3 新能源汽車熱管理行業(yè)觀察
3.1 新一代汽車熱管理需求
汽車熱管理系統(tǒng)的作用愈發(fā)受到重視?早期汽車研究中并沒有熱管理這個細分領域,與之相關的主要有調(diào)節(jié)車艙溫度的空調(diào)系統(tǒng),幫助發(fā)動機降溫的冷卻系統(tǒng)等等?后來汽車消費者逐漸提高對空調(diào)的舒適度要求以及對節(jié)能降費的要求,國家也逐漸提高對油耗排放等要求;而且,在汽車電動智能化浪潮下,新能源汽車高速發(fā)展,而新能源汽車的續(xù)航和安全等問題尤為突出,汽車熱管理顯得越來越重要,因此未來熱管理行業(yè)需求的確定性高?
相比傳統(tǒng)汽車的熱管理系統(tǒng),新能源汽車熱管理系統(tǒng)更為復雜,同時在系統(tǒng)效率,控溫精度放面也有了更高的要求?
傳統(tǒng)汽車的熱管理系統(tǒng),基本圍繞其動力系統(tǒng)展開,主要包括發(fā)動機冷卻系統(tǒng)以及主要利用發(fā)動機余熱和動力進行制熱/制冷的空調(diào)系統(tǒng)?
而相比于傳統(tǒng)汽車熱管理系統(tǒng),新能源汽車的熱管理系統(tǒng)脫離傳統(tǒng)“三電”,并且沒有發(fā)動機余熱可以利用,更多依靠 PTC 和熱泵,同時電池的工作特性也對新能源汽車熱管理的控溫精度提出了更高的要求?
3.2 新能源汽車熱管理系統(tǒng)發(fā)展
3.2.1 電池熱管理
電池熱管理是新能源汽車熱管理系統(tǒng)的核心?電池高效工作溫度范圍較窄,熱管理系統(tǒng)是維持電池性能和安全性的關鍵?動力電池能完全發(fā)揮性能的溫度范圍通常為 0℃~40℃?溫度過低,電池充放電功率性能下降,整車表現(xiàn)出動力不足?續(xù)航縮減;溫度過高會產(chǎn)生電池熱失控風險,威脅整車安全?
電池的“木桶效應”要求溫控均勻一致?動力電池是由大量電池單體串并聯(lián)組成的?整體的電壓?容量等易受某個“短板”電芯的影響?一個單體發(fā)生熱失控不但導致電池故障,甚至引發(fā)整個電池熱失控?為保證電芯性能的一致性,電池熱管理系統(tǒng)通常需要設計復雜?精細的冷卻回路,布置多個溫度傳感器,維持電芯溫度的一致性?
目前常用的電池散熱系統(tǒng)主要有風冷式和液冷式?隨著電池容量?功率提升,高效的液冷已經(jīng)成為主要的電池冷卻方式?
液冷采用冷卻液(或稱為防凍液,如乙二醇等)作為換熱介質(zhì),其傳熱系數(shù)高于空氣,換熱效果更優(yōu)?動力電池常用的液冷方案為:動力電池冷卻液回路與空調(diào)回路并聯(lián)耦合,通過換熱器(Chiller)對冷卻液降溫,低溫的冷卻液流經(jīng)電池從而為電池散熱?在電池內(nèi)部,電芯間通常布置冷卻板?冷卻液流經(jīng)冷卻板內(nèi)的精細流道,把電芯的熱量帶走?
風冷系統(tǒng)較為傳統(tǒng),在國內(nèi)使用較多?按照技術類型主要分為被動式風冷系統(tǒng)與主動式風冷系統(tǒng)?被動式風冷系統(tǒng)指的是汽車行駛時自然吸入外部環(huán)境空氣或駕駛艙內(nèi)的空氣與電池形成對流帶走熱量?主動式風冷系統(tǒng)通常是利用空調(diào)系統(tǒng)蒸發(fā)器和電池包專用蒸發(fā)器對外部環(huán)境空氣處理后進入電池包完成冷卻或加熱?
風冷系統(tǒng)的特點系結(jié)構(gòu)簡單?成本較低,但熱管理的效果相對一般,主要應用于早期的乘用車及大巴車等?
3.2.2 空調(diào)系統(tǒng)的趨勢
目前新能源汽車的空調(diào)系統(tǒng)主要有兩種,PTC 空調(diào)和熱泵空調(diào)?
