新能源汽车热管理技术发展趋势分析.docx

新能源汽车热管理技术发展趋势分析目录1.前言1?新能源汽车热管理领域竞争格局分析1?新能源汽车热管理领域核心部件发展分析4?主要核心零部件技术发展分析5?主要核心零部件市场分析7?新能源汽车热管理技术升级方向9? ?电池热管理9? ?整车空调系统11?电驱动及电子元器件11?新能源车热管理行业新趋势13? ?趋势一：热管理系统向集成化趋势发展13? ?趋势二：技术赋能，二氧化碳热泵大有可为16?总结与分析171.前言目前，热管理系统设计主要掌握在主机厂手中，零部件领域以阀体和换热 设备的外资替代率最高。我国部分以传统汽车热管理业务为主的零部件公司， 如三花智控、银轮股份、奥特佳等，也在加大布局。新能源汽车热管理行业正 处于发展初期，国际巨头具备丰厚的技术储备，本土企业兼具贴近市场和低成 本两大优势，两类企业各有机会。前瞻产业研究院在新能源汽车热管理行业分析中指出新能源汽车热管理是 一个随着新能源整车增长而增长的增量市场，随着新能源汽车的渗透率提升和 产品性能升级，热管理系统行业未来市场空间和价值巨大。新能源汽车发展对 安全性、续驶里程和节能性等性能提出了更高要求。KBennion等的研究证明, 将电池热管理系统和高效暖通空调系统等进行集成，应用车辆热管理技术可以 有效改善上述性能。新能源汽车热管理领域竞争格局分析目前涉及新能源汽车热管理领域的厂商可主要分为两大阵营：一类是国际 巨头，主要是传统车热管理业务的延伸，如电装、法雷奥等；另一类是零部件供应商的业务升级，随着电动化进程加快，抓住新生零部 件机会，如三花智控、银轮股份等。从国际巨头的产品线来看，均为系统集成 化产品，其优点是能够了提高新能源车的能量利用效率和续驶能力，国内企业 则集中于单一布局（表1）。表I国内外新能源汽车热管理供应商及产品配套企业系统集成单个部件主要配套客户池管系充 电热理统电动 压缩 机热泵系统PTC 加热 器电子水泵电池 冷却 器电池 冷却 版电子 膨胀 阀电装VVV法雷 奥马勒翰昂VVV银轮 股份VV特斯拉、宁德 时代、沃尔沃、 戴姆勒、长安 福特、通用、吉 利、江铃新能 源花控 三智VVV特斯拉、戴姆 勒、宝马、沃尔 沃、大众、通 用、吉利、蔚来奥特 14特斯拉、大众、 蔚来对于国际巨头来讲，主要集中于系统化的产品供应，占据中高端市场，而 且布局产品较丰富，基本涉及热管理全线产品，在技术积累方面具备优势。热 管理领域巨头在传统汽车热管理方面的技术及产品已相对成熟，并且进入新能 源汽车热管理领域的时间较早。目前，热管理主流布局方向是绑定热管理供应商定制化方案，因此传统热 管理供应商巨头凭借技术积累和客户优势，切入电动车车热管理领域。电装主要业务涉及动力系统、汽车电子及电气化系统、热管理系统（主要为 空调系统及压缩机等）等，2019年业务总营收466亿美元，其中热管理系统营 收占比为26.2%,占据全球热管理市场份额的26.5%o法雷奥业务涉及舒适及驾驶辅助、动力总成、热管理系统、能见度系统等, 2019年新能源汽车热管理系统实现营收51亿美元（同比增长0.3%）,占公司总 营收23.7%。占全球热管理市场份额的10.3%。翰昂主要涉足汽车暖风空调系统、动力传动系统冷却系统、电池热管理系 统、热泵系统、压缩机、管路、泵、阀门及换热管等热管理全线产品，2019年 实现营收61亿美元，占全球热管理市场份额的10.2%o马勒布局发动机活塞、滤清器、汽车空调系统三大主线，2018年热管理系 统实现营收55亿美元，占比4L9%（同比上升6.9%）,占全球热管理市场份额的 11.9%o而对于目前国内供应商来说，由于起步较晚，相对应的技术储备不够完善, 系统化集成产品与国际巨头差别较大。