特斯拉VS华为热管理技术路线对比

发布：lidenghui 来源：

PostTime：22-7-2023 08:49

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热管理模块愈发得到客户关心，“管理”一词具备两层含义。1. 并非只是对车机进行加热，而是根据不同工况的热需求为汽车提供合适的工作温度，高温时对车机的冷却，虽不是加热，但也属于热管理的范畴。再者，不论是加 ...

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热管理模块愈发得到客户关心，“管理”一词具备两层含义。 1. 并非只是对车机进行加热，而是根据不同工况的热需求为汽车提供合适的工作温度，高温时对车机的冷却，虽不是加热，但也属于热管理的范畴。再者，不论是加热还是散热都不是简单线性的一项指标，热管理是控制工作温度在一定的区间内，在尽可能小的成本下，使汽车良好运行。 2. 汽车既然有散热、加热需求，其本身也可以通过良好的工业设计达到余热回收的目的，实现热量有效的利用，亦是汽车热管理的含义之一。 1.1 发动机热管理的目的 冷启动顺利、防止“开锅”。对于传统内燃机汽车的热管理系统中，热管理的目的主要是两项： 1.在寒冷天气，迅速暖车实现冷启动。 2.在高温天气，防止发动机“开锅”。 传统内燃机汽车当发动机熄火一段时间后，此时发动机已经冷却，其温度低于正常工作温度，机油由于重力作用回流到油底壳。车辆再次启动时，需要通过机油泵将油底壳中的机油重新通过油道输送至各个运动部件和摩擦副中，并建立、保持一定的油压。 而在冬季寒冷地区，比如东北-35℃下，汽油的雾化性极差，启动时必须喷射远高于正常启动的油量才能够获得有条件燃烧的混合气，并且点火困难，低温启动时间明显较长，一般来说-35℃在 15s 内启动成功都属正常现象，缸内直喷对于冷启动性能会有所改善。 由于机油温度很低，粘度变大，在低温工况下很难快速润滑发动机各零部件，所以需要时间来提升油温；另外一方面，发动机内部各零件的间隙较大，需要经过时间预热，预热膨胀后才能逐步达到规定间隙，如果在机油输送和油压建立的过程中，部件之间尚未形成油膜，尤其是缸盖中的气门液压挺柱，需要经历充油的过程，此时气门间隙较大，气门闭合落座时将产生正常的机械“哒哒”声。冷启动困难引起的机械磨损对于发动机的影响是非常严重的，发动机 80%以上的磨损都是在冷启动阶段造成的。 “开锅”是指防冻冷却液沸腾，呈现出“水被烧开”的状态。冷却液在正常的状态下是不会达到沸点的，如果出现“开锅”情况那就意味着冷却液失效、循环冷却系统故障等热管理问题。 近年来，国内汽车行业迅猛发展，涌现出不少自主品牌，热管理问题也日益突出，在空间有限的发动机舱内布置冷却模块必然会对冷却空气的流动造成很大阻碍，导致可能出现局部过热、冷侧空气流动不良等问题。 如果整车厂对冷却系统换热器的选配没有经过合理的计算分析，就去选择换热器和风扇，这会导致冷却模块之间的匹配以及冷却模块与发动机之间的匹配出现问题，导致低速工况或爬坡等极限工况出现冷却液温度过高，进而导致发动机“开锅”。进一步导致连杆、活塞、活塞环等部件的强度降低或者变形，以至于汽车难以承受正常的驾驶负荷以及破坏各零件间的正常工作，影响整车工作的可靠性。 1.2 新能源汽车热管理的目的： 舱内供热、为三电系统提供合适工作温度传统内燃机热效率可以达到 40%左右，通过有效的热管理系统可以回收发动机产生的余热，提供给驾驶舱进行供暖。但是，新能源汽车没法利用燃烧产生的热量，主流制热方案有空气（风暖）PTC、水暖 PTC 和热泵空调等。 PTC 热敏电阻型加热系统的发热原理简单，是依靠电流通过电阻生热，纯电动汽车上用的 PTC 是一种半导体热敏电阻。PTC 的特性是随着温度的升高 PTC 材料的阻值也会升高，这个特性决定了恒电压情况下，PTC 加热器在温度低的时候加热快，而温度上升后阻值变大，电流变小，PTC 消耗的能量变少，这样就能保持温度相对恒定。 