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新能源车热泵空调行业

特普生科技 特普生科技 2023-05-09 13 638

1、空调系统在热管理系统重要作用

狭义汽车热管理是指对所有车载热源系统进行综合管理和优化;广义汽车热管理系统还包括空调系统。热管理在汽车节能、环保、安全、舒适性等方面具有重要作用。

传统汽车的热管理系统包括发动机冷却系统、润滑系统、进排气系统、发动机机舱空气流动系统以及驾驶室的空调暖风系统等。这些系统具体涉及冷却介质、热交换器、风扇、泵、底盘空气流通以及传感器等元件。


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传统汽车热管理系统


对于新能源车汽车,其热管理系统包括空调系统,除此还包括电池热管理、电机电控热管理及其他设备的冷却。新能源车和传统燃油车最大的不同在于动力系统,前者是电能转化为机械能,后者是化学能转化为内能再转化为机械能。

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新能源汽车热管理系统

新能源汽车的热管理系统与传统燃油车有两个主要区别:

1. 传统燃油车的热管理系统主要围绕着发动机设计(例如,发动机带动空调压缩机、水泵运转,座舱制暖则利用发动机废热)。但是对于新能源汽车来说,要么没有发动机,要么发动机只有部分时间工作,因此需要电动化空调压缩机和水泵,并且采用其他方式(如 PTC 或热泵)为座舱制暖。

2. 新能源汽车的动力电池需要精细的散热和加热管理。相比之下,传统燃油车不需要太多的电池热管理措施。因此,新能源汽车的热管理系统需要新增动力电池热管理回路,例如增加 chiller、电池冷却水板、阀件、PTC 等。


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新能源汽车热管理解决方案(PHEV)

2、新能源车制热方案为PTC、热泵模式

新能源车空调系统由电能驱动。对于新能源汽车既没有发动机作为空调压缩机的动力源,也没有发动机余热可以利用达到取暖、除霜的效果。通常新能源车空调系统的冷源、热源和其他能源都来自电池。

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传统汽车(左)与新能源汽车空调系统(右

汽车空调直接影响驾驶舒适性,对于新能源汽车来讲,还影响其续航里程。根据 ANL 对 Nissan Leaf 的测试,在高速公路循环路况下,当外界温度为 95F(35℃)时,调节车内温度至72F(22.2℃),车辆续航里程与不开空调时相比下降 4%;当外界温度为 20F-6.7℃)时,调节车内温度至 72F22.2℃),车辆续航里程与不开空调时相比下降 30%。


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不同路况下开启空调对 Nissan Leaf 续航里程的影响%

目前空调系统制热方案包括 PTC和热泵模式等。

(1)制冷方案:

制冷方案基本上都采用电动压缩制冷方式。例如,福克斯新能源车的空调系统采用的是“压缩机-冷凝器-膨胀阀-蒸发器”的制冷循环。

(2)制热方案:

制热方案主要包括 PTC(液体/空气)和热泵系统等。例如,福克斯新能源车在温度较低或车辆起动时采用 PTC 加热方案,而当电机温度达到一定数值后,则采用电机余热方案。相比之下,特斯拉 Model-X 制热模式采用空气 PTC 方案,其效率比液体 PTC 方案更高。


PTCPositive Temperature Coefficient,泛指正温度系数很大的半导体材料。
热泵:是一种将低位热源的热能转移到高位热源的装置。

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新能源车冷暖双模式热泵空调原理图

3、热泵技术,是未来发展趋势

PTC 热敏电阻制热存在功耗大的缺陷。

新能源车通过 PTC 热敏电阻制热,即通过电阻的热效应生产热量,具备了结构简单且制热效果好的优点,但是存在着功耗过大的严重缺陷。PTC 加热方案耗能较多,对新能源车续航里程的影响更甚。

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PTC 热敏电阻

热泵空调技术是将低位热源的热能转移到高位。

泵是将低处的水泵到高处,热泵则类似,是一种可以将低位热源的热能强制转移到高位热源的空调装置。

热泵系统中使用四通换向阀可以使热泵空调的蒸发器和冷凝器功能互相对换,改变热量转移方向,从而达到夏天制冷冬天制热的效果。当前热泵系统的类型主要有直接式热泵空调系统、间接式热泵空调系统和补气增焓直接式热泵空调系统等。

热泵空调相对于 PTC 加热的优势就在于更加节能。

热泵空调方案的耗能大约为 PTC 加热模式的 50%因此,从应用层面来看,热泵空调方案更具优势,但其技术要求也相对较高,特别需要解决低温情形下室外换热器结霜的问题。

