2022年,新能源、動(dòng)力電池已經(jīng)從汽車產(chǎn)業(yè)鏈火爆出圈成為家喻戶曉的話題。在上游的天齊鋰業(yè)等鋰鹽公司以87%的夸張毛利率,半年豪取103億凈利潤(rùn)吸引走大家眼球的同時(shí),汽車熱管理這個(gè)對(duì)大多數(shù)人來說未曾聽說的板塊已經(jīng)在二級(jí)市場(chǎng)中跑贏鋰鹽及動(dòng)力電池,詮釋了悶聲發(fā)大財(cái)?shù)木琛?/p>
把時(shí)間拉回到2020年,一向以挑剔著稱的馬斯克竟一反常態(tài),大肆表?yè)P(yáng)“Model Y的熱泵是我這段時(shí)間見過最好的工程設(shè)計(jì)之一”。
比亞迪隨后在2021年推出e3.0平臺(tái)的熱管理系統(tǒng),全面取消了耗能最大的PTC控制模組,將駕駛艙制暖預(yù)熱交給熱泵電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)以及來自“8合1”電驅(qū)+電控系統(tǒng)的余熱,在設(shè)計(jì)思路上借鑒了特斯拉。
無獨(dú)有偶,一直想在汽車產(chǎn)業(yè)有所作為的華為也在2021年HI新品發(fā)布會(huì)上重點(diǎn)發(fā)布了熱管理系統(tǒng)TMS,采用一體化的設(shè)計(jì)理念,分配和傳導(dǎo)乘員艙、電池、電驅(qū)等區(qū)域的熱能,提升整車熱量的綜合利用率。
眾多大廠紛紛將熱管理系統(tǒng)推上C位,璞躍中國(guó)移動(dòng)出行團(tuán)隊(duì)認(rèn)為其深層原因在于電動(dòng)車熱管理系統(tǒng)水平高低對(duì)單車能量利用效率、續(xù)航里程及三電系統(tǒng)工作狀態(tài)均有較大影響,戰(zhàn)略意義大幅提升。同時(shí),新的需求催生出新的市場(chǎng),各大廠均希望在市場(chǎng)變革早期進(jìn)行技術(shù)卡位,對(duì)投資機(jī)構(gòu)來說,熱管理同樣具有很高投資價(jià)值。
01
電動(dòng)車單車熱管理系統(tǒng)價(jià)值翻倍,
重要性提升
為何燃油車熱管理成本低
燃油車發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度高(最高溫度可達(dá)2000℃),因此在制熱系統(tǒng)上利用發(fā)動(dòng)機(jī)工作產(chǎn)生的熱量即可,空調(diào)系統(tǒng)僅需考慮制冷功能,無需額外加裝制熱裝置。在發(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(90℃),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。
此外,由于燃油車配備的電池容量通常很小(HEV車型的電池容量大,可以使用電動(dòng)壓縮機(jī)),因此無法匹配電子壓縮機(jī),只能選擇機(jī)械壓縮機(jī)來作為空調(diào)制冷的手段。雖然機(jī)械壓縮機(jī)相比電動(dòng)壓縮機(jī)會(huì)增加油耗,但是在前裝的一次性成本上也節(jié)約了1000元左右,燃油車整車熱管理系統(tǒng)的成本僅在兩、三千元上下。
電動(dòng)車熱管理系統(tǒng)成本暴漲,
占比僅次于三電系統(tǒng)
對(duì)于電動(dòng)車而言,其熱管理系統(tǒng)由空調(diào)熱管理、電機(jī)電控?zé)峁芾砑半姵責(zé)峁芾砣糠纸M成。空調(diào)熱管理由于沒有了發(fā)動(dòng)機(jī)提供制熱,因此需要采用PTC/熱泵/薄膜加熱器來提供熱源(氫燃料電池車?yán)碚撋峡梢韵袢加蛙囈粯佑蓜?dòng)力系統(tǒng)提供熱源,但啟動(dòng)時(shí)間更長(zhǎng))。
