新能源热管理系统深度报告:从 0 到 1 的增量市场

车辆热管理系统:降温、保温与制热的一种控制策略

车辆热管理是从系统集成和整体角度,统筹热管理系统与热管理对象、整车的关系,采用综合控制和系统管理的方法,将各个系统或部件集成一个有效的热管理系统以控制和优化车辆的热量传递过程,保证各关键部件和系统安全高效运行,完善地管理并合理利用热能,降低废热排放,提高能源利用效率。

车辆热管理广泛意义上包括对所有车载热源系统进行综合管理与优化,是对车辆适宜温度的控制策略。

传统汽车热管理系统:最重要的功能在于降温

对传统汽车来讲,热管理系统包括发动机热管理、变速箱热管理和车身热管理,具体可以体现在发动机的冷却系统、润滑系统、进排气系统和发动机机舱空气流动系统以及驾驶室的空调暖风系统等。

传统汽车热管理最重要的作用在于降温。以发动机冷却系统为例,其主要作用在于把受热零部件吸收的热量及时散发出去,保证发动机在最适应的温度下工作。

按照冷却介质的不同可以分为风冷和水冷,风冷系统是把发动机中高温零部件的热量直接散入大气而进行冷却的装置;水冷是水泵强制冷却水循环,冷却水在水套内吸收热量后,流经散热器,将热量散发到空气中,然后再流入水套,以此循环,为发动机降温。其主要构成件有:散热器(水箱)、水泵、风扇、机油冷却液、冷却水套和温度调节装置等组成。

以车身空调系统为例,其热管理组件主要包括压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀、贮液干燥器、空调管路及控制系统等组成。

基本原理如下:

(1) 制冷剂由高温高压的气体冷凝成高温高压的液体:启动汽车空调系统后,压缩机开始工作,驱使制冷剂在密封的空调系统中循环,压缩机将气态制冷剂压缩成高温高压的制冷剂气体后排出压缩机,并经管路流入冷凝器后,在冷凝器内散热、降温,冷凝成高温高压的液态制冷剂流出。

(2) 高温高压液体变成低温低压的液体。高温高压液态制冷剂经管路进入干燥储液器内,经过干燥、过滤后流进膨胀阀节流,状态发生急剧变化,变成低温低压的液态制冷剂进入蒸发器,在蒸发器内吸收流经蒸发器的空气热量,使空气温度降低,吹出冷风,产生制冷效果。

制冷剂本身因吸收了热量而蒸发成低温低压的气态制冷剂经管路被压缩机吸入,进行压缩,进入下一个循环。

新能源汽车热管理系统对整车的续航和电池寿命有决定性影响

对于新能源汽车来讲,由于其能量来源及汽车发动结构与传统汽车存在差异,因此其热管理的重点对象也有所不同,除了车身空调系统,还包括电池包管理系统、电机电控管理系统等,整个新能源热管理系统的价值量得到提升。

更重要的,新能源热管理系统对部件的功能提出了更高核心的要求,不仅要求降温,更要求部件保持温度的均衡性。

电池的适宜温度约在0-38°C之间,此时不需要加热有不需要冷却,过高或过低的温度都将引起电池寿命的较快衰减,因此,需要对电池进行均温管理。热管理系统对整车的续航和电池寿命有决定性影响,主要体现在以下3个方面:

首先,锂离子电池的温度水平直接影响其使用中的能量与功率性能。温度较低时,电池的可用容量将迅速发生衰减,在过低温度下(如低于0°C)对电池进行充电,则可能引发瞬间的电压过充现象,造成内部析锂并进而引发短路。

其次,锂离子电池的热相关问题直接影响电池的安全性。生产制造环节的缺陷或使用过程中的不当操作等可能造成电池局部过热,并进而引起连锁放热反应,最终造成冒烟、起火甚至爆炸等严重的热失控事件,威胁到车辆驾乘人员的生命安全。

最后,动力电池的大型化使得其表面积与体积之比相对减小,电池内部热量不易散出,更可能出现内部温度不均、局部温升过高等问题,从而进一步加速电池衰减,缩短电池寿命,增加用户的总拥有成本。

新能源热管理系统是一个从0-1的增量市场

从0-1,单车价值量新增4200元

新能源热管理系统相对于传统热管理系统是一个纯增量市场,单车价值量将新增4200元。假设到2030年,我国可以实现1000万新能源乘用车产量,那么在新能源零部件方面可以新增420亿市场空间。

不同类型的车型所采取的热管理系统是不同的。但典型情况下,新能源热管理系统将会新增或升级共用的部件有:

1. 水泵或电子水泵:需要新增1-2个且每个水泵的价值量可提升2倍。新能车热管理系统管路复杂,长度较长,部分节点需要用水泵对冷却液进行加压水泵。例如特斯拉和smart都有两个水泵。

2. 电动压缩机是电动汽车空调系统与燃油汽车空调系统最重要的不同之处。电动汽车由于有高压动力电池,经逆变器变换电压后将产生三相交流电源,所以可以采用高效的涡旋压缩机等先进技术,不仅节能效果明显,而且将解决车用空调的制冷剂泄漏和轴封技术难题。

3. 电子膨胀阀及多通路阀:电子膨胀阀是由控制器、执行器和传感器3部分构成。由于电子膨胀阀的感温部件为热电偶或热电阻,因此可以在低温下准确反应出过热度的变化,提供更准确的流量调节。

4. 电池冷却板(chiller)是新能源汽车上专用的紧凑型冷却器装置,Chiller中蒸发器被流经动力电池散热板的冷却液包裹,冷媒通过热交换将冷却液的热量带走,起到给电池降温的作用。当电池温度超过45°时,必须通过chiller进行冷却。

