【熱管理】特斯拉VS華為熱管理技術(shù)路線對比
發(fā)布日期：2022-10-14 瀏覽次數(shù)：890
熱管理模塊愈發(fā)得到客戶關(guān)心“管理”一詞具備兩層含義。
1.并非只是對車機(jī)進(jìn)行加熱，而是根據(jù)不同工況的熱需求為汽車提供合適的工作溫度，高溫時(shí)對車機(jī)的冷卻，雖不是加熱，但也屬于熱管理的范疇。再者，不論是加熱還是散熱都不是簡單線性的一項(xiàng)指標(biāo)，熱管理是控制工作溫度在一定的區(qū)間內(nèi)，在盡可能小的成本下，使汽車良好運(yùn)行。
2.汽車既然有散熱、加熱需求，其本身也可以通過良好的工業(yè)設(shè)計(jì)達(dá)到余熱回收的目的，實(shí)現(xiàn)熱量有效的利用，亦是汽車熱管理的含義之一。
冷啟動(dòng)順利、防止“開鍋”。對于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的熱管理系統(tǒng)中，熱管理的目的主要是兩項(xiàng)：1.在寒冷天氣，迅速暖車實(shí)現(xiàn)冷啟動(dòng)。2.在高溫天氣，防止發(fā)動(dòng)機(jī)“開鍋”。傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火一段時(shí)間后，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)冷卻，其溫度低于正常工作溫度，機(jī)油由于重力作用回流到油底殼。車輛再次啟動(dòng)時(shí)，需要通過機(jī)油泵將油底殼中的機(jī)油重新通過油道輸送至各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件和摩擦副中，并建立、保持一定的油壓。
而在冬季寒冷地區(qū)，比如東北-35℃下，汽油的霧化性極差，啟動(dòng)時(shí)必須噴射遠(yuǎn)高于正常啟動(dòng)的油量才能夠獲得有條件燃燒的混合氣，并且點(diǎn)火困難，低溫啟動(dòng)時(shí)間明顯較長，一般來說-35℃在 15s 內(nèi)啟動(dòng)成功都屬正常現(xiàn)象，缸內(nèi)直噴對于冷啟動(dòng)性能會(huì)有所改善。由于機(jī)油溫度很低，粘度變大，在低溫工況下很難快速潤滑發(fā)動(dòng)機(jī)各零部件，所以需要時(shí)間來提升油溫；另外一方面，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部各零件的間隙較大，需要經(jīng)過時(shí)間預(yù)熱，預(yù)熱膨脹后才能逐步達(dá)到規(guī)定間隙，如果在機(jī)油輸送和油壓建立的過程中，部件之間尚未形成油膜，尤其是缸蓋中的氣門液壓挺柱，需要經(jīng)歷充油的過程，此時(shí)氣門間隙較大，氣門閉合落座時(shí)將產(chǎn)生正常的機(jī)械“噠噠”聲。冷啟動(dòng)困難引起的機(jī)械磨損對于發(fā)動(dòng)機(jī)的影響是非常嚴(yán)重的，發(fā)動(dòng)機(jī) 80\%以上的磨損都是在冷啟動(dòng)階段造成的。
“開鍋”是指防凍冷卻液沸騰，呈現(xiàn)出“水被燒開”的狀態(tài)。冷卻液在正常的狀態(tài)下是不會(huì)達(dá)到沸點(diǎn)的，如果出現(xiàn)“開鍋”情況那就意味著冷卻液失效、循環(huán)冷卻系統(tǒng)故障等熱管理問題。
近年來，國內(nèi)汽車行業(yè)迅猛發(fā)展，涌現(xiàn)出不少自主品牌，熱管理問題也日益突出，在空間有限的發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)布置冷卻模塊必然會(huì)對冷卻空氣的流動(dòng)造成很大阻礙，導(dǎo)致可能出現(xiàn)局部過熱、冷側(cè)空氣流動(dòng)不良等問題。如果整車廠對冷卻系統(tǒng)換熱器的選配沒有經(jīng)過合理的計(jì)算分析，就去選擇換熱器和風(fēng)扇，這會(huì)導(dǎo)致冷卻模塊之間的匹配以及冷卻模塊與發(fā)動(dòng)機(jī)之間的匹配出現(xiàn)問題，導(dǎo)致低速工況或爬坡等極限工況出現(xiàn)冷卻液溫度過高，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)“開鍋”。進(jìn)一步導(dǎo)致連桿、活塞、活塞環(huán)等部件的強(qiáng)度降低或者變形，以至于汽車難以承受正常的駕駛負(fù)荷以及破壞各零件間的正常工作，影響整車工作的可靠性。