然而，自主企业对于单一零部件产品技 术已达较高水平，在中低端市场中占据优势，并且各有专攻。银轮股份、三花 智控、奥特佳、松芝空调、腾龙股份分别主打换热器、电子膨胀阀、压缩机、 空调总成、空调管路产品。目前国内进驻热管理领域的企业大致可以分为两类，一类是本土汽车热管 理龙头企业，正如前面提及的银轮股份、三花智控、奥特佳、松芝股份等，另 一类是国内新兴热管理类零部件企业，如浙江清优、祥博传热等。一方面，对于本土汽车热管理龙头企业来看，全球热管理市场份额分别为: 银轮股份4.2%,奥特佳3.5%,三花智控1.78%,由此可见相较海外巨头依然 存在差距。但是本土汽车热管理龙头的优势也较为明显：1）国内市场大，多绑定国内整车厂，国内市场占据优势；2）产品具备价格优势，同类产品较外资价格更便宜；3）成本管控力强，产品毛利率普遍高于外资。但是，在产品种类以及技术 等方面仍有较大升级空间。另一方面，国内一类新兴热管理类零部件企业正在同步发展，代表企业有 浙江清优和祥博传热。这类企业优势也较为明显：成立时间短，没有历史包袱, 可以更加专注于新能源汽车热管理的技术研发（无需兼顾传统汽车热管理），另外 公司体制及管理方式也更加灵活，响应速度更快。劣势主要在于此类企业规模 较小，产量有限，另外品牌的知名度仍然需要进一步打造。?.新能源汽车热管理领域核心部件发展分析目前传统车热管理方案已经较为成熟，传统内燃机汽车可以利用发动机的 余热进行采暖，但是纯电动汽车的空调系统工作所需能量均来自动力电池，欧 阳东等的研究中也指出了空调系统的能效水平直接影响电动车整车经济性和续 驶里程。新能源汽车电池热管理系统较发动机热管理系统多出制热需求，新能 源空调系统以电动压缩机替代普通压缩机制冷（图1）,以诸如PTC加热器或热 泵等电热器替代发动机余热制热,Farrington指出电动车运行空调加热和冷却装 置后，其最大续驶里程下降约40%,这对于相应技术提出了更高要求，技术升 级需求加速。图1传统车VS纯电动车热管理随着汽车电气化升级，热管理领域新生零部件迎来增量市场，在新能源汽 车新增的电池冷却、热泵系统以及其他电气化升级带动下，热管理方案中运用 的部分零部件种类随之发生变化。随着新能源汽车的渗透率提升以及产品性能 升级，热管理系统行业未来市场空间和价值巨大。在热管理方案中，主要应用的零部件分为阀类、换热器类、泵类、压缩机 类、传感器类、管路和其他运用较多的部件类。随着汽车电动化的加速，一些 新生零部件随之发展。与传统燃油车相比，新能源汽车热管理系统新增了电动 压缩机、电子膨胀阀、电池冷却器、PTC加热器部件，系统集成度及复杂度更 高，合计单车配套价值量有望达到7000元。?.主要核心零部件技术发展分析KBennion等的研究表明，车内取暖和空调需要消耗的能量最多，因此需 要使用效率更高的电动空调系统进一步提高电动汽车系统的能源效率，优化车 辆的热状态管理策略。空调系统的采暖模式对冬季电动汽车的续驶里程具有至 关重要的影响，目前，电动车因为缺乏零成本的发动机热源，主要采用构造简 单、成本低廉的PTC加热器作为补充。根据换热对象的不同，PTC加热器可以 分为风暖（加热空气）和水暖（加热防冻液），其中水暖方案逐步成为主流趋势，一 方面水暖方案没有融化风道的隐患，另一方面水暖方案可以很好的融入到整车 的液冷方案中。但是，目前来看PTC加热方案同时存在诸多弊端，采暖能耗高、 对于续驶里程的影响较大，由此便加速了热泵系统的发展。热泵系统可以有效 解决采暖导致的续驶里程焦虑问题，张皓等的研究表明，热泵的节能效果更加 明显，其采暖模式热效率是PTC加热模式的2倍。