荣威 Ei5 纯热泵与 PTC 制热能耗对比试验图

热泵空调在新能源车领域实现快速推广。

当前热泵空调技术在新能源车领域已经得到了市场验证,国际主要车型包括大众、奥迪、雷诺、宝马、日产等品牌均已量产装车。近年来国产电动汽车热泵空调也开始装车,如荣威 Ei5、荣威 MARVEL X等车型覆盖纯电和混动。

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主要车企热泵空调系统应用情况(2019 年)

4、新空调空调单车价值大于传统汽车

新能源车的空调系统不仅要实现制冷/制热功能,而且要兼顾系统能耗,这使得其空调系统的复杂程度对比传统燃油车更高。新能源汽车的热管理系统单车价值量高于传统燃油车主要体现在四方面:

1、相对燃油车新增零部件。动力电池散热回路,增加了 chiller(电池冷却器)、动力电池冷却水板、阀件等;座舱制暖需增加 PTC 或热泵;

2、空调压缩机、水泵电动化,单件成本提高。

3、为了冷却动力电池,在动力电池散热回路与空调系统并联的情况下,通常依靠空调制冷冷却电池的冷却液。在高温天气下,空调系统需要同时为座舱和电池制冷,这会增加空调系统的工作负荷,因此需要更高功率的电动空调压缩机来满足需求。

4、电机电控的散热要求更高,因为如果电机温度过高,容易产生热磁退,而电子元器件在高温下可能会出现性能下降或损坏。因此,电机电控对散热系统的要求较高。一些新能源汽车,如特斯拉 Model 3,已经采用油冷方式对驱动电机进行散热。


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汽车热管理系统发展趋势

新能源车空调系统单车价值量对比传统燃油车大幅提升。

我们测算,新能源汽车热管理系统单车价值量约为 7000~8000 元,较传统燃油车提升约 1倍。其中,新能源新能源车的空调系统(传统冷媒)单车价值量约为 3950元,较传统燃油车的单车价值量 1610 元,大幅提升。

国内热泵空调系统市场发展潜力巨大。

《新能源汽车产业发展规划(2021-2025)》(意见稿)提出 2025 年渗透率目标 25%。我们以此测算,2025 年国内新能源车销量有望达到 710 万的规模,对应热管理系统的空间约为 500 亿元,其中空调系统单车价值量约为 3950 元,对应市场空间约为280 亿元。未来伴随着二氧化碳热泵技术普及,空调系统空间有望实现进一步提升。


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国内新能源汽车销量预测


5、竞争格局:技术变革期国内机遇

目前新能源汽车热管理行业的主要企业可以分为三类:

国外热管理龙头企业,包括电装、翰昂、法雷奥、马勒等。

这些企业在传统汽车热管理的市场份额高,据法雷奥2018年年报数据,电装、法雷奥、翰昂、马勒四家龙头企业收入占热管理市场55%份额,也已较早推出新能源车热管理相关产品,如法雷奥的热管理系统可回收能量,能延长电动汽车的续航里程——冬天可延长 30%,夏天延长20%。他们的优势在于技术实力较强,但成本也比较高。


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国内热管理领域的优质上市公司,包括三花智控(002050.SZ)、克来机电(603960.SH)、奥特佳(002239.SZ)、松芝股份(002454.SZ)、银轮股份(002126.SZ)等。

这类公司大多主营热管理核心零部件,而且是相应细分领域龙头企业,部分企业正在成长为解决方案提供商。其优势是对市场需求比较敏感,能够适应目前国内新能源汽车企业的开发节奏。


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国内上市公司新能源汽车热管理产品

部分动力电池企业,包括 CATL、国轩高科等。电池热管理是动力电池的关键辅助系统,部分动力电池企业倾向于自己配套电池热管理模块。

18 世纪末期,随着蒸汽机技术的逐步成熟,真正意义上的汽车开始出现,汽车行业的机械化大幕正式拉开;

19 世纪之后,电动汽车和内燃机汽车相继被发明;

20 世纪以来,内燃机汽车快速发展,成为汽车市场最为重要的组成部分。回顾过去 200 多年的发展历史,动力源的更替是汽车发展史上最为重要的变革。

对于新能源汽车而言,空调系统的动力来源不再是传统发动机,而是动力电池,因此其技术方案需要重新设计。因此,总体来说,在汽车电动化浪潮中,已有的汽车热管理和空调市场竞争格局已经出现了变化,国内企业可能存在弯道超车的机会。


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主流车企计划推出的新能源车型号及动力电池容量(2019 年)

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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