艙內(nèi)供熱、為三電系統(tǒng)提供合適工作溫度傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)熱效率可以達(dá)到 40\%左右，通過有效的熱管理系統(tǒng)可以回收發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的余熱，提供給駕駛艙進(jìn)行供暖。但是，新能源汽車沒法利用燃燒產(chǎn)生的熱量，主流制熱方案有空氣（風(fēng)暖）PTC、水暖 PTC 和熱泵空調(diào)等。PTC 熱敏電阻型加熱系統(tǒng)的發(fā)熱原理簡單，是依靠電流通過電阻生熱，純電動(dòng)汽車上用的 PTC 是一種半導(dǎo)體熱敏電阻。PTC 的特性是隨著溫度的升高 PTC 材料的阻值也會(huì)升高，這個(gè)特性決定了恒電壓情況下，PTC 加熱器在溫度低的時(shí)候加熱快，而溫度上升后阻值變大，電流變小，PTC 消耗的能量變少，這樣就能保持溫度相對恒定。
PTC 水暖往往和電機(jī)冷卻水路并在一起；風(fēng)暖 PTC 就是直接將 PTC 安裝在駕駛室的暖風(fēng)芯體處，通過鼓風(fēng)機(jī)將車內(nèi)空氣循環(huán)起來并通過 PTC 加熱器，直接加熱駕駛室內(nèi)的空氣，結(jié)構(gòu)相對簡單 。
PTC 技術(shù)具有成本低、制造工藝簡單、加熱迅速等優(yōu)點(diǎn)，但是采用 PTC 對電動(dòng)車供暖會(huì)嚴(yán)重削減汽車的續(xù)航里程，并且 PTC 技術(shù)的 COP 小于 1，效率較低。在此背景下，熱泵技術(shù)更為所關(guān)注。從原理角度上講，熱泵核心原理就是逆卡諾循環(huán)，熱泵消耗的功可以使環(huán)境中的熱量遷移到高溫?zé)嵩瓷希湫芟禂?shù)大于一并不違反熱力學(xué)第一定律，即能量守恒定律，因?yàn)楦邷責(zé)嵩此盏臒崃坎粌H僅來自熱泵所消耗的功，也來自低溫?zé)嵩矗创髿猸h(huán)境）中的熱量。而 PTC 技術(shù)從能量轉(zhuǎn)化的角度僅僅是電能轉(zhuǎn)變成熱能，所以 COP 值在理想情況下最高也只能達(dá)到 1。
動(dòng)力電池高效工作溫度區(qū)間較窄，熱管理系統(tǒng)是維持電池性能和安全的關(guān)鍵。20-35℃是動(dòng)力電池的高效工作溫度區(qū)間，溫度過低導(dǎo)致電池充放電功率性能下降，縮短續(xù)航里程；溫度過高 45℃會(huì)產(chǎn)生電池?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn)，威脅整車安全。
另一方面，電動(dòng)車動(dòng)力電池要求溫控均勻一致，過大的差異會(huì)造成內(nèi)耗，降低電池充放電循環(huán)效率，影響電池的功率和能量發(fā)揮，嚴(yán)重時(shí)還將導(dǎo)致熱失控，影響系統(tǒng)安全性與可靠性。為了使電池包發(fā)揮最佳的性能和壽命，需要對電池進(jìn)行熱管理，通常需要復(fù)雜、精細(xì)的冷卻回路，維持電芯溫度一致性，將電池包溫度控制在合理的范圍內(nèi)。
傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車熱管理系統(tǒng)架構(gòu)
內(nèi)燃機(jī)作為傳統(tǒng)汽車的“心臟”，也作為主要的高溫?zé)嵩?，傳統(tǒng)汽車熱管理系統(tǒng)也圍繞著發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻進(jìn)行。發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度高，需通過水路循環(huán)及時(shí)散熱。傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)在工作時(shí)氣缸內(nèi)最高溫度可達(dá) 1500℃，若不及時(shí)將熱量散發(fā)出去，發(fā)動(dòng)機(jī)工作產(chǎn)生的熱量會(huì)使其迅速升溫，最終使活塞和缸體粘連導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)報(bào)廢。發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)主要由水泵、發(fā)動(dòng)機(jī)水套、節(jié)溫器、暖風(fēng)、散熱器及管路等部分組成。