3 新能源汽車熱管理行業(yè)觀察

3.1 新一代汽車熱管理需求

汽車熱管理系統(tǒng)的作用愈發(fā)受到重視?早期汽車研究中并沒有熱管理這個(gè)細(xì)分領(lǐng)域,與之相關(guān)的主要有調(diào)節(jié)車艙溫度的空調(diào)系統(tǒng),幫助發(fā)動(dòng)機(jī)降溫的冷卻系統(tǒng)等等?后來汽車消費(fèi)者逐漸提高對(duì)空調(diào)的舒適度要求以及對(duì)節(jié)能降費(fèi)的要求,國(guó)家也逐漸提高對(duì)油耗排放等要求;而且,在汽車電動(dòng)智能化浪潮下,新能源汽車高速發(fā)展,而新能源汽車的續(xù)航和安全等問題尤為突出,汽車熱管理顯得越來越重要,因此未來熱管理行業(yè)需求的確定性高?

相比傳統(tǒng)汽車的熱管理系統(tǒng),新能源汽車熱管理系統(tǒng)更為復(fù)雜,同時(shí)在系統(tǒng)效率,控溫精度放面也有了更高的要求?

傳統(tǒng)汽車的熱管理系統(tǒng),基本圍繞其動(dòng)力系統(tǒng)展開,主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)以及主要利用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱和動(dòng)力進(jìn)行制熱/制冷的空調(diào)系統(tǒng)?

而相比于傳統(tǒng)汽車熱管理系統(tǒng),新能源汽車的熱管理系統(tǒng)脫離傳統(tǒng)“三電”,并且沒有發(fā)動(dòng)機(jī)余熱可以利用,更多依靠 PTC 和熱泵,同時(shí)電池的工作特性也對(duì)新能源汽車熱管理的控溫精度提出了更高的要求?

3.2 新能源汽車熱管理系統(tǒng)發(fā)展

3.2.1 電池?zé)峁芾?

電池?zé)峁芾硎切履茉雌嚐峁芾硐到y(tǒng)的核心?電池高效工作溫度范圍較窄,熱管理系統(tǒng)是維持電池性能和安全性的關(guān)鍵?動(dòng)力電池能完全發(fā)揮性能的溫度范圍通常為 0℃~40℃?溫度過低,電池充放電功率性能下降,整車表現(xiàn)出動(dòng)力不足?續(xù)航縮減;溫度過高會(huì)產(chǎn)生電池?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn),威脅整車安全?

電池的“木桶效應(yīng)”要求溫控均勻一致?動(dòng)力電池是由大量電池單體串并聯(lián)組成的?整體的電壓?容量等易受某個(gè)“短板”電芯的影響?一個(gè)單體發(fā)生熱失控不但導(dǎo)致電池故障,甚至引發(fā)整個(gè)電池?zé)崾Э?為保證電芯性能的一致性,電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)通常需要設(shè)計(jì)復(fù)雜?精細(xì)的冷卻回路,布置多個(gè)溫度傳感器,維持電芯溫度的一致性?

目前常用的電池散熱系統(tǒng)主要有風(fēng)冷式和液冷式?隨著電池容量?功率提升,高效的液冷已經(jīng)成為主要的電池冷卻方式?

液冷采用冷卻液(或稱為防凍液,如乙二醇等)作為換熱介質(zhì),其傳熱系數(shù)高于空氣,換熱效果更優(yōu)?動(dòng)力電池常用的液冷方案為:動(dòng)力電池冷卻液回路與空調(diào)回路并聯(lián)耦合,通過換熱器(Chiller)對(duì)冷卻液降溫,低溫的冷卻液流經(jīng)電池從而為電池散熱?在電池內(nèi)部,電芯間通常布置冷卻板?冷卻液流經(jīng)冷卻板內(nèi)的精細(xì)流道,把電芯的熱量帶走?

