預(yù)計比此前方案價值量提升約1000元。

而 ModeY 的熱泵系統(tǒng)集成了所有的冷卻和制熱回路，通過八通閥系統(tǒng)連接冷卻環(huán)節(jié)和熱泵系統(tǒng)，實現(xiàn)了幾個系統(tǒng)間的串并聯(lián)，進一步簡化熱管理系統(tǒng)閥件及管路的復(fù)雜性，并實現(xiàn)12種不同加熱模式的切換。在這種模式下，整車方案成本只是略有增加，預(yù)計在7000元左右。

Q3：汽車空調(diào)系統(tǒng)按功能模塊的完整介紹

內(nèi)燃機時代的整車熱管理劃分為2個模塊，一是汽車空調(diào)系統(tǒng)，二是發(fā)動機冷卻系統(tǒng)。前者用于保障車廂內(nèi)部始終處于一個適宜的溫度，后者則用于發(fā)動機及變速箱的冷卻。

汽車空調(diào)系統(tǒng)按功能模塊，主要劃分為制冷、供暖、通風(fēng)和控制四大系統(tǒng)。

（1）制冷系統(tǒng)

制冷系統(tǒng)由壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器、儲液干燥器組成。

在制冷過程中，吸熱后的氣體形態(tài)的制冷劑首先在空調(diào)壓縮機處被壓縮成高溫高壓的氣體，然后循環(huán)至冷凝器處，向外界空氣釋放大量熱量后，冷凝成中溫高壓的液體形態(tài)的制冷劑，之后經(jīng)儲液干燥器和膨脹閥后，其溫度和壓力進一步降低，最終以低溫低壓液體形態(tài)循環(huán)至蒸發(fā)器，制冷劑在蒸發(fā)器處吸熱后又恢復(fù)氣體形態(tài)，最后轉(zhuǎn)回到空調(diào)壓縮機，如此循環(huán)往復(fù)。

制冷劑在制冷系統(tǒng)中的循環(huán)過程

（2）供暖系統(tǒng)

供暖系統(tǒng)由加熱器芯體、水閥、水管、鼓風(fēng)機等零部件組成。

在制熱過程中，發(fā)動機冷卻液先在發(fā)動機啟動后吸收其散發(fā)的熱量，之后吸熱后的冷卻液循環(huán)至加熱器芯體時，鼓風(fēng)機將風(fēng)吹向加熱器芯體以加熱空氣。這也是為什么駕駛員能感受到熱風(fēng)從出風(fēng)口吹出的原因。

冷卻液在供暖系統(tǒng)中的循環(huán)過程

Q4：早期新能源汽車的熱管理系統(tǒng)是如何發(fā)展過來的？

早期新能源汽車的熱管理系統(tǒng)主要包含三部分：空調(diào)系統(tǒng)、電機電控冷卻系統(tǒng)和電池溫度控制系統(tǒng)，分別用于保障乘客艙內(nèi)部、電機和電池處于一個適宜的溫度，各個系統(tǒng)之間仍然處于相對獨立的狀態(tài)。

早期新能源汽車的空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃油車工作原理類似，主要差異在制冷系統(tǒng)中壓縮機的驅(qū)動方式和供暖系統(tǒng)中暖風(fēng)來源這兩個方面。因此，新能源汽車在制冷系統(tǒng)上，僅用電動壓縮機替代傳統(tǒng)壓縮機，并以動力電池進行驅(qū)動。主要包含電動壓縮機，冷凝器、儲液罐、膨脹閥、蒸發(fā)器、冷卻風(fēng)扇、鼓風(fēng)機等零部件。

早期新能源車汽車熱管理主要零部件增量為電動壓縮機及 PTC 加熱系統(tǒng)

供暖系統(tǒng)一般通過采用電加熱的 PTC 作為熱量來源，主要有 PTC 空氣加熱器和水加熱器兩種方案。采用 PTC 空氣加熱器時，其直接取代了傳統(tǒng)燃油車上的暖風(fēng)芯體，冷空氣在流經(jīng)加熱器表面時被加熱。這種方案成本相對比較低廉,但由于 PTC直接接入乘員艙內(nèi)存在一定的安全隱患風(fēng)險。采用 PTC 水加熱器方案時，不僅保留了傳統(tǒng)空調(diào)的暖風(fēng)芯體同時外接一套 PTC 加熱循環(huán)回路。