通過水泵將散熱器中的冷卻液泵入到發(fā)動(dòng)機(jī)水套內(nèi)，冷卻液與發(fā)動(dòng)機(jī)壁面通過熱交換帶走發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生的熱量，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷，降低其在大負(fù)荷工況下溫度過高的風(fēng)險(xiǎn)。冷卻液流出發(fā)動(dòng)機(jī)后，分兩路分別流向節(jié)溫器和暖風(fēng)散熱器，暖風(fēng)水路在發(fā)動(dòng)機(jī)任何工況下均處于流通狀態(tài)，以確保駕駛員根據(jù)需求隨時(shí)可通過暖風(fēng)的熱交換將發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)后的冷卻液的熱氣吹入駕駛室內(nèi)。
發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)機(jī)械水泵提供循環(huán)動(dòng)力，節(jié)溫器控制大小循環(huán)切換。發(fā)動(dòng)機(jī)溫度低時(shí)，冷卻液走小循環(huán)減少散熱，使得水溫快速提升到最佳溫度，改善排放性能。溫度高時(shí)，冷卻液走大循環(huán)通過散熱器和風(fēng)扇增加散熱效率。
電子節(jié)溫器技術(shù)與傳統(tǒng)熱管理方案相似，其主要差異在于將傳統(tǒng)的機(jī)械式節(jié)溫器更換成電子節(jié)溫器。傳統(tǒng)節(jié)溫器是將感應(yīng)溫度的石蠟結(jié)構(gòu)浸泡在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液中，當(dāng)冷卻液溫度升高后，石蠟受熱膨脹后將節(jié)溫器閥門頂開，從而開啟冷卻系統(tǒng)大循環(huán)。電子節(jié)溫器是通過 ECU 發(fā)送信號加熱電阻來實(shí)現(xiàn)石蠟加熱膨脹，從而開啟冷卻大循環(huán)。與傳動(dòng)的節(jié)溫器相比，電子節(jié)溫器的響應(yīng)更快、溫度調(diào)節(jié)范圍更寬。
傳統(tǒng)熱管理方案中大循環(huán)驅(qū)動(dòng)水泵為機(jī)械水泵，機(jī)械水泵通過發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸驅(qū)動(dòng)輪系多楔帶帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)水泵帶輪與曲軸皮帶輪速比確定后，水泵的轉(zhuǎn)速完全由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，因此水泵的泵水能力無法與發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷完全匹配，只能隨轉(zhuǎn)速提升而增大流量。
電動(dòng)水泵能夠從根本上解決了這個(gè)問題，電動(dòng)水泵可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)不同的工況通過 ECU 控制實(shí)現(xiàn)開關(guān)，尤其在發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)階段，電動(dòng)水泵可以停止泵水，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部冷卻液處在小循環(huán)，實(shí)現(xiàn)快速升溫，以達(dá)到快速暖機(jī)的效果。另一方面，電動(dòng)水泵也可以與電子節(jié)溫器配合使用，以達(dá)到更好的冷卻控制效果，實(shí)現(xiàn)快速暖機(jī)。
傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)還有兩項(xiàng)專有的重要技術(shù)，增壓、EGR（廢氣再循環(huán)）。渦輪增壓系統(tǒng)利用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣動(dòng)能壓縮進(jìn)氣，提高充氣效率，有益于混合氣的形成以及缸內(nèi)燃燒；而廢氣再循環(huán)系統(tǒng)通過將部分廢氣返回到發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸再次燃燒，主要是為了減少尾氣中氮氧化物含量。但這兩項(xiàng)技術(shù)分別需要對于熱管理的需求都很高，所以傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)架構(gòu)中必不可少的就是中冷器和 EGR 冷卻器。
傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車熱管理模塊拆分成發(fā)動(dòng)機(jī)、空調(diào)、進(jìn)氣三個(gè)子版塊，總計(jì)整個(gè)熱管理系統(tǒng)的單車價(jià)值量在 1960-2910 元之間。而隨著電子水泵、電子節(jié)溫器等零部件的滲透，單車價(jià)值量會(huì)繼續(xù)提升。
相比于傳統(tǒng)燃油車，新能源汽車的主要區(qū)別在于燃油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)被三電部件（電池、電機(jī)、電控）取代，相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)變?yōu)閯?dòng)力電池?zé)峁芾砗碗姍C(jī)電控冷卻系統(tǒng)，原有的汽車空調(diào)系統(tǒng)雖然保留，但是失去了原有的能量源發(fā)動(dòng)機(jī)，因此其主要部件也有較大變動(dòng)。新能源汽車熱管理系統(tǒng)包括座艙熱管理（制熱和制冷）、電池系統(tǒng)熱管理（制熱和制冷）以及電機(jī)電控冷卻系統(tǒng)三部分構(gòu)成。
客車等商用車中通常采用四通換向閥等進(jìn)行模式切換, 而乘用車空調(diào)目前主要采用三通閥的三換熱器系統(tǒng), 通過電動(dòng)二通閥或電動(dòng)三通閥實(shí)現(xiàn)制冷、制熱、除濕和蒸發(fā)器除霜模式的切換. 冬季制熱運(yùn)行時(shí), 車外換熱器(蒸發(fā)器)溫度可能低于室外空氣的露點(diǎn)溫度, 從而導(dǎo)致結(jié)霜現(xiàn)象, 當(dāng)霜層太厚時(shí)需要進(jìn)入除霜模式, 除霜模式的系統(tǒng)流程與夏季制冷模式一致. 乘用車除濕工況時(shí),空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)先經(jīng)過車內(nèi)蒸發(fā)器降溫, 將空氣中的水蒸氣凝結(jié)排出, 再經(jīng)過車內(nèi)冷凝器加熱回溫后送回車室內(nèi), 達(dá)到除濕的目的。
冷卻器（Chiller）是熱交換器的一種，其融合了蒸發(fā)器和換熱器的功能，是耦合電池液冷回路和座艙空調(diào)回路的關(guān)鍵部件，也是采用液冷方案下的新能源汽車熱管理系統(tǒng)的增量部件之一。從工作原理上看，Chiller 的內(nèi)部主體由一層層的板式換熱片堆疊組成，分為冷媒回路（蒸發(fā)器）和冷卻液回路（換熱器），冷卻液和冷媒以對流的形式在其內(nèi)部流動(dòng)。在換熱器主體中，冷卻液和冷媒隔層間隔開，相互形成三明治結(jié)構(gòu)。對流過程中熱量從冷卻液轉(zhuǎn)移到冷媒上，以實(shí)現(xiàn)換熱。電池冷卻的效率由 Chiller 的功率大小、水泵功率的大小、冷卻液流速、冷媒流速等因素決定。
壓縮機(jī)是空調(diào)系統(tǒng)的“心臟”，其作用是將低溫低壓的氣態(tài)冷媒從低壓側(cè)吸入壓縮，使其溫度和壓力升高，再泵入高壓側(cè)成為高溫高壓的氣態(tài)冷媒，往復(fù)循環(huán)，是連接空調(diào)回路低壓側(cè)和高壓側(cè)的關(guān)鍵。在燃油車車上壓縮機(jī)一般由發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶驅(qū)動(dòng)，目前電動(dòng)壓縮機(jī)的產(chǎn)品技術(shù)相對成熟，分為旋轉(zhuǎn)式（旋葉式、渦旋式和轉(zhuǎn)子式）和往復(fù)活塞式（斜盤式和曲柄連桿式）兩大類，在傳統(tǒng)燃油驅(qū)動(dòng)的乘用車上常用的是斜盤式、渦旋式和旋葉式，其中斜盤式壓縮機(jī)是往復(fù)式壓縮機(jī)的主導(dǎo)產(chǎn)品，已經(jīng)發(fā)展多年，工藝比較成熟，主要用在大排量乘用車，但能耗較高。