風(fēng)冷系統(tǒng)較為傳統(tǒng),在國(guó)內(nèi)使用較多?按照技術(shù)類型主要分為被動(dòng)式風(fēng)冷系統(tǒng)與主動(dòng)式風(fēng)冷系統(tǒng)?被動(dòng)式風(fēng)冷系統(tǒng)指的是汽車行駛時(shí)自然吸入外部環(huán)境空氣或駕駛艙內(nèi)的空氣與電池形成對(duì)流帶走熱量?主動(dòng)式風(fēng)冷系統(tǒng)通常是利用空調(diào)系統(tǒng)蒸發(fā)器和電池包專用蒸發(fā)器對(duì)外部環(huán)境空氣處理后進(jìn)入電池包完成冷卻或加熱?

風(fēng)冷系統(tǒng)的特點(diǎn)系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單?成本較低,但熱管理的效果相對(duì)一般,主要應(yīng)用于早期的乘用車及大巴車等?

3.2.2 空調(diào)系統(tǒng)的趨勢(shì)

目前新能源汽車的空調(diào)系統(tǒng)主要有兩種,PTC 空調(diào)和熱泵空調(diào)?

PTC 是 Positive Temperature Coefficient 的縮寫,意思是正的溫度系數(shù),泛指正溫度系數(shù)很大的半導(dǎo)體材料或元器件,簡(jiǎn)稱 PTC 熱敏電阻?PTC 技術(shù)的基本原理是給陶瓷/電阻絲等熱材料通電,從而產(chǎn)生熱量,給艙內(nèi)供暖?如果熱量不夠,可通過增加電阻數(shù)量或者加大功率的方式提高產(chǎn)熱量?

PTC 空調(diào)具有恒溫發(fā)熱特性,其原理是 PTC 加熱片加電后自熱升溫使阻值升高進(jìn)入躍變區(qū),PTC 加熱片表面溫度將保持恒定值,該溫度只與 PTC 加熱片的居里溫度和外加電壓有關(guān),而與環(huán)境溫度基本無關(guān)?PTC 空調(diào)中所用的 PTC陶瓷發(fā)熱元件,由若干單片并聯(lián)組合后與波紋鋁條經(jīng)高溫膠結(jié)組成?該類型 PTC加熱器有熱阻小?換熱效率高及長(zhǎng)期使用功率衰減低的優(yōu)點(diǎn),而且安全性能較好,即遇風(fēng)機(jī)故障停轉(zhuǎn)時(shí),PTC加熱器因得不到充分散熱,其輸入功率會(huì)自動(dòng)急劇下降,此時(shí)加熱器的表面溫度維持在居里溫度左右(一般在 250℃上下),從而不致產(chǎn)生如電熱管類加熱器的表面“發(fā)紅”現(xiàn)象,安全事故發(fā)生的概率較低?

PTC 的特點(diǎn)是成本低?結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單?出熱快?受外界環(huán)境影響小,因此從入門車到高端車都普遍在使用?PTC 加熱器的整體外形輕巧,在整機(jī)內(nèi)裝配極為便捷?

PTC 空調(diào)的不足是明顯影響車輛續(xù)航?因?yàn)樗枰碾姲l(fā)熱,所以直接影響車輛續(xù)航,隨著外界溫度降低,PTC 的電阻值隨之減小,電流通過電阻產(chǎn)生熱量,其制熱能效比(COP)最大值不超過 1,也就是說 1kW 電量最多可產(chǎn)生 1kW 熱量,試驗(yàn)表明,當(dāng)冬季行駛時(shí)打開暖風(fēng),全程至少消耗三分之一電量,功率越大耗能越大,時(shí)間越久耗能越大,冬季續(xù)航里程會(huì)受到極大的影響,這個(gè)不足在續(xù)航能力較差的新能源汽車上顯得尤為明顯?