PTC 是 Positive Temperature Coefficient 的縮寫,意思是正的溫度系數(shù),泛指正溫度系數(shù)很大的半導體材料或元器件,簡稱 PTC 熱敏電阻?PTC 技術的基本原理是給陶瓷/電阻絲等熱材料通電,從而產(chǎn)生熱量,給艙內(nèi)供暖?如果熱量不夠,可通過增加電阻數(shù)量或者加大功率的方式提高產(chǎn)熱量?
PTC 空調(diào)具有恒溫發(fā)熱特性,其原理是 PTC 加熱片加電后自熱升溫使阻值升高進入躍變區(qū),PTC 加熱片表面溫度將保持恒定值,該溫度只與 PTC 加熱片的居里溫度和外加電壓有關,而與環(huán)境溫度基本無關?PTC 空調(diào)中所用的 PTC陶瓷發(fā)熱元件,由若干單片并聯(lián)組合后與波紋鋁條經(jīng)高溫膠結(jié)組成?該類型 PTC加熱器有熱阻小?換熱效率高及長期使用功率衰減低的優(yōu)點,而且安全性能較好,即遇風機故障停轉(zhuǎn)時,PTC加熱器因得不到充分散熱,其輸入功率會自動急劇下降,此時加熱器的表面溫度維持在居里溫度左右(一般在 250℃上下),從而不致產(chǎn)生如電熱管類加熱器的表面“發(fā)紅”現(xiàn)象,安全事故發(fā)生的概率較低?
PTC 的特點是成本低?結(jié)構(gòu)簡單?出熱快?受外界環(huán)境影響小,因此從入門車到高端車都普遍在使用?PTC 加熱器的整體外形輕巧,在整機內(nèi)裝配極為便捷?
PTC 空調(diào)的不足是明顯影響車輛續(xù)航?因為它需要耗電發(fā)熱,所以直接影響車輛續(xù)航,隨著外界溫度降低,PTC 的電阻值隨之減小,電流通過電阻產(chǎn)生熱量,其制熱能效比(COP)最大值不超過 1,也就是說 1kW 電量最多可產(chǎn)生 1kW 熱量,試驗表明,當冬季行駛時打開暖風,全程至少消耗三分之一電量,功率越大耗能越大,時間越久耗能越大,冬季續(xù)航里程會受到極大的影響,這個不足在續(xù)航能力較差的新能源汽車上顯得尤為明顯?
熱泵系統(tǒng)采暖/制冷時,低溫低壓的氣態(tài)制冷劑在壓縮機內(nèi)被壓縮成高溫高壓狀態(tài)后,制冷劑流入內(nèi)/外部換熱器,向車內(nèi)空氣/車外環(huán)境放熱,變?yōu)楦邏阂簯B(tài),然后流過儲液干燥瓶,除去水分和雜質(zhì),再經(jīng)過膨脹閥轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏氐蛪簹庖夯旌蠎B(tài),最后經(jīng)過外部/車內(nèi)換熱器從車外/車內(nèi)吸熱變?yōu)榈蜏氐蛪簹鈶B(tài)并進入下一個循環(huán),車內(nèi)空氣流經(jīng)車內(nèi)換熱器吸熱升溫/放熱降溫,實現(xiàn)車內(nèi)采暖/降溫功能?
熱泵式空調(diào)系統(tǒng)通過熱泵技術實現(xiàn)對汽車內(nèi)部的制熱,其高效的制熱能效比符合新能源汽車的發(fā)展方向,而且熱泵式空調(diào)系統(tǒng)的驅(qū)動方式是電動壓縮機,具有獨立的能源提供方式,熱泵式空調(diào)系統(tǒng)對新能源汽車的運行狀況并無明顯影響?因為客艙獲得的熱量=消耗的電能+外界吸進來的熱能,那么熱能效比 COP(吸收的熱能+消耗電能)/消耗電能)一定大于 1,讓 1kW 電功率能夠達到 1.5kW甚至 2kW 的熱量?
熱泵空調(diào)的制熱效率相對于 PTC 空調(diào)要高,有較好的前景?熱泵空調(diào)系可提升整車電能利用效率,改變純電動汽車在低溫環(huán)境下續(xù)駛里程大幅縮減的現(xiàn)象?其基本原理為利用四通閥使熱泵空調(diào)的蒸發(fā)器和冷凝器功能對換,從而改變熱量的傳遞方向,來實現(xiàn)制熱的目的?由于熱泵空調(diào)相對高效節(jié)能,新能源汽車未來可能采用熱泵空調(diào)為主?