新能源汽車由電力驅(qū)動(dòng)，因而只能采用電動(dòng)壓縮機(jī)。相比于皮帶驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)，電動(dòng)壓縮機(jī)需要額外增加一個(gè)電機(jī)和控制器，因而其價(jià)值量相比于傳統(tǒng)壓縮機(jī)提升顯著。從技術(shù)和市場趨勢上看，考慮到新能源汽車對于能耗和噪聲的要求相比于傳統(tǒng)車高，特別是熱泵空調(diào)系統(tǒng)需要壓縮機(jī)具備高壓縮性能，因而其技術(shù)壁壘較高，目前全球市場格局仍被主流壓縮機(jī)廠商主導(dǎo)，如電裝、日本三電、翰昂（三家占比80\%以上）等。國內(nèi)廠家中奧特佳在自主品牌中份額較高，家用空調(diào)巨頭如格力等也開始借助強(qiáng)大的電動(dòng)壓縮機(jī)技術(shù)切入車用熱泵空調(diào)領(lǐng)域。目前主要的電動(dòng)壓縮機(jī)采用的是具有效率高、噪聲小、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、體積小等優(yōu)點(diǎn)渦旋式方案，如電裝自主開發(fā)的渦旋式壓縮機(jī)具有氣體噴射功能，能提高循環(huán)制冷劑的流量速率，從而改善熱泵空調(diào)的加熱性能。
膨脹閥又稱節(jié)流閥，是連接空調(diào)回路高壓側(cè)和低壓側(cè)的關(guān)鍵。熱力膨脹閥的原理與結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，廣泛應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)中，但是隨著空調(diào)節(jié)能需求的提升，變頻空調(diào)逐漸成為主流，熱力膨脹閥由于具有響應(yīng)速率慢、調(diào)節(jié)范圍小、精度低等缺點(diǎn)，正逐漸被電子膨脹閥（EXV）取代。EXV 在傳統(tǒng) TXV 上加入一個(gè)微型電機(jī)調(diào)節(jié)開度，從而控制回路流量，是可以實(shí)現(xiàn)“無極變速”調(diào)節(jié)功能的膨脹閥。從工作原理上看，EVX 同樣需要感知蒸發(fā)器出口的壓力和溫度，因而需要增加傳感器和控制器形成控制回路，因而 EXV 相比于同規(guī)格的 TXV 單價(jià)提升可達(dá) 2 倍以上。目前電子膨脹閥的市場滲透率不到 30\%，仍有較大的提升空間，且提升趨勢相對明確。
相比于傳統(tǒng)車，新能源汽車電動(dòng)化和智能化的特點(diǎn)使得電子膨脹閥的應(yīng)用更加廣泛，在整車熱管理系統(tǒng)中，除了原有的座艙熱管理系統(tǒng)中的汽車空調(diào)需要將 TXV升級為 EXV 外，跟據(jù)整車耦合方案的不同，電池和電機(jī)電控的冷卻回路還需要額外增加 1 到 2 個(gè) EXV；在熱泵空調(diào)系統(tǒng)中，除了原有制冷回路下的 EXV 外，制熱回路根據(jù)技術(shù)方案的不同也可能需要再增加 1 個(gè) EXV，因而在新能源汽車上 EXV 的整車配套量和價(jià)值量將翻倍。
新能源車無發(fā)動(dòng)機(jī)作為熱能來源，同時(shí)新增了電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，由于電池以及功率元件性能對溫度的敏感性，新能源車熱管理方案以及零部件都有較大變化，催生了對 Chiller 換熱器、冷卻班、電子膨脹閥、電子水泵、電子水閥、電動(dòng)壓縮機(jī)等零部件的需求，同時(shí)新增 PTC 加熱器或熱泵系統(tǒng)，雖然沒有了中冷器、EGR 冷卻器的需求，但總體來看新能源車熱管理單車價(jià)值量幾乎是傳統(tǒng)燃油車的兩倍，提升至5300-6400 元左右。乘聯(lián)會(huì)數(shù)據(jù)顯示，2022 年 H1 我國新能源汽車滲透率約 22\%。我們預(yù)計(jì)，2025年國內(nèi)新能源汽車滲透率或達(dá) 50\%，年銷量達(dá)到 1500 萬輛。假設(shè)傳統(tǒng)乘用車熱管理系統(tǒng)單車價(jià)值量 2500 元，新能源乘用車熱管理系統(tǒng)單車價(jià)值量 6000 元，按該假設(shè)的銷量規(guī)模和單車價(jià)值量測算得上述國內(nèi)乘用車熱管理系統(tǒng)市場規(guī)模。我們預(yù)測，2025 年國內(nèi)乘用車熱管理市場規(guī)模或超 1275 億元，2021-2025 年 CAGR 約 18\%；其中新能源約 900 億元，2021-2025 年 CAGR 約 45\% 。