5、热泵供暖系统。热泵是把“热”从一个地方“泵”到另一个地方的工具,其并非依靠电能制热,而是将车外热量搬到车内来提升车内的温度。

主要流程:

1) 蒸发器吸收车外空气的热量;

2) 通过压缩机进一步升温;

3) 经过冷凝器放到车内制热,从而实现车外热量传递到车内。热泵系统最高可节约2/3的电耗,是目前相对主流的供热系统。

因此,正常情况下,新能源热管理系统需要单独制冷时,可将阀1打开,其他控制阀关闭;当电池同时有制冷需求时,阀2打开,此时空调的2条路同时工作,同时阀3、4也同时工作;当电机和电控需要散热时可通过控制水泵1实现。

现状:仍以降温冷却为主,热管理系统尚不成熟

新能源热管理本质上是集降温、保温及升温三种策略为一体的系统。目前新能源热管理系统以降温冷却为主,且根据冷却介质的不同,以效率与成本较低的空气冷却(风冷)和液体风冷(液冷)为主。

空气冷却技术是新能源热管理系统的主要应用之一。风冷是以低温空气为介质利用热的对流来降低电池温度的一种散热方式,分为自然冷却和强制冷却。

该技术利用自然风(自然冷却)或风机(强制冷却),配合汽车自带的蒸发器为电池降温,系统结构简单、便于维护,在早期的电动乘用车和当前的电动大巴、电动物流车被应用广泛,如NissanLeaf、KIASoulEV等。

液体冷却是当前应用最广的新能源热管理系统。液冷是通过液体对流换热方式将电池产生热量带走以达到降温目的的一种散热技术。

液体介质的换热系数高、热容量大、冷却速度快,对降低最高温度、提升电池组温度场一致性的效果显著。同时,形式上较为灵活,既可以将电池单体或模块沉浸在液体中,也可在电池模块间设置冷却通道,又或者在电池底部采用冷却板。

因此是目前大多数车型,尤其是新能源乘用车车型应用的主流技术路线。国内外的典型产品如BMWi3、TESLA、Volt、之诺、吉利帝豪都采取这种技术路线。

直冷(制冷剂直接冷却)是利用制冷剂蒸发潜热的原理,在整车或电池系统中建立空调系统,将空调系统的蒸发器安装在电池系统中,制冷剂在蒸发器中蒸发并快速高效地将电池系统的热量带走,从完成对电池系统冷却的作业。

目前通过直冷的冷却方式主要集中在中高端车型上,最典型的有BMWi3(i3有液冷、直冷两种冷却方案)。

风冷、液冷、直冷这三种冷却方式各有优缺点,综合考虑下,当前风冷和液冷最先得到应用,为主流,真正区别于传统车辆热管理的技术尚未开始应用。从制冷功率和控制策略讲,直冷方式功率最高、控制策略最难做(适用于大型功率或复杂工况下,更满足新能源高续航和快充的要求),液冷次之,风冷最差(适用于在小型功率且良好工况下使用)。

从成本角度讲,风冷(尤其座舱空调)最有优势,直冷次之,液冷最贵。但未来随着电池模块容量的增大、快充模式的普及发展,直冷模式将会是新能源电池热管理系统的主要发展方向。更满足新能源高续航和快充的要求),液冷次之,风冷最差(适用于在小型功率且良好工况下使用)。

出于对电池包大容量散热需求的考虑,国外的量产车型大多采用了液冷方案,比如,特斯拉、宝马I3。而国内上市的电动汽车电池热管理方案,比如北汽、众泰、吉利等目前上市的车型电池包还处于自然冷却状态。

我们认为,目前国内厂商的热管理方案并不能完全满足需求,未来将由目前自然冷却和风冷方案为主,快速向着液冷、直冷等方案升级,电池热管理向着高效率和精细化迈进的趋势将日趋明朗。

同一起跑线,国内热管理零部件企业有望突围当前,热管理系统的零部件参与厂商主要分为3类:国外传统的热管理供应商、国内传统的热管理供应商和新兴热管理供应商。

第一类:国外传统的热管理供应商,比如法雷奥、德纳、三电贝洱(合资)等。主要优势:较早进入新能源汽车热管理市场。例如,德纳给通用两代Volt均供应了冷却方案,优势:介入早,技术水平突出,但是成本很高。因此对突破国内新能源电动车市场快速开发的格局并不占优势。

第二类:国内传统的汽车热管理供应商,比如三花智控、银轮股份、奥特佳、松芝股份等。优势:对传统热交换领域部件有着深刻的理解,且对下游客户有部分供货,成本方面与反应速度方面更有优势。但对整个新能源热管理系统的控制策略不占优势。

第三类:热管理系统的新兴势力商。优势:响应快,比如扬州三丰,祥博传热,浙江清优等,但他们相较于传统的汽车空调企业往往体量较小,在市场后期进入价格成本战时,较容易丢失先发的优势。

总结:从技术方面讲,国外传统热管理供应商占优势,但从成本、反应速度来讲,国内的传统、新兴热管理供应商更占优势,且当前部分传统热管理供应商在某细分零部件领域的技术也获得国际客户的认可(比如三花智控的电子膨胀阀、蒸发器、四通阀已供货特斯拉,同时进入到比亚迪、吉利等供货体系;银轮股份的蒸发器已经供应广汽自主、合资福特,并进入到德国大众的供应体系;松芝股份已经为江淮大众供应热管理系统集成;奥特佳在电动压缩机方面供货奇瑞等自主品牌。

考虑到从中国新能源在全球销量的领先地位,技术迭代方面国内零部件供应商更占优势,技术方面未来也有望突围)。因此,国内外热管理系统零部件企业处于同一起跑线,且国内热管理零部件企业更容易突围。




































































































































































































































































































































































































































































































































































































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