PTC技術(shù)成熟,但是由于其電加熱的技術(shù)原理導(dǎo)致電能利用效率低于100%(每產(chǎn)生1焦耳的熱量需消耗超過1焦耳的電量),對(duì)電池消耗較大。尤其考慮到空調(diào)制熱功能最重要的使用場(chǎng)景是冬天,且溫度越低需要的制熱功率越大,采用PTC制熱會(huì)讓電動(dòng)車在冬季本就少得可憐的續(xù)航里程雪上加霜,嚴(yán)重破壞實(shí)用性。
熱泵制熱則是把熱量從相對(duì)低溫處(車外)搬到相對(duì)高溫處(車內(nèi)),利用低沸點(diǎn)的制冷劑將環(huán)境中的熱量帶入到乘客艙中,乘客艙得到的熱量為消耗的電能與吸收的低位熱能之和,因此其制熱系數(shù) COP [(吸收的低位熱能+消耗電能)/消耗電能]必然大于1(通常為1.5-5),減少了對(duì)電池的負(fù)荷。大眾ID.4 CROZZ在搭載CO2熱泵后,其冬季續(xù)航里程提升了30%。
電機(jī)和電控?zé)峁芾砜梢院芎玫亟梃b燃油車發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱熱管理模塊,同樣采用風(fēng)冷和水冷兩種方式。風(fēng)冷主要應(yīng)用于電機(jī)功率較小的低端車型,水冷則主要在功率較高的車型中使用。工作時(shí)依靠水泵帶動(dòng)冷卻液在冷卻管道中循環(huán)流動(dòng),通過散熱器等熱交換過程,使冷卻液帶走電機(jī)、電控產(chǎn)生的熱量。
電池?zé)峁芾砜梢哉f是電動(dòng)車熱管理最大的增量,同時(shí)由于環(huán)境溫度對(duì)電池的工作狀態(tài)有巨大影響,因此電池?zé)峁芾淼暮脡膶?duì)電動(dòng)車用戶體驗(yàn)至關(guān)重要。動(dòng)力電池高效工作溫度區(qū)間是 20-35℃,溫度過低(<0℃)會(huì)導(dǎo)致電池活性下降,充放電功率性能下降,縮短續(xù)航里程,破壞電池壽命;溫度過高(>45℃)則不僅會(huì)破壞電池壽命,還可能導(dǎo)致電池?zé)崾Э兀踔疗鸹鸬葒?yán)重事故發(fā)生。電池內(nèi)部溫度和電池模塊間溫度均勻性同樣會(huì)影響電池使用性能和循環(huán)壽命,因此電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)需要復(fù)雜、精細(xì)的冷卻回路來維持電芯溫度一致性,并能夠準(zhǔn)確測(cè)量和監(jiān)控電池溫度,在電池溫度過高時(shí)及時(shí)散熱、溫度過低時(shí)快速加熱。目前電池?zé)峁芾碛酗L(fēng)冷、水冷、直冷、相變材料等多種方式。
液冷方式由于其冷卻速度更快、換熱系數(shù)更高是應(yīng)用前景最好的電池?zé)峁芾矸桨福梢耘浜舷嘧儾牧系燃夹g(shù)輔助)。由于動(dòng)力電池電芯排列較為整齊,因此電池液冷主要通過液冷版的形式進(jìn)行。傳統(tǒng)電池液冷板采用整板結(jié)構(gòu),置于電池組下方。寧德時(shí)代在剛剛發(fā)布的旗艦產(chǎn)品——麒麟電池中采用在兩塊電芯中間加裝液冷板的全新布局,使相鄰兩塊電芯的熱傳導(dǎo)降低、提升安全性,但單車液冷板用量也會(huì)成倍增加。
02
熱管理新技術(shù)
為中國(guó)帶來彎道超車契機(jī)
國(guó)際四巨頭壟斷燃油車熱管理系統(tǒng)
由上圖可知,日本電裝(豐田集團(tuán)旗下)、法國(guó)法雷奧、韓國(guó)翰昂和德國(guó)的馬勒在燃油車熱管理領(lǐng)域掌控了全球約6成的市場(chǎng)份額。他們不僅擁有幾十年甚至上百年的汽車熱管理經(jīng)驗(yàn),更重要的是,在長(zhǎng)期的合作中他們與下游主機(jī)廠形成了深度綁定,新進(jìn)入者很難與之競(jìng)爭(zhēng)。