熱泵系統(tǒng)采暖/制冷時(shí),低溫低壓的氣態(tài)制冷劑在壓縮機(jī)內(nèi)被壓縮成高溫高壓狀態(tài)后,制冷劑流入內(nèi)/外部換熱器,向車內(nèi)空氣/車外環(huán)境放熱,變?yōu)楦邏阂簯B(tài),然后流過儲(chǔ)液干燥瓶,除去水分和雜質(zhì),再經(jīng)過膨脹閥轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏氐蛪簹庖夯旌蠎B(tài),最后經(jīng)過外部/車內(nèi)換熱器從車外/車內(nèi)吸熱變?yōu)榈蜏氐蛪簹鈶B(tài)并進(jìn)入下一個(gè)循環(huán),車內(nèi)空氣流經(jīng)車內(nèi)換熱器吸熱升溫/放熱降溫,實(shí)現(xiàn)車內(nèi)采暖/降溫功能?

熱泵式空調(diào)系統(tǒng)通過熱泵技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車內(nèi)部的制熱,其高效的制熱能效比符合新能源汽車的發(fā)展方向,而且熱泵式空調(diào)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式是電動(dòng)壓縮機(jī),具有獨(dú)立的能源提供方式,熱泵式空調(diào)系統(tǒng)對(duì)新能源汽車的運(yùn)行狀況并無明顯影響?因?yàn)榭团摣@得的熱量=消耗的電能+外界吸進(jìn)來的熱能,那么熱能效比 COP(吸收的熱能+消耗電能)/消耗電能)一定大于 1,讓 1kW 電功率能夠達(dá)到 1.5kW甚至 2kW 的熱量?

熱泵空調(diào)的制熱效率相對(duì)于 PTC 空調(diào)要高,有較好的前景?熱泵空調(diào)系可提升整車電能利用效率,改變純電動(dòng)汽車在低溫環(huán)境下續(xù)駛里程大幅縮減的現(xiàn)象?其基本原理為利用四通閥使熱泵空調(diào)的蒸發(fā)器和冷凝器功能對(duì)換,從而改變熱量的傳遞方向,來實(shí)現(xiàn)制熱的目的?由于熱泵空調(diào)相對(duì)高效節(jié)能,新能源汽車未來可能采用熱泵空調(diào)為主?

熱泵系統(tǒng)可以把熱量從溫度低的地方搬用到溫度高的地方?主要是把外界環(huán)境中的熱量收集起來,蒸發(fā)吸熱,液化放熱?在夏季,熱泵系統(tǒng)把車內(nèi)的熱量搬向車外,達(dá)到制冷效果?在冬季制熱時(shí),把車外的熱量送到車內(nèi)?比 PTC 節(jié)能很多,大約能節(jié)省 30%-50%的空調(diào)功耗?主要的零部件是壓縮機(jī)?泵體等?

不過,熱泵的滲透率難以達(dá)到 100%,因?yàn)樵趯?duì)制暖需求不高的地區(qū),熱泵空調(diào)不具備性價(jià)比?另外,即使采用熱泵空調(diào),PTC 短期依然難以被完全替代,因?yàn)?/span>:1)當(dāng)前,僅靠熱泵難以滿足除霜除霧的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn),PTC 仍然是當(dāng)前新能源汽車的標(biāo)配;2)PTC 具有成本優(yōu)勢(shì)?

3.2.3 電驅(qū)電控系統(tǒng)熱管理

電機(jī)和電控(逆變器?充電機(jī)?DCDC 等)是新能源汽車一大發(fā)熱源?在高功率輸出和充電情況下電機(jī)繞組和 IGBT 會(huì)產(chǎn)生大量熱,若熱量不能及時(shí)散去,電磁?電子元件在高溫下性能和壽命下降,最終致整車性能減弱甚至引發(fā)故障停機(jī)?