Q5：PTC 加熱器如何進行工作？

工作時，PTC 加熱器先將防凍液進行加熱，加熱后的防凍液流入暖風(fēng)芯體與冷空氣進行換熱。整套回路安全性相對較高，但增加了 PTC、水泵管路等零部件。

PTC 水加熱器供暖系統(tǒng)需增加電子水泵及管路系統(tǒng)

電機電控冷卻系統(tǒng)與燃油車的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)十分相似，主要包括電動水泵、散熱器、冷卻風(fēng)扇、膨脹水壺和管路等零部件。一般會根據(jù)車內(nèi)的電子功率件(如電機控制器、DCDC等)和電機的的溫度特性進行位置排布，后串聯(lián)在一個回路之中。

電機電控冷卻系統(tǒng)原理與發(fā)動機冷卻系統(tǒng)十分接近

最初，我國新能源汽車的電池能量密度相對較低，電池溫控系統(tǒng)普遍采用自然風(fēng)冷和強制風(fēng)冷技術(shù)。隨著電池容量和能量密度的不斷提高，新能源汽車對于熱管理系統(tǒng)中的電池溫控模塊有了更高的需求，因此水冷系統(tǒng)應(yīng)運而生。

在水冷系統(tǒng)下，不僅增加了加熱功能，同時還通過增加一個換熱器 (Chiller) 與空調(diào)制冷循環(huán)合，通過制冷劑將電池的熱量帶走。水冷系統(tǒng)主要包括：電子水泵，換熱器，電池散熱板、PTC 加熱器、電池補償水箱等零部件。

電池溫度過高需要冷卻時，電池通過散熱板與冷卻液進行換熱，加熱后的冷卻液被電子水泵送入換熱器內(nèi)，在換熱器內(nèi)部一側(cè)通入制冷劑，一側(cè)通入冷卻液，兩者在換熱器內(nèi)充分換熱，熱量被制冷劑帶走，冷水流出換熱器在流入電池，形成一個循環(huán)。而當電池需要加熱時，制冷回路被關(guān)閉，PTC 加熱器被打開，冷卻液被加熱后送入電池內(nèi)部通過散熱板對電池進行加熱。

電池 Pack 的水冷系統(tǒng)開始與空調(diào)系統(tǒng)發(fā)生單向熱交換

Q6：主流品牌的新能源熱管理系統(tǒng)的技術(shù)路線有哪些？

（1）大眾

大眾 MEB 架構(gòu)熱管理系統(tǒng)冷媒的變化成市場焦點

MEB 作為電動車模塊化平臺，是大眾集團重要的 3 大新能源汽車制造平臺之一，在全球擁有 8 大生產(chǎn)工廠基地，未來將生產(chǎn)大眾旗下的大部分新能源汽車。與特斯拉路線不同，模塊化設(shè)計平臺策略共攤成本是大眾這種傳統(tǒng)車企擁抱電動化的方式。

根據(jù)大眾汽車集團的規(guī)劃，2020 年起，MEB 平臺將成為大眾生產(chǎn)電動汽車的主要平臺。生產(chǎn)車型延展性極強，涵蓋轎車、SUV、MPV 等車型，價位覆蓋入門、中端、高端等，細分市場廣闊。

由于 MEB 平臺圍繞電池模組設(shè)計，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)變得更加重要。MEB 的電池均采用液冷和液熱，熱管理系統(tǒng)采用的是類似捷豹 -Pace 的三明治結(jié)構(gòu)，電池的冷卻液不是在電池模組中間，而是在電池底部，底部有一層保護板，保護整車在磕碰底盤的時候不會使電池包的冷卻液泄露，防止液體進入到電池模組內(nèi)部。但是底部的水冷板流道，水冷板直接集成在底板上，這一點和 i-pace 不同，具有更高的冷卻效率。冷板與模組之間通過導(dǎo)熱膠填充空氣間隙?？傊?，冷板被劃分為兩部分，一部分用來冷卻電池模組，另一部分用來冷卻高低壓電器

大眾 MEB 電池系統(tǒng)解構(gòu)圖（左）；冷板具有雙重冷卻功能（右）

MEB 另外一個重要變化是采用二氧化碳方案的熱泵系統(tǒng)。目前按照新能源車熱泵空調(diào)的制冷劑劃分，熱泵空調(diào)可以分為 R134a 型、CO型、R1234vf 型等。R134a 型熱泵空調(diào)系統(tǒng)為當前市場主流。但受限于電池技術(shù)的發(fā)展和續(xù)航里程的短板，節(jié)能高效成為新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)的成為首要考慮因素。由于當前主流汽車空調(diào)系統(tǒng)使用的制冷劑 R134a (在《京都議定書》中被列為限制使用的工質(zhì)) 具有溫室效應(yīng)，全球主要發(fā)達國家均在研發(fā)溫室效應(yīng)低的制冷劑。二氧化碳作為制冷劑，可充分發(fā)揮其高環(huán)保、低價、高制熱能效的特點，二氧化碳熱泵空調(diào)在新能源車領(lǐng)域具備很廣闊的應(yīng)用前景。