PTC 水暖往往和电机冷却水路并在一起；风暖 PTC 就是直接将 PTC 安装在驾驶室的暖风芯体处，通过鼓风机将车内空气循环起来并通过 PTC 加热器，直接加热驾驶室内的空气，结构相对简单 。 PTC 技术具有成本低、制造工艺简单、加热迅速等优点，但是采用 PTC 对电动车供暖会严重削减汽车的续航里程，并且 PTC 技术的 COP 小于 1，效率较低。在此背景下，热泵技术更为所关注。从原理角度上讲，热泵核心原理就是逆卡诺循环，热泵消耗的功可以使环境中的热量迁移到高温热源上，其效能系数大于一并不违反热力学第一定律，即能量守恒定律，因为高温热源所吸收的热量不仅仅来自热泵所消耗的功，也来自低温热源（即大气环境）中的热量。而 PTC 技术从能量转化的角度仅仅是电能转变成热能，所以 COP 值在理想情况下最高也只能达到 1。 动力电池高效工作温度区间较窄，热管理系统是维持电池性能和安全的关键。20-35℃是动力电池的高效工作温度区间，温度过低导致电池充放电功率性能下降，缩短续航里程；温度过高 45℃会产生电池热失控风险，威胁整车安全。 另一方面，电动车动力电池要求温控均匀一致，过大的差异会造成内耗，降低电池充放电循环效率，影响电池的功率和能量发挥，严重时还将导致热失控，影响系统安全性与可靠性。为了使电池包发挥最佳的性能和寿命，需要对电池进行热管理，通常需要复杂、精细的冷却回路，维持电芯温度一致性，将电池包温度控制在合理的范围内。 2 汽车热管理模块拆解 2.1传统内燃机汽车热管理系统架构 内燃机作为传统汽车的“心脏”，也作为主要的高温热源，传统汽车热管理系统也围绕着发动机冷却进行。发动机工作温度高，需通过水路循环及时散热。传统内燃机在工作时气缸内最高温度可达 1500℃，若不及时将热量散发出去，发动机工作产生的热量会使其迅速升温，最终使活塞和缸体粘连导致发动机报废。 发动机热管理系统主要由水泵、发动机水套、节温器、暖风、散热器及管路等部分组成。通过水泵将散热器中的冷却液泵入到发动机水套内，冷却液与发动机壁面通过热交换带走发动机燃烧产生的热量，从而降低发动机热负荷，降低其在大负荷工况下温度过高的风险。冷却液流出发动机后，分两路分别流向节温器和暖风散热器，暖风水路在发动机任何工况下均处于流通状态，以确保驾驶员根据需求随时可通过暖风的热交换将发动机热机后的冷却液的热气吹入驾驶室内。 发动机带动机械水泵提供循环动力，节温器控制大小循环切换。发动机温度低时，冷却液走小循环减少散热，使得水温快速提升到最佳温度，改善排放性能。温度高时，冷却液走大循环通过散热器和风扇增加散热效率。 电子节温器技术与传统热管理方案相似，其主要差异在于将传统的机械式节温器更换成电子节温器。传统节温器是将感应温度的石蜡结构浸泡在发动机冷却液中，当冷却液温度升高后，石蜡受热膨胀后将节温器阀门顶开，从而开启冷却系统大循环。电子节温器是通过 ECU 发送信号加热电阻来实现石蜡加热膨胀，从而开启冷却大循环。与传动的节温器相比，电子节温器的响应更快、温度调节范围更宽。 传统热管理方案中大循环驱动水泵为机械水泵，机械水泵通过发动机曲轴驱动轮系多楔带带动转动，当水泵带轮与曲轴皮带轮速比确定后，水泵的转速完全由发动机转速决定，因此水泵的泵水能力无法与发动机负荷完全匹配，只能随转速提升而增大流量。 电动水泵能够从根本上解决了这个问题，电动水泵可以根据发动机不同的工况通过 ECU 控制实现开关，尤其在发动机冷起动阶段，电动水泵可以停止泵水，从而使发动机内部冷却液处在小循环，实现快速升温，以达到快速暖机的效果。另一方面，电动水泵也可以与电子节温器配合使用，以达到更好的冷却控制效果，实现快速暖机。 传统内燃机还有两项专有的重要技术，增压、EGR（废气再循环）。涡轮增压系统利用发动机排气动能压缩进气，提高充气效率，有益于混合气的形成以及缸内燃烧；而废气再循环系统通过将部分废气返回到发动机气缸再次燃烧，主要是为了减少尾气中氮氧化物含量。但这两项技术分别需要对于热管理的需求都很高，所以传统内燃机架构中必不可少的就是中冷器和 EGR 冷却器。 