與傳統(tǒng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)相似?電機(jī)冷卻主流方式是液冷,部分高性能車采用油冷式?在大電流下,電機(jī)內(nèi)耗以熱量方式急劇增加?如果電機(jī)在大電流工況下運(yùn)轉(zhuǎn)得不到有效的冷卻,電機(jī)的內(nèi)部溫度不斷升高,會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)效率下降?如果溫度過高,就會(huì)造威內(nèi)部燒蝕甚至擊穿導(dǎo)致電機(jī)損壞?根據(jù)介質(zhì)種類,電機(jī)冷卻系統(tǒng)分為空冷?水冷和油冷?空冷即風(fēng)冷,散熱能力有限,通常用于功率不高的微小型電動(dòng)車?水冷是目前電機(jī)的主流散熱方式?冷卻液通過流經(jīng)電機(jī)殼體帶走熱量?不過,轉(zhuǎn)子?繞組?定子等內(nèi)部元件的熱量需經(jīng)過層層部件傳導(dǎo)至外殼與冷卻液熱交換,傳遞路徑長(zhǎng),存在溫度梯度,散熱效率低,易形成局部熱點(diǎn)?油不導(dǎo)電?不導(dǎo)磁?導(dǎo)熱好,可作為介質(zhì)直接冷卻電機(jī)內(nèi)部部件?油冷方式需要增加一個(gè)油冷卻器使油與冷卻液進(jìn)行熱交換?油冷系統(tǒng)復(fù)雜,技術(shù)難度大,成本高,目前除特斯拉外應(yīng)用并不多?

電控系統(tǒng)的發(fā)熱部件主要來自 IGBT 等功率元件?對(duì)電機(jī)高功率的追求和對(duì)電控系統(tǒng)緊湊化設(shè)計(jì)的要求向電控系統(tǒng)尤其是功率元件的散熱提出更高的挑戰(zhàn)?目前,通常把電控系統(tǒng)和電機(jī)串聯(lián)在一個(gè)冷卻回路,通過散熱器散熱,架構(gòu)與發(fā)動(dòng)機(jī)散熱系統(tǒng)相似?

3.3 新能源汽車熱管理行業(yè)展望

目前汽車市場(chǎng)上新能源汽車爆發(fā)式增長(zhǎng),助力汽車行業(yè)景氣向上?2021 年 1 月中國(guó)新能源汽車銷量為 17.9 萬輛,同比增長(zhǎng) 238.5%,銷量快速爆發(fā),新能源汽車市場(chǎng)成為汽車市場(chǎng)復(fù)蘇的主要驅(qū)動(dòng)力?

未來,中汽協(xié)預(yù)計(jì) 2021 年汽車總銷量達(dá) 2630 萬輛,同比增長(zhǎng)約 4%;2025 年國(guó)內(nèi)汽車銷量有望突破 3000 萬輛,估計(jì) 2020-2025 年的年復(fù)合增長(zhǎng)率為3.5%?

同時(shí),新能源汽車熱管理系統(tǒng)相比與傳統(tǒng)汽車的更為復(fù)雜,也決定了新能源汽車熱管理系統(tǒng)的價(jià)值更高,在整車制造成本中所占的比例將會(huì)提升?

總體來看,新能源汽車總體銷量在未來將會(huì)保持持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì),與此同時(shí),具有更高價(jià)值的熱管理系統(tǒng),將助力新能源汽車熱管理市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)快速增長(zhǎng)?量?jī)r(jià)齊升?

4 總結(jié)

在碳達(dá)峰?碳中和大背景下,熱管理技術(shù)作為助力企業(yè)綠色轉(zhuǎn)型的重要手段,對(duì)工業(yè)各領(lǐng)域的長(zhǎng)期趨勢(shì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響,熱管理行業(yè)即將迎來新的發(fā)展機(jī)遇?本文從電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域?通信電子行業(yè)?新能源汽車三條思路出發(fā),介紹了雙碳加持背景下對(duì)熱管理行業(yè)產(chǎn)生的新需求以及新技術(shù)方向,可供相關(guān)專業(yè)人員參考?

來源：《熱控及熱管理》期刊    

作者：孫萌

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