（2）Model Y

ModelY 的整車熱管理系統(tǒng)主要包含：整車熱泵系統(tǒng)，電池冷卻液循環(huán)系統(tǒng)，冷卻液閥系統(tǒng)，電機冷卻液循環(huán)系統(tǒng)，空氣系統(tǒng)及電控系統(tǒng)等

在制冷環(huán)節(jié)，電池冷卻系統(tǒng)采用冷卻劑回路方案進行液冷，冷卻控制系統(tǒng)管理冷卻液在各個子系統(tǒng)之間的流動，駕駛艙冷卻系統(tǒng)通過蒸發(fā)器為車廂提供冷卻空氣。各個子系統(tǒng)可在散熱量不大時獨立冷卻

以 Modely 為例特斯拉整車執(zhí)管理方案

在制熱環(huán)節(jié)，ModelY 創(chuàng)新性地采用了三換熱器方案的熱泵空調(diào)系統(tǒng)，降低低溫下整車的能耗，有效緩解電動車冬季采暖導(dǎo)致續(xù)航里程衰減的痛點。相比 Model 3，特斯拉在2020 年新上市的 Model Y車型因為采用了更加利于能耗的熱泵空調(diào)系統(tǒng)用于乘員艙及電池系統(tǒng)進行加熱而使其與之前的車型相比與眾不同，從而能夠滿足來自全球市場特別是北歐等寒冷地區(qū)的消費者需求。在超低溫工況中，ModelY 通過電動壓縮機、鼓風(fēng)機和小功率低壓 PTC 輔助加熱。

特斯拉幾款車型加熱方式演化及對比

Q7：ModelY 的八通閥系統(tǒng)如何運行？

ModelY 另外一個重要創(chuàng)新是應(yīng)用了集成式的八通閥系統(tǒng)。其創(chuàng)新點在于在熱泵與整車的集成上做得更進一步，相比Model 3只集成了所有冷卻回路，ModelY 則進一步集成了所有冷卻和制熱回路。

通過將八通閥系統(tǒng)作為連接冷卻環(huán)節(jié)和熱泵系統(tǒng)的橋梁，實現(xiàn)了幾個系統(tǒng)間的串并聯(lián)，進一步簡化熱管理系統(tǒng)閥件及管路的復(fù)雜性，并能夠?qū)崿F(xiàn) 12 種不同加熱模式的切換。

集成式八通閥工作示意圖

八通道閥完成 12 種模式的切換

特斯拉熱泵集成應(yīng)用的策略可以通過表 5 來說明，在滿足乘員艙乘客舒適性需求的前提下，來采用 COP 較高的模式運行，減少能源消耗，提高續(xù)航里程。即根據(jù)環(huán)境溫度與電池溫度的關(guān)系，從 COP 的劃分，來規(guī)劃熱泵系統(tǒng)參與加熱的程度，以及啟動不同級別的加熱模式

在不同環(huán)境溫度下有不同的制熱方案

總之，在熱管理方案中的主要應(yīng)用零部件可分為閥類、換熱器類、泵類、壓縮機類、傳感器類、管路以及其他運用較多的部件 (如汽液分離器) 幾個大類。

Q8：熱泵空調(diào)的工作原理是什么？

熱泵是一種可以將低位熱源的熱能強制轉(zhuǎn)移到高位熱源的空調(diào)裝置，類似可以將低處的水泵到高處的“水泵”。

熱泵空調(diào)的工作原理基于逆卡諾循環(huán)，在于其功能實現(xiàn)為“轉(zhuǎn)移熱量” (由低位熱源熱能一高位熱源)而非 PTC加熱器的“轉(zhuǎn)換熱量”，從而使用 1千瓦的電力能產(chǎn)生2 千瓦的制熱效率或3 千瓦的制冷效率。

熱泵系統(tǒng)構(gòu)架與普通空調(diào)系統(tǒng)相似，區(qū)別在增加了可改變制冷劑流向的四通換向閥及雙向流通的膨脹閥，使用四通換向閥可以使熱泵空調(diào)的蒸發(fā)器和冷凝器功能互相對換，改變熱量轉(zhuǎn)移方向，從而達到夏天制冷冬天制熱的效果。

Model Y 熱泵系統(tǒng)空間區(qū)域位置

Model Y 熱泵系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)較為緊湊

Q9：熱管理從獨立模板到系統(tǒng)工程的升級明顯體現(xiàn)在哪里?