特斯拉推出高集成化熱管理系統(tǒng),
開創(chuàng)了電動(dòng)車熱管理新的發(fā)展方向
隨著電動(dòng)車銷量的增加,傳統(tǒng)四巨頭并非沒有涉足其中,只不過在設(shè)計(jì)思路上沒有打開,有照搬燃油車的思維慣性(或是對(duì)市場(chǎng)份額有恃無恐)。如2022年才開始登陸高端量產(chǎn)車的熱泵系統(tǒng),日本電裝早在2013年就在雷諾Zoe和日產(chǎn)LEAF上進(jìn)行了搭載。翰昂也是早在2014年就將熱泵搭載到起亞Soul等韓系車型。但是直到2020年特斯拉在Model Y上搭載的第四代熱管理系統(tǒng)問世,沒有人嘗試將量產(chǎn)車的電機(jī)電控以及空調(diào)熱管理的余熱進(jìn)行集成回收來為電池加熱,各模塊間依舊獨(dú)立運(yùn)行。
特斯拉在Model Y的熱管理系統(tǒng)中沒有單獨(dú)設(shè)置外置冷凝器,而是通過熱交換器和管路連接,與電池回路和電機(jī)回路進(jìn)行耦合,實(shí)現(xiàn)整個(gè)熱管理系統(tǒng)的熱量交互,同時(shí)進(jìn)一步集成化,采用了集成歧管模塊和集成閥門模塊。該系統(tǒng)通過控制膨脹閥開度,止向閥動(dòng)作來控制冷媒的循環(huán),通過控制八通閥的位置來控制冷卻液的循環(huán),最終可實(shí)現(xiàn)12種制熱模式及3種制冷模式來應(yīng)對(duì)不同工況需求,降低了單車能耗,增加續(xù)航里程。
中國(guó)企業(yè)奮起直追
特斯拉第四代熱管理的核心器件——八通閥正是由特斯拉與中國(guó)企業(yè)三花智控聯(lián)合開發(fā)完成的。三花的前身是1994年中日合資企業(yè)三花不二,經(jīng)過三十年持續(xù)不斷地在電子膨脹閥、四通閥等制冷部件領(lǐng)域投入研發(fā)并改進(jìn)產(chǎn)品性能,先后切入家用冰箱、空調(diào)、汽車等領(lǐng)域,時(shí)至今日終于在閥類產(chǎn)品走到世界前列。憑借電動(dòng)車熱管理帶來的新需求,發(fā)力向汽車熱管理Tier1企業(yè)努力。
華為意識(shí)到自己在汽車機(jī)械素質(zhì)、操控性領(lǐng)域技術(shù)薄弱,在看到面對(duì)電動(dòng)車熱管理的新需求,業(yè)界無人能給出最優(yōu)解,存在著彎道超車的機(jī)會(huì)后,毅然將汽車熱管理系統(tǒng)作為核心發(fā)力點(diǎn)之一。其TMS系統(tǒng)在部件域?qū)嚎s機(jī)、儲(chǔ)液罐、水閥、電子閥等12個(gè)主要零部件集成為一體,以基板取代傳統(tǒng)的互通管路,實(shí)現(xiàn)管路數(shù)量降低40%,部件數(shù)量降低10%,裝配工作量降低60%。在控制單元域,傳統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)各部件由電子控制單元(ECU)單獨(dú)控制,TMS將所有部件的控制單元集成于一個(gè)電子驅(qū)動(dòng)單元(EDU),能夠有效降低系統(tǒng)故障率,便于維護(hù)、診斷各系統(tǒng)部件的生命周期,提升熱管理系統(tǒng)可靠性。
03
高度集成化
是熱管理系統(tǒng)未來發(fā)展核心