熱泵系統(tǒng)可以把熱量從溫度低的地方搬用到溫度高的地方?主要是把外界環(huán)境中的熱量收集起來,蒸發(fā)吸熱,液化放熱?在夏季,熱泵系統(tǒng)把車內(nèi)的熱量搬向車外,達到制冷效果?在冬季制熱時,把車外的熱量送到車內(nèi)?比 PTC 節(jié)能很多,大約能節(jié)省 30%-50%的空調(diào)功耗?主要的零部件是壓縮機?泵體等?
不過,熱泵的滲透率難以達到 100%,因為在對制暖需求不高的地區(qū),熱泵空調(diào)不具備性價比?另外,即使采用熱泵空調(diào),PTC 短期依然難以被完全替代,因為:1)當前,僅靠熱泵難以滿足除霜除霧的強制標準,PTC 仍然是當前新能源汽車的標配;2)PTC 具有成本優(yōu)勢?
3.2.3 電驅(qū)電控系統(tǒng)熱管理
電機和電控(逆變器?充電機?DCDC 等)是新能源汽車一大發(fā)熱源?在高功率輸出和充電情況下電機繞組和 IGBT 會產(chǎn)生大量熱,若熱量不能及時散去,電磁?電子元件在高溫下性能和壽命下降,最終致整車性能減弱甚至引發(fā)故障停機?
與傳統(tǒng)汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)相似?電機冷卻主流方式是液冷,部分高性能車采用油冷式?在大電流下,電機內(nèi)耗以熱量方式急劇增加?如果電機在大電流工況下運轉(zhuǎn)得不到有效的冷卻,電機的內(nèi)部溫度不斷升高,會導致電動機效率下降?如果溫度過高,就會造威內(nèi)部燒蝕甚至擊穿導致電機損壞?根據(jù)介質(zhì)種類,電機冷卻系統(tǒng)分為空冷?水冷和油冷?空冷即風冷,散熱能力有限,通常用于功率不高的微小型電動車?水冷是目前電機的主流散熱方式?冷卻液通過流經(jīng)電機殼體帶走熱量?不過,轉(zhuǎn)子?繞組?定子等內(nèi)部元件的熱量需經(jīng)過層層部件傳導至外殼與冷卻液熱交換,傳遞路徑長,存在溫度梯度,散熱效率低,易形成局部熱點?油不導電?不導磁?導熱好,可作為介質(zhì)直接冷卻電機內(nèi)部部件?油冷方式需要增加一個油冷卻器使油與冷卻液進行熱交換?油冷系統(tǒng)復雜,技術難度大,成本高,目前除特斯拉外應用并不多?
電控系統(tǒng)的發(fā)熱部件主要來自 IGBT 等功率元件?對電機高功率的追求和對電控系統(tǒng)緊湊化設計的要求向電控系統(tǒng)尤其是功率元件的散熱提出更高的挑戰(zhàn)?目前,通常把電控系統(tǒng)和電機串聯(lián)在一個冷卻回路,通過散熱器散熱,架構(gòu)與發(fā)動機散熱系統(tǒng)相似?
3.3 新能源汽車熱管理行業(yè)展望
目前汽車市場上新能源汽車爆發(fā)式增長,助力汽車行業(yè)景氣向上?2021 年 1 月中國新能源汽車銷量為 17.9 萬輛,同比增長 238.5%,銷量快速爆發(fā),新能源汽車市場成為汽車市場復蘇的主要驅(qū)動力?
未來,中汽協(xié)預計 2021 年汽車總銷量達 2630 萬輛,同比增長約 4%;2025 年國內(nèi)汽車銷量有望突破 3000 萬輛,估計 2020-2025 年的年復合增長率為3.5%?
同時,新能源汽車熱管理系統(tǒng)相比與傳統(tǒng)汽車的更為復雜,也決定了新能源汽車熱管理系統(tǒng)的價值更高,在整車制造成本中所占的比例將會提升?
總體來看,新能源汽車總體銷量在未來將會保持持續(xù)增長的趨勢,與此同時,具有更高價值的熱管理系統(tǒng),將助力新能源汽車熱管理市場實現(xiàn)快速增長?量價齊升?
4 總結(jié)
在碳達峰?碳中和大背景下,熱管理技術作為助力企業(yè)綠色轉(zhuǎn)型的重要手段,對工業(yè)各領域的長期趨勢產(chǎn)生深遠的影響,熱管理行業(yè)即將迎來新的發(fā)展機遇?本文從電化學儲能領域?通信電子行業(yè)?新能源汽車三條思路出發(fā),介紹了雙碳加持背景下對熱管理行業(yè)產(chǎn)生的新需求以及新技術方向,可供相關專業(yè)人員參考?
來源：《熱控及熱管理》期刊
作者：孫萌
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