通過對過去幾年熱管理系統(tǒng)發(fā)展史的回顧，可以發(fā)現(xiàn)，相比傳統(tǒng)汽車，新能源熱管理系統(tǒng)不僅新增功能?？?，包括電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)、電機電控?zé)峁芾硐到y(tǒng)，更重要的是，注重系統(tǒng)性功能提升， 由此帶來未來可能被大規(guī)模應(yīng)用的系統(tǒng)產(chǎn)品或者技術(shù)驅(qū)動型產(chǎn)品，以及更高的單車價值，比如傳統(tǒng)壓縮機升級為電動壓縮機、閥產(chǎn)品升級為八通閥、普通管路升級為 CO2 管路等。

熱管理從傳統(tǒng)向新能源過度，閥泵壓縮機等產(chǎn)品技術(shù)升級明顯

新能源整車熱管理的單車價值量出現(xiàn)了近 3 倍的增長。傳統(tǒng)燃油車因供應(yīng)鏈及方案的成熟，普遍單車價值在 1600-2500 元之間;而在傳統(tǒng)空調(diào)+高壓 PTC 的方案下，價值量的增加主要來自于壓縮機從傳統(tǒng)切為電動(增加 1000-1500 元)，新增換熱器 (增加500-700元)，換熱需求促使電子水泵的使用(增加 600-900 元)，高壓 PTC 的引入 (增加1200-1500元)，合計增加約3500-5000 元。

進入熱泵方案后，在整車熱效率有了明顯提升的情況下，整車方案的成本也略有增加。主要的變化在于高壓 PTC 節(jié)省的成本，轉(zhuǎn)移去了空調(diào)系統(tǒng)中的氣液分離器、三/四通閥、冷媒電磁閥等，整體單車成本基本接近，甚至略低于高壓 PTC方案。但為了進一步提升熱泵空的低溫性能，在重新加入輔助 PTC方案后，單車價值量可進一步增加約 1000 元，至 7000 元左右。

隨著整車熱管理方案的進化，單車價值量有著近 3 倍的提升 (單位:元)

Q10：新能源車熱管理在傳感器技術(shù)應(yīng)用有哪些？

從新能源車熱管理主要零部件圖推演，與燃油車不同，新能源車主要用到溫度壓力傳感器。

新能源車熱管理主要零部件

自主研制NTC芯片的溫度傳感器及新能源車/儲能CCS蓋板的特普生曾老師說：“結(jié)合我公司業(yè)務(wù)來說，我們能提供的新能源車溫度管理，一是電池本身的溫度管理，含電池本體溫度傳感器、電池冷卻介質(zhì)溫度傳感器與BMS控制板溫度傳感器。二是新能源車的溫度管理，含電機馬達溫度傳感器、動力電池溫度傳感器、剎車系統(tǒng)溫度傳感器與空調(diào)系統(tǒng)溫度傳感器等等?！?/p>

1、電池、空調(diào)、電機電控用溫度傳感器

“這套新能源汽車熱管理架構(gòu)圖指引了溫度傳感器在新能源車電池、電機、電控上的主要應(yīng)用。譬如可以用到特普生動力電池、空調(diào)系統(tǒng)、電機電控等等溫度傳感器、線束及CCS?！?/p>

新能源車熱管理架構(gòu)

2、四大最重要泄漏用到溫度傳感器

“大家常說的車內(nèi)外環(huán)境溫度監(jiān)測、后視鏡初霧及室外溫度監(jiān)測、車內(nèi)座墊及方向盤溫度監(jiān)測、汽車逆變器溫度監(jiān)測、汽車空氣流量傳感器及其他車載（冰箱、空調(diào)、功放）溫度監(jiān)測，也用到溫度傳感器。

作者簡介

吳憨子：傳感器應(yīng)用營銷老師。投資及擔(dān)任森霸傳感、特普生傳感應(yīng)用營銷顧問，歡迎交流傳感器應(yīng)用與投融資，微信：mckinsin

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審核編輯黃宇