汽车热管理应用场景及发展趋势分析

热管理向集成化和智能化发展，旨在实现整车能耗最优。

1、热管理作用：减耗增程为目标，温控是确保安全、增强性能的关键

汽车热管理是从整车角度统筹车辆发动机、空调、电池、电机等相关部件及子 系统相关匹配、优化与控制，有效解决整车热相关问题，使得各功能模块处于最佳 温度工况区间，提高整车经济性和动力性，保证车辆安全行驶。

1.1、座舱热管理：热泵空调预期逐步取代PTC，热泵冷媒或将向CO2转换

汽车空调的重要功能是通过调节汽车乘员舱内的温度、湿度和风速，使乘员舱 达到一个舒适的驾驶和乘坐环境。主流的汽车空调的原理是通过蒸发吸热，冷凝放 热的热物理原理，使车厢内温度变冷或变热。在外界温度较低时能够向车厢内输送 加热后的空气，在外界温度较高时能够向车厢内输送低温空气。传统燃油车空调系统：蒸发器、冷凝器、压缩机、膨胀阀四个部件构成 传统燃油汽车制热原理是利用汽车发动机的余热对汽车座舱加热，首先从发动 机冷却水套中出来的温度较高的冷却水进入到暖风芯体中，通过风机将冷空气吹过 暖风芯体，被加热的空气就可以被吹入车厢，用于座舱加热或车窗除霜，冷却水离 开加热器后又回到发动机中，完成一次循环。

新能源汽车空调系统：主要分为 PTC 体系和热泵体系 新能源汽车空调降温系统：基本原理与传统燃油汽车的相同。利用冷凝放热， 蒸发吸热给乘员舱进行降温，然而因为新能源车空调压缩机是由电机进行驱动，而 非发动机，则转而使用电动压缩机进行冷媒压缩，目前主要使用涡旋结构压缩机。 新能源汽车空调制热系统：和传统燃油汽车大有不同。由于传统燃油汽车制热 模式是将发动机的余热通过冷却液传到车厢内给车厢内进行升温，但是新能源汽车 没有发动机，因此采用了其他的制热模式，当前市面上出现过的制热技术包括半导 体制热系统、PTC 风暖加热、PTC 水暖加热以及热泵空调系统。

（1）半导体制热系统：消耗大量电能，无法满足减耗增续航的要求。半导体制 热器是由半导体元件和接线柱来进行降温加热功能，该系统中热电偶为降温制热基 本元器件，主要优点是可以快速地加热车厢，主要缺点是半导体加热会消耗大量的 电量，对于需要追求续航里程的新能源汽车来说，其缺点是致命的。（2）PTC 风暖加热：使用风机驱动外界的空气通过 PTC 加热器进行加热，能 耗较大。PTC 是英文 Positive Temperature Coefficient（正温度系数效应）的缩写。

PTC 实质是一种物理效应，即电阻随温度的升高而增大，表现出正相关性。PTC 主要部 件是热敏电阻，通过电热丝进行加热，是直接将电能转变成热能的装置。PTC 风暖 加热体系就是将传统燃油汽车的暖风芯体变成 PTC 风暖加热器，使用风机驱动外界 的空气通过 PTC 加热器进行加热，将加热后的空气送入车厢内部使车厢加热，由于 其直接消耗电量，因此，在开启暖风时对新能源汽车的能量消耗也比较大。

（3）PTC 水暖加热：PTC 加热冷却液后泵入到暖风芯体中，与空气进行热交 换，较 PTC 风冷来说更加可靠安全。PTC 水暖和 PTC 风暖一样都是通过利用电量 的消耗产生热量，但是水暖系统是先通过用 PTC 加热冷却液，将冷却液加热到一定 温度后，将冷却液泵入到暖风芯体中，与周围的空气进行热交换，风机将加热后的 空气送入到车厢中，对座舱进行加热。然后冷却水在经过 PTC 进行加热，往复循环， 此加热系统相较 PTC 风冷来说更加可靠安全。

（4）热泵空调系统：节能程度比 PTC 加热器的高。热泵空调系统和传统汽车 空调系统的原理一样，但是热泵空调可以实现座舱制热和制冷的转换，通过一个四 通换向阀或者三通阀加三换热器来改变系统内的冷媒的流向，从而达到制冷制热交 换的过程。由于热泵空调不直接消耗电能发热，因此，热泵空调的节能程度比 PTC 加热器的高，目前热泵空调在部分车辆上已经实现量产。热泵空调系统核心组件包括电动压缩机、电磁阀、换热器、电子膨胀阀、气液 分离器、干燥过滤器等。

汽车空调压缩机企业正积极向电动压缩机方向转型 近年来新能源汽车的渗透率快速上升，汽车空调压缩机企业正积极向电动压缩 机方向转型。当前较为理想的电驱动空调压缩机为涡旋式压缩机，由于其问世时间 较短，随着市场需求日益增加，相关零部件厂商有望获得较大发展机遇。能耗问题驱使下，热泵预期逐步取代 PTC，热泵冷媒或将向 CO2 转换 电车制热系统选择：PTC 结构简单、成本低，当前市场较为普遍，但其存在能 耗高的先天缺陷，能效比（COP）小于 1。热泵空调虽然存在一定的技术壁垒，但是 常温下能效比（COP）能够超过 2，理论能耗仅为 PTC 的一半以下。