传统内燃机汽车热管理模块拆分成发动机、空调、进气三个子版块，总计整个热管理系统的单车价值量在 1960-2910 元之间。而随着电子水泵、电子节温器等零部件的渗透，单车价值量会继续提升。 2.2 新能源汽车热管理系统架构 相比于传统燃油车，新能源汽车的主要区别在于燃油发动机系统被三电部件（电池、电机、电控）取代，相应的发动机冷却系统变为动力电池热管理和电机电控冷却系统，原有的汽车空调系统虽然保留，但是失去了原有的能量源发动机，因此其主要部件也有较大变动。新能源汽车热管理系统包括座舱热管理（制热和制冷）、电池系统热管理（制热和制冷）以及电机电控冷却系统三部分构成。 客车等商用车中通常采用四通换向阀等进行模式切换, 而乘用车空调目前主要采用三通阀的三换热器系统, 通过电动二通阀或电动三通阀实现制冷、制热、除湿和蒸发器除霜模式的切换. 冬季制热运行时, 车外换热器(蒸发器)温度可能低于室外空气的露点温度, 从而导致结霜现象, 当霜层太厚时需要进入除霜模式, 除霜模式的系统流程与夏季制冷模式一致. 乘用车除湿工况时,空调风系统先经过车内蒸发器降温, 将空气中的水蒸气凝结排出, 再经过车内冷凝器加热回温后送回车室内, 达到除湿的目的。 冷却器（Chiller）是热交换器的一种，其融合了蒸发器和换热器的功能，是耦合电池液冷回路和座舱空调回路的关键部件，也是采用液冷方案下的新能源汽车热管理系统的增量部件之一。 从工作原理上看，Chiller 的内部主体由一层层的板式换热片堆叠组成，分为冷媒回路（蒸发器）和冷却液回路（换热器），冷却液和冷媒以对流的形式在其内部流动。在换热器主体中，冷却液和冷媒隔层间隔开，相互形成三明治结构。对流过程中热量从冷却液转移到冷媒上，以实现换热。电池冷却的效率由 Chiller 的功率大小、水泵功率的大小、冷却液流速、冷媒流速等因素决定。 压缩机是空调系统的“心脏”，其作用是将低温低压的气态冷媒从低压侧吸入压缩，使其温度和压力升高，再泵入高压侧成为高温高压的气态冷媒，往复循环，是连接空调回路低压侧和高压侧的关键。 在燃油车车上压缩机一般由发动机皮带驱动，目前电动压缩机的产品技术相对成熟，分为旋转式（旋叶式、涡旋式和转子式）和往复活塞式（斜盘式和曲柄连杆式）两大类，在传统燃油驱动的乘用车上常用的是斜盘式、涡旋式和旋叶式，其中斜盘式压缩机是往复式压缩机的主导产品，已经发展多年，工艺比较成熟，主要用在大排量乘用车，但能耗较高。 新能源汽车由电力驱动，因而只能采用电动压缩机。相比于皮带驱动的压缩机，电动压缩机需要额外增加一个电机和控制器，因而其价值量相比于传统压缩机提升显著。 从技术和市场趋势上看，考虑到新能源汽车对于能耗和噪声的要求相比于传统车高，特别是热泵空调系统需要压缩机具备高压缩性能，因而其技术壁垒较高，目前全球市场格局仍被主流压缩机厂商主导，如电装、日本三电、翰昂（三家占比80%以上）等。国内厂家中奥特佳在自主品牌中份额较高，家用空调巨头如格力等也开始借助强大的电动压缩机技术切入车用热泵空调领域。目前主要的电动压缩机采用的是具有效率高、噪声小、运转平稳、体积小等优点涡旋式方案，如电装自主开发的涡旋式压缩机具有气体喷射功能，能提高循环制冷剂的流量速率，从而改善热泵空调的加热性能。 膨胀阀又称节流阀，是连接空调回路高压侧和低压侧的关键。热力膨胀阀的原理与结构简单，成本较低，广泛应用于空调系统中，但是随着空调节能需求的提升，变频空调逐渐成为主流，热力膨胀阀由于具有响应速率慢、调节范围小、精度低等缺点，正逐渐被电子膨胀阀（EXV）取代。 EXV 在传统 TXV 上加入一个微型电机调节开度，从而控制回路流量，是可以实现“无极变速”调节功能的膨胀阀。从工作原理上看，EVX 同样需要感知蒸发器出口的压力和温度，因而需要增加传感器和控制器形成控制回路，因而 EXV 相比于同规格的 TXV 单价提升可达 2 倍以上。目前电子膨胀阀的市场渗透率不到 30%，仍有较大的提升空间，且提升趋势相对明确。 