當(dāng)前電動(dòng)車熱管理系統(tǒng)系統(tǒng)集成度較低,仍以分散式為主,三電系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)的回路彼此獨(dú)立,有各自的溫控和管路系統(tǒng),導(dǎo)致熱管理流程復(fù)雜,零部件較多且能量利用不充分。從整車層面看,各個(gè)分散的熱管理系統(tǒng)通過統(tǒng)籌管理可以減少能量浪費(fèi)和體積占用。當(dāng)前面臨的主要困難是控制邏輯復(fù)雜以及鋁合金加工工藝上面存在挑戰(zhàn),但璞躍中國(guó)移動(dòng)出行團(tuán)隊(duì)認(rèn)為,高能量利用效率、輕量化、長(zhǎng)續(xù)航的集成式熱管理系統(tǒng)是行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。
馬瑞利在其新推出電動(dòng)車熱管理系統(tǒng)中,突破了傳統(tǒng)鋁合金鑄造工藝的限制,將加熱、散熱、傳熱、溫控、溫感環(huán)節(jié)集成為一個(gè)部件,重量由上一代產(chǎn)品的7kg減少到0.6kg,體積大幅縮小,是電動(dòng)車熱管理集成化的一次很有意義的突破。
針對(duì)熱泵在低溫環(huán)境啟動(dòng)慢、制熱效果差的問題,可以使用CO2熱泵及/或加裝薄膜加熱器來進(jìn)行應(yīng)對(duì)。CO2熱泵空調(diào)比現(xiàn)有空調(diào)冷媒更加環(huán)保,在低溫下比R1234yf型熱泵能源利用率更高,以更少的耗電量達(dá)到相同的制熱效果。相比普通的熱泵空調(diào)系統(tǒng)很難在-15℃以下進(jìn)行使用的硬傷,CO2熱泵空調(diào)可以在-30℃持續(xù)工作,增加了實(shí)用性。CO2熱泵沒能普及的主要原因是運(yùn)行壓力高(為傳統(tǒng)熱泵的8-9倍),因此需要將整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)更換為耐高壓零部件,如耐高壓管路、耐高壓電子膨脹閥、耐高壓的空氣壓縮機(jī)等,會(huì)增加技術(shù)難度和成本。
使用薄膜加熱器+熱泵的方案確實(shí)可以很好應(yīng)對(duì)低溫工況的問題,但是成本顯著增加同時(shí)增加熱管理系統(tǒng)的體積,導(dǎo)致該方案僅能在高端車領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。
璞躍中國(guó)移動(dòng)出行團(tuán)隊(duì)認(rèn)為,雖然中國(guó)企業(yè)和特斯拉在電動(dòng)車熱管理系統(tǒng)初期競(jìng)爭(zhēng)中反應(yīng)迅速,但以Big4為代表的老牌歐美日韓的Tier1及整車廠巨頭仍然有著競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和舉足輕重的行業(yè)影響力,部分在電動(dòng)車熱管理領(lǐng)域開創(chuàng)的新技術(shù)也會(huì)反哺到燃油車熱管理上進(jìn)行應(yīng)用。大眾集團(tuán)在奧迪A8(2018)及大眾ID系列(2021)率先搭載了CO2熱泵,是全球最早在走量車型上搭載CO2熱泵的公司,其高門檻部件高壓電子壓縮機(jī)正是出自燃油車熱管理Big4之一的翰昂。中國(guó)企業(yè)仍然需要以挑戰(zhàn)者的姿態(tài),戒驕戒躁,以十年為單位制定企業(yè)戰(zhàn)略,堅(jiān)定研發(fā)導(dǎo)向,不斷改進(jìn)產(chǎn)品的同時(shí)敢于去擁抱新技術(shù),才真正有希望在這場(chǎng)沒有終點(diǎn)的馬拉松當(dāng)中建立核心優(yōu)勢(shì)。
審核編輯 黃昊宇
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