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新能源车热管理“集成化”趋势

特普生科技 特普生科技 2023-03-24 12 3230

一、概述

新能源汽车加速渗透,汽车热管理迎来量价双升。预计2025年,全球新能源乘用车热管理市场规模将达到1087亿元,国内预计为706亿元。
新能源汽车的热管理发展,我们可以划分为三阶段,总体向高度集成化的方向演进:
1 )单冷配合电加热,早期乘员舱采用蒸气压缩循环制冷和 PTC制热,电池采用空冷,各子系统独立。
2) 热泵配合电辅热,乘员舱引入热泵空调,液冷逐步成为电池热管理的主流模式,对电池与乘员舱回路进行简单整合。
3) 宽温区热泵与整车热管理一体化,通过 合理增加二次换热回路,对电池电机余热进行回收利用,提升了热泵 的环境适应能力,乘员舱、电池、电机热管理回路进一步整合。
⚪动力电池
液冷逐步替代风冷成为电池热管理的主流方案,直冷是未来发展方向。
乘员舱
热泵空调渗透率快速提升,电池电机余热回收 利用、HVAC模块增加PTC辅助加热、CO2热泵空调是提高低温环境下热泵空调制热效率有效途径,预计后者是空调热管理的重要发展方向。 
电机电控
液冷是主流,油冷是未来趋势。最后,通过换热器与管路 连接实现上述回路的耦合。


二、新能源车热管理组成

汽车热管理的目标有两方面:

(1) 为驾乘人员提供舒适的温度环境;

(2) 让汽车各部件的工作温度处于适宜范围内。

传统燃油车的热管理系统主要包括:空调系统、动力系统(发动机+变速箱);新能源汽车的热管理系统包括:空调系统、三电系统热管理。

从功能看,新能源汽车增加了动力电池的制热需求


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(汽车热管理构成)


不同实现方式带来新能源汽车热管理单车 ASP 的倍增。从实现方式看,新 能源汽车与燃油车热管的区别是:

(1)  燃油车空调的制热功能是直接利用发动机余热进行供热,无需额外热源;新能源汽车需要使用额外的热源,主流的方式主要包括 PTC 加热 和热泵等。

(2) 燃油车的空调压缩机由发动机通过皮带带动,新能源汽车需要用电 带动电动压缩机。

(3) 三电系统的温控需要额外增加相关零部件及通道。新能源汽车热管理涉及零部件更多,构造也更为复杂,据电器工业测算,单车ASP约为6410元,相比传统燃油车(2230元)倍增。

三、集成化大势所趋,热泵与液冷为当前主线

(一)整车热管理架构:向更高效的集成式系统发展

从系统架构来看,新能源汽车热管理由各子系统分散运行向集成化发展。根据热管理系统架构的分散程度,可将新能源汽车热管理的发展归纳为两个阶段:

(1)空调(单冷配合 PTC 电加热)与三电系统热管理分散运行;

(2)热泵空调与三电系统(余热回收)耦合式集成热管理。


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新能源汽车热管理发展趋势

并联系统,是热管理由分散向集成的过渡形态。

早期,由于新能源汽车油改电架构限制、零部件供应商集成能力不足等原因,新能源汽车热管理的各子系统一般采用分散架构。散的热管理系统由于零部件和管路冗余导致成本较高,且无法对整车热管理进行统一协调管理,效率较低。随着技术的进步,部分企业采用子系统并联的方式提升集成化和热管理效率。

例如,通过在热泵系统中并联换热器来同时满足乘员舱与动力电池温控的需求(由于人体的舒适温度范围和动力电池所需的温控范围相近)。并联系统是热管理由分散向集成的过渡形态,其虽然提升了集成化程度,但电池、电机余热并得到有效利用。


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乘用车乘员舱空调需求


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锂电池温控需求及热负荷

集成式热管理系统可以回收三电余热降低能耗,提升热泵性能。由于热泵系统的天然缺陷,导致其在高寒环境下应用受阻,若可以回收利用电池电机余热,则能在不额外增加能耗的同时提升其性能。

耦合系统通过合理增加二次换热回路的方式,在冷却电池与电机的同时,回收余热提高新能源汽车在低温工况下的制热量。实验结果表明,余热回收式热泵空调与基础热泵空调相比,可降低系统能耗 12%-19%。


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余热回收热泵与基础热泵能耗对比

集成式热管理系统组合形式多样。集成式热管理系统会增加集成化部件,将各种阀类、泵类、换热器、传感器等核心零部件集成,节省管路及系统空间,提升热管理效率。

根据空调与电池、电机温控的不同组合,可构成不同的集成式热管理系统,余热回收式热泵在特斯拉 Model Y、大众 ID4. CROZZ 等车型上已得以应用。

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