相比于传统车，新能源汽车电动化和智能化的特点使得电子膨胀阀的应用更加广泛，在整车热管理系统中，除了原有的座舱热管理系统中的汽车空调需要将 TXV升级为 EXV 外，跟据整车耦合方案的不同，电池和电机电控的冷却回路还需要额外增加 1 到 2 个 EXV；在热泵空调系统中，除了原有制冷回路下的 EXV 外，制热回路根据技术方案的不同也可能需要再增加 1 个 EXV，因而在新能源汽车上 EXV 的整车配套量和价值量将翻倍。 新能源车无发动机作为热能来源，同时新增了电池热管理系统，由于电池以及功率元件性能对温度的敏感性，新能源车热管理方案以及零部件都有较大变化，催生了对 Chiller 换热器、冷却班、电子膨胀阀、电子水泵、电子水阀、电动压缩机等零部件的需求，同时新增 PTC 加热器或热泵系统，虽然没有了中冷器、EGR 冷却器的需求，但总体来看新能源车热管理单车价值量几乎是传统燃油车的两倍，提升至5300-6400 元左右。 2.3 国内乘用车热管理模块市场预测乘联会数据显示，2022 年 H1 我国新能源汽车渗透率约 22%。我们预计，2025年国内新能源汽车渗透率或达 50%，年销量达到 1500 万辆。 假设传统乘用车热管理系统单车价值量 2500 元，新能源乘用车热管理系统单车价值量 6000 元，按该假设的销量规模和单车价值量测算得上述国内乘用车热管理系统市场规模。我们预测，2025 年国内乘用车热管理市场规模或超 1275 亿元，2021-2025 年 CAGR 约 18%；其中新能源约 900 亿元，2021-2025 年 CAGR 约 45% 。 3 汽车热管理未来发展趋势 3.1特斯拉方案—基于热泵的热管理系统 Model Y 的热管理系统相比于 Model 3 在零部件上最大的区别在于以热泵空调替代了传统的车用制冷空调，其整体架构与 Model 3 基本一致，同时 Model Y 还保留了一个 12V 的低压 PTC 加热器，我们预计是用来解决热泵系统在极低温度下的制热问题。从工作原理上看，Model Y热泵系统的基本原理与普通热泵基本一致，都可以视为一个双向的制冷空调。 从零部件布局上看，Model Y 的控制系统相比于 Model3 又进一步进行了集成化的处理，从而对空间、质量进行了优化。从控制方案来看，Model Y 在 Model 3 所采用的六向阀的基础上，又进一步升级为一个八向阀（Octo-valve），从本质上来看，我们判断这个八向阀是在原有控制冷却液回路方向的六向阀功能基础上，再额外集成了控制热泵空调冷媒制冷-制热方向的四向阀功能，从而实现了对整车热管理系统的制热-制冷模式控制。 从控制策略看，通过一个复杂的八向阀模块，Model Y 能够在非活动模式下实现1 种制冷模式和 4 种不同的制热模式。从能量耦合情况来看，Model Y 延续了 Model 3 的思路，并进一步增加了对压缩机热量的耦合，从而在系统层面对能量效率进一步优化。 3.2 华为方案—打造智能化、集成化热管理系统华为 TMS 改善传统热管理系统三大劣势。系统复杂：管路多、部件多；环境适应性差：零下 10℃以下电动压缩机启动困难；智能化程度低：人工标定效率低等。 一体化设计 高效利用热能。通过智能化控制联合管理主要热源（电机、电池、乘用舱、外部环境）的产热，实现汽车不同工况下的热需求。 两项集成 部件集成：压缩机等 12 个部件集成一体，用基板代替互通管路，管路数量下降了 40%；控制集成：压缩机、泵、阀等 10 个控制器集成至 EDU 电驱动单元，大幅降低部件电控故障率，同时便于系统智能化及全生命周期诊断维护。 三大提升实现智能热管理。与现有技术相比：1) 能效提升 100%：热泵工作温度 -10℃→ -18℃；2) 标定效率 + 60%：首创智能自标定算法，标定时间 4 个月→1.5个月；3) 体验提升：通过车辆数据上报、大数据分析，实现智能热舒适性控制、智能空气管理、智能预测性维护，大幅提升用户体验。 