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新能源车热管理第3代:热泵系统加速

特普生科技 特普生科技 2023-05-04 12 384
一、新能源车热管理系统发展的3个阶段
第一阶段
——第一代热管理系统:电池空冷或液冷、PTC制热、电机电控液冷,且相互独立。

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 第一代热管理系统
新能源车发展初期,基本以电池、电机等动力系统替代燃油车发动机的基础上发展。正常行驶中电池系统会出现发热,而其高效的工作温度为15-35℃。由于空冷结构简单,成本较低,便于维护,从而得到了初期新能源汽车的广泛应用。
随着电机功率和充电功率的提升,空冷已不能满足电池热管理需求,逐渐升级为液冷。冬季由于环境温度较低,采用PTC对冷却液加热,然后冷却液将热量传导给电池系统。而驾驶舱内的制冷需求,沿用燃油车时代的制冷系统:将机械式空调压缩机升级为电动压缩机;制热需求通常采用 PTC 加热实现。整体上方案优点是简单,成本低,结构复杂度较低;缺点是能耗高, 冬季续航里程短。
第二阶段
——第二代热管理系统:电池液冷、PTC 制热,电机电控液冷,可以利于电机电控余热加热电池系统,热循环利用。
在第一代基础上,实现电机电控和电池热管理回路的串并联,从而充分利用电机电控的余热对电池系统加热,冬季减少PTC使用,提高电动汽车整体的热管理效率,提高电动汽车续航里程。
如小鹏P7,采用一个四通阀,实现电机电控冷却回路和电池包总成冷却回路的连通。在电池包不需要进行加热时,电机电控回路热量通过前端 模块的电机散热器总成实现散热需求,需要加热时,冷却液将电机电控的热量带出,并流经电池包冷却回路;若热量不足,通过PTC进行辅助加热,实现节能

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小鹏 P7 采用电机电控余热循环利用热管理方案
第二代热管理系统对驾驶舱和电池的加热需求仍然通过PTC实现。驾驶舱的制热需求,一般采用风暖PTC加热器。
PTC加热周围空气,然后鼓风系统将空气吹入驾驶舱实现制热功能。另外,也可以采用水暖 PTC 加热器来加热冷却液,然后冷却液流经暖风气芯实现驾驶舱的暖风制热。电池系统的加热需求,主要采用水暖PTC加热器对冷却液进行加热,实现对电池包的加热。
但PTC的功率一般在1-6kW,百公里耗电量将额外增加 4-6kWh 的电量消耗。举个例子,满电驾驶时间在4-5h,PTC加热会让新能源车的满电续航减少100-150公里,这也是冬季开暖风后续航打折的原因。

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PTC 风暖加热器(左);PTC 水暖加热器(右)
第三阶段
——第三代热管理系统:新增热泵,采用热泵系统,整体热管理系统效率更高,且更加复杂, 冷媒侧和水媒侧实现集成化,整体向集成化方向发展,以特斯拉model Y为代表。
在冷媒侧,新增室内冷凝器和冷媒三通阀来实现热泵供热的需求,替代了原有的高压 PTC 加热。新增两个低压PTC加热主要实现除霜、除雾和辅助加热的功能。通常来讲,采用热泵系统进行替代后,百公里耗电量将节省2-3kwh,实现整体续航 10%-15%的提升。

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特斯拉 model Y 余热回收与集成化热泵
特斯拉 model Y通过八通阀,将四个主要回路进行了连通,实现整个热管理系统的高效运行——实现12种制热、除雾、除霜和去湿工作模式。通过八通阀,不仅可实现电机电控余热循环加热电池,还可以间接将热量传递给驾驶舱;另外,能使电机电控系统、水冷冷凝器、低温散热器的串联,使电机电控回路和冷凝器共用一个散热器。
电池热管理回路也可以与Chiller 回路串联,实现电池回路的降温,该热量也可以间接 被热泵利用加热驾驶舱。电池热管理回路也可以与水冷冷凝器回路进行串联,通过水冷冷 凝器的热泵功能加热电池系统。
通过八通阀,可以灵活控制电池与电机电控的热管理回路、Chiller 冷却回路、水冷冷凝器制热回路的整体工作状态,实现新能源汽车热管理模块效率的最大化。

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特斯拉 model Y 八通阀实现电池、电机电控、Chiller 冷却、水冷冷凝器制热的最优配置
比亚迪海豚电池热管理采用冷媒直冷,具有效率高的优点。在新能源汽车热管理方面,比亚迪的理解同样代表着一种发展趋势。其电池热管理回路直接接入到冷媒侧,采用冷媒直接对电池系统进行热管理。
电池直冷优点明显:
热管理效率高,直接采用冷媒实现与电池的热交换,而不用通过冷媒→冷却液→电池系统的热量传导,提高热管理系统的效率,但也增加了技术难度,电池热管理回路一般较长,电池系统的热管理控制的均匀性以及热管理系统的密封性将给前期开发带来较高的技术挑战。