当然，目前热泵系统同样存 在一定的弊端，当环境温度低于-5 时，热泵空调系统会失效，而PTC加热系 统仍可以正常工作。当前，热泵系统还处发展初期，一系列技术问题依然有待 解决，如低温启动难、换热器结霜降低冷换热效率、制冷剂性选取未达一致的 问题。艾志华的研究中也提到了纯电动车的热泵空调系统主要由电动压缩机、车 外换热器、车内换热器、四通换向阀、电子膨胀阀等构件组成，当然为了提高 热泵系统的性能，可能还需要添加储液干燥器、换热器风扇等辅助部件。电动 压缩机是热泵空调循环制冷剂介质流动的动力来源，其性能好坏直接影响热泵 空调系统的能耗及制冷或制热的效能。从目前空调压缩机的发展趋势来看，结 构紧凑、高效节能以及微振、低噪等特点是空调压缩机制造技术不断发展的方 向。随着汽车舒适度的不断提高、新式空调系统的不断出现,促使空调压缩机制 造技术不断进步。从分类上来看，汽车空调压缩机多为油润滑式容积式结构， 主要列于表2o表2汽车空调压缩机分类情况往复活塞式旋转式压缩机类型斜盘式旋叶式涡旋式市占率/%701020斜盘式压缩机是一种轴向往复活塞式压缩机，由于其低成本、高效率的优 势主要在传统车领域获得广泛应用，如奥迪、捷达以及富康等轿车均采用斜盘 式压缩机作为汽车空调的制冷压缩机。旋叶式压缩机同往复式一样主要依靠气缸容积的变化来进行制冷，但它的 工作容积变化除了周期性扩大和缩小外，其空间位置也随主轴的转动不断发生 变化。赵宝平等的研究中也指出，旋叶式压缩机的工作过程一般只包括进气、 压缩、排气3个过程，基本上没有余隙容积，所以它的容积效率可以达到80% 95%o涡旋式压缩机是一种新型压缩机，主要适用于汽车空调，具有效率高、噪 音低、振动小、质量小、结构简单等优点，是一种先进的压缩机。赵宝平等也 提出，鉴于高效率和能与电驱动高度配合的优势，涡旋式压缩机已经成为电动 压缩机的最佳选择。电子膨胀阀控制器是整个空调制冷系统的一部分，李俊研究中提到，目前 国内一些电动汽车厂商在电子膨胀阀控制器的研究上加大了投入，另外，一些 独立机构和专门厂商也加大了研发力度。电子膨胀阀作为节流装置，能够实现 循环制冷剂温度及压力的控制，保证空调控制在一定的过冷度或过热度范围内, 为循环介质发生相变创造条件。另外，储液干燥器及换热器风扇等辅助部件， 可以有效除去管路加入循环介质中的杂质和水分、提高换热器的换热传热能力, 进而提高热泵空调系统的性能。前面也提到，鉴于新能源汽车与传统汽车的本质区别，增加了驱动动力总 成、动力电池、电动部件等，采用驱动电机代替内燃机。进而导致了传统汽车 的发动机附件一水泵的工作方式产生了较大变化，新能源汽车的水泵多采用电 动水泵代替传统的机械式水泵。娄锋等研究指出电动水泵，现在主要应用于驱 动电机、电动部件、动力电池等的循环冷却作用，在冬季工作工况条件下，可 以起到循环加热循环水路的作用。卢梦瑶等也提到了如何在新能源汽车运行过 程中控制其电池的使用温度，特别是电池冷却问题是非常重要的，合适的冷却 技术不仅能够提高动力电池的效率，还可以降低电池老化速度，延长电池的使 用寿命，具体涉及的冷却技术后续4.3章节部分有详细介绍。?.主要核心零部件市场分析在电气化升级带动下，汽车热管理技术相关主要核心零部件发生变化，包 括电动压缩机、PTC加热器、电子膨胀阀、电池冷却器、电子水泵等在内的新 能源汽车新生零部件迎来增量市场（表3） O表3主要核心零部件单车价值量/元核心零部件描述单车价值量电动压缩机以涡轮式为主1 500-1 600PTC加热器电动车驾驶舱空调采暖需采用 额外热源200-300电子膨胀阀主要包括控制器、执行器和传感器150200电池冷却器