3.3 热管理技术前瞻 3.3.1 充电/快充加热系统 电池在低温下（以 0℃以下为例）阻抗大幅增加，在长时间持续充放电的时候会提前达到截止电压和电流条件，从而导致功率性能大幅衰减，同时在持续充电过程中会出现锂枝晶的现象，导致电池内短路，进而造成热失控的现象，因而电池需要避免在低温下的直接大电流充电和放电，为了解决低温冷启动的问题，需要在电动汽车启动前对电池进行加热，使其达到可以运行的温度区间（至少在 5℃以上）。目前常用的方案是在车辆停止过程中仍然保持 PTC 低功率运行，保持电池包温度运行在最低温度上，当处于充电状态时，电池系统可以采用来自电网的能量为电池加热，从而保持其运行在一定温度下。 当充电开始时，特别是快充状态下，电池需要快速升温到高于正常运行温度的区间内从而达到最优的充电状态，此时可以利用快充桩配合电机系统，利用电机的空转，将整车热管理系统运行在串联模式下，从而实现电池的快速加热。 3.3.2 电池低温交流加热技术 除了采用充电桩等外部能量之外，还可以采用电池自身能量来为电池加热，该方案的原理在于电池在充放电的过程中，内部阻抗会产热，从而实现加热的效果，由于高温下电池阻抗较低，而低温下阻抗大幅提升，因而电池在低温下的温升效应相对更加明显。 按照电池放电方式的不同，电池的低温加热技术可以分为交流加热和自加热两种。交流加热的方案是利用一个外部的升压/降压电路，实现电池组内电池单体间高频的互相轮流充放电的功能。由于电池在高频下主要是欧姆阻抗在起作用，且超短的充电过程使得锂枝晶现象难以发生，因而该方案可以在电池寿命不出现大幅衰减的情况下，实现高效且安全的加热性能。该方案目前仍处于实验阶段，从原理上看，该方案能够实现电池的高效低温加热，如且内外温差控制效果较好，但仍需要对硬件电路和控制方案进行更多的设计和验证。 3.3.3 电池低温自加热技术 电池低温加热的另一种方案是采用自加热的方式，即在电池内部埋入一个电阻片，当需要加热的时候将电池内部电路接通，从而实现可控的“内短路”，电阻片在通过电流后开始产热，从电池内部开始实现对电池的加热效果。当电池温度达到预设温度后，断开电路，电池即恢复为正常的工作模式。 该方案可以在 45 s 内实现从-45℃到 0℃的加热效果，耗电 5%SOC，内外温差小于 5℃，已经实现了部分商业化，但是该方案的安全性和可靠性仍有待进一步验证，且电池组层面的控制难度仍较高。 3.3.4 燃油辅助加热系统 在实际操作中，为了最大程度减少整车加热过程中的能量损耗，一种思路是采用外部能量源，如采用燃油驱动的辅助加热系统。例如威马 EX5 采用了一个柴油机驱动的驻车加热器，该方案以柴油为加热系统的能量来源，能够在低温下实现对座舱和电池系统的加热，在低温下满电下运行电耗降低 13.24Kwh，续航提升 100Km，从而解决低温下制热效率低的问题。 该方案从本质上类似一个混动的方案，但是燃油的消耗量相对较少，且加热效率也较高，总体而言具有一定的可行性。 3.4 二氧化碳或称为空调冷媒主要介质 按照制冷剂的不同，车用热泵空调主要包括 R134a、R1234yf 和 R744（CO2）等多条技术路线。R134a 不满足法规要求，R1234yf 存在壁垒，专利被垄断。R134a 是第三代传统冷媒，其 GWP （全球变暖潜能值不符合欧盟要求， 2017 年开始被禁止在欧盟境内新售汽车上使用。R1234yf 是第四代冷媒，被杜邦和霍尼韦尔公司专利垄断。 在环保性能方面，R1234yf 和 CO2的温室效应较为接近，且都不会对臭氧层产生破坏。在制热性能方面，R134a 和 R1234yf 方案在低温（-10℃）下能效比(COP)均下滑明显，如 R134a 热泵在-15℃下 COP 为 1.4，而 CO2方案在-20℃下其 COP 仍能达到2，因从性能上来说 CO2热泵方案是有望成为未来的主流选择之一，不过，代表性公司有奔驰和大众等，但其工作压力超过普通制冷剂 10 倍，系统耐压升级成本高。国内仍主要使用 R134a 。

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