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第三代热管理系统:比亚迪海豚电池直冷及热泵集成化设计
二、新能源车热管理系统集成化发展的机遇
热管理系统整体表现出集成化趋势。整体上来讲,无论是在冷媒侧还是在水媒侧,整 体的发展都是朝集成化的方向发展。如特斯拉在冷媒侧,采用非常集成化方式,将众多的阀类集成在一起。
主要优势有以下几点:有效地实现平台化,有利于规模化的批量生产以及成本的降低;提升热管理效率,且在整车空间方面,节省空间给乘客提供的使用功能 。在水媒侧,集成化趋势同样明显。如图中特斯拉水媒侧基 板,将众多阀类和冷却液水壶集成在一次,其优势与冷媒侧类似。

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特斯拉 model Y 冷媒侧集成基板 (左);水媒侧集成基板(右)
比亚迪的冷媒侧集成化同样比较明显。由于电池系统采用直冷,整个系统拥有的 阀类元器件,如各种电子膨胀阀,电磁阀,截止阀等,集成化的方式可以使众多阀类和传感器的线束布局更加方便,提高整个热管理系统的可靠性并降低成本。

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国内新能源汽车在诞生初期,市场预期销量较低,在跟供应商进行接洽时,更加愿意给成长型供应商尝试的机会。这个过程中,热管理企业可充分抓住机遇,实现自身单车价值量的提升。如三花,便在国内新能源汽车发展浪潮中开发了各种集成模块,可根据客户要求进行个性化开发,包括电池热管理系统、热泵空调系统、油冷系统等。其较为领先的集成技术可实现更好的系统性能和成本竞争力。
三、热泵系统在新能源车加速渗透
根据赵宇等在《电动汽车热泵空调系统 综述》中表述,PTC 加热能效比 COP<1,而热泵空调能效比 COP 最高可达到 3 左右,热泵系统相比 PTC加热可实现3倍热效率。
在冬季,再低的温度空气中仍存在热量。电能对空气的做功,可实现更加高效的制热效率,提升电车在冬季续航里程。而PTC加热,电能只能转化为有限的热能。因此,众多整车厂为解决冬季续航问题,逐步开始将PTC切换成热泵。热泵的加入,加速了新能源电动车热管理集成化的趋势。

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热泵系统相比 PTC 加热可实现 3 倍热效率

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余热回收一体化热泵
据Wind数据,2022 年 1-10 月新能源纯电动汽车批发销量已达 387 万辆。而根据下表统计,国内配置热泵空调车型销量总和约为 129.6 万辆,由此测算热泵系统在国内纯电动汽车渗透率已达 33%。
随着特斯拉在国内销量的上升,逐步带动热泵在国内纯电动汽车市场的渗透。使国内商逐渐向特斯拉看齐,加入热泵渗透行列。国内众多整车厂,在解决电动汽车冬季续航问题上,也逐渐切入热泵行列。

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特斯拉和比亚迪是热泵车型渗透的主力,国内其他整车厂也逐渐布局。
特斯拉车型较早地将热泵系统应用到了量产车型上,促进了国内热泵行业的发展。同时比亚迪在海豚车型也逐渐应用热泵,目前在汉、唐、元、海豹等纯电车型上都已逐渐升级为热泵系统,且在长续航版的DM车型上应用了热泵。其他如蔚来全系、极氪、 问界 M5、宝马 iX3 等车型上也逐渐加入热泵队列。
从价格上看,20 万以下的车型上热泵应用较少,仅限于比亚迪海豚、元 PLUS、荣威 Ei5等。20 万以上纯电车型中,大部分都配置了热泵系统,以实现热管理效率的最大化。随着国内新能源汽车进一步展,为解决冬季续航里程打折问题,来越多车企将会配置热泵空调系统。
新能源车热管理在投融资应用

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特普生,成立于2011年,是国家高新技术、专精特新企业。主要研制NTC芯片热敏电阻温度传感器储能线束储能CCS集成采集母排储能模组铝巴等温度采集产品系列。一体化研制、一致性品质的特普生,竞争力优势明显:自主研制NTC芯片核心技术及实现医用0.3%精度;专利百项,保留不公开技术2项;为全球新能源产品、大消费品与工业品提供了定制化的温度采集技术。

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