热泵空调冷媒选择：市面上常见的以 R134a 为冷媒的热泵系统，在低温环境下 的制热效果较差，仍需PTC辅热。其余两种备选方案为R1234yf 和 R744（二氧化碳）： R1234yf 冷媒更为环保，其热泵可兼容现有热泵主要零件，技术替代成本低，但美国 杜邦和霍尼韦尔的专利仍在保护期，制备成本较高；R744（二氧化碳）冷媒热泵在 低温情况下的制热效果更优，但需要对系统进行耐高压的重新设计，技术替代成本 高。现阶段，受 R744 极低成本的驱动，业内已有部分企业开始布局该冷媒，未来或 将成为主流。

1.2、动力系统热管理：制冷/制热系统对电池温控，风冷/液冷负责电驱动散热

传统燃油汽车的动力装置由发动机、变速器组成。发动机热管理是传统汽车热 管理的重点，主要包括发动机的冷却系统，汽车系统中超 30%热量需要由发动机冷 却回路释放，避免发动机在高负荷运转状态下过热。利用冷却液对车厢进行热循环。 新能源汽车的动力装置以电池、电机、电控组成。动力电池的正常工作温度范 围为 15～40℃，需要对其进行保温又要对其进行散热。同时电机温度也不能过高，否则会影响到电机使用寿命，因此，电机在使用过程中也需要进行必要的散热措施。

电池热管理：制冷、制热系统共同实现动力电池区间温度控制 动力电池温控是保障电动汽车高效安全运行的重要前提，在温度过高时将引发 漏液、自燃等现象，影响驾驶安全；温度过低时，电池充放电能力均会有一定的衰 减。随着动力电池能量密度的逐步提升、工作环境温区范围的拓展以及快充速度的 攀高，动力电池温控在热管理系统中的重要性也更加突出。（1）动力电池制冷：基于不同冷却介质分为风冷、液冷、相变材料和热管冷却。 动力电池风冷：分为自然冷却和强制冷却，自然冷却是当汽车行驶过程中外界 空气对电池组进行冷却。强制风冷是加装一个风机对着电池组进行强制冷却。优点 是成本较低、便于商业化应用，缺点是散热效率较低，空间占用比大，噪声严重。

动力电池液冷：由于液体的比热容比空气的比热容大，所以液冷的冷却效果要 优于风冷的冷却效果，冷却速度也快于风冷，对电池组散热后的温度分布也比较均 匀。优点是能被大量商用，缺点是存在漏液风险，复杂性相对较大，维护成本高。 相变材料冷却（PCM）：相变材料有石蜡、水合盐、脂肪酸等，在发生相变时可 以吸收或释放大量潜热而自身的温度保持不变，被广泛应用于手机等电子产品的电 池散热中，但是对于汽车动力电池的应用仍处于研究状态。 热管冷却：热管是一个充满饱和状态工作的介质/液体（水、乙二醇或丙酮等） 的密封容器或密封管道，两端分别为蒸发端和冷凝端。

既可以吸收电池组的热量又 可以对电池组进行加热，是目前最理想的动力电池热管理系统。但仍处于研究状态。 制冷剂直接冷却：直接冷却是利用 R134a 制冷剂等冷却剂蒸发吸热原理，将空 调系统的蒸发器安装在电池箱中使电池箱快速冷却的一种方式。直冷系统冷却效率 高，制冷量大。超级快充提升倍率后，动力电池发热功率增大，推动热管理系统散热技术提升。 随 4C/6C 等超级快充技术发展，电池的发热功率可达 20kW 以上，对散热效率需求 大幅提升，通过集成化热泵系统进行冷媒直冷来代替传统液冷可提升散热效果。

（2）动力电池制热：直热式外部加热和高频脉冲内部加热技术已实现产业化。 动力电池最优的工作温度区间为 15~25℃，低温下锂离子电池存在充放电效率低、 充放电功率下降、充电极化大、易造成电池析锂等问题。外部加热法经历了加热膜、PTC 加热、液冷直热技术路线，液冷直热技术将制 冷剂直接送入电池组内部进行换热，直冷直热式电池温控技术已实现量产应用，可 提升换热效率和均温性能；内部加热法中，高频脉冲加热和电池内阻产热的速率更 快、能耗更低，是潜在发展方向，但其稳定性和可靠性需进一步验证。

电机电控热管理：被应用最广泛的是风冷、液冷这两种方式 电机与电控是电动汽车关键的能量输出环节，电机工作过程中由于线圈电阻发 热、机械摩擦生热等原因会产生大量热量，温度过高导致电机内部短路、磁体的不 可逆退磁等问题。随着电动汽车的普及以及应用场景的增多，汽车动力需求不断提 升，电动汽车电机需要更高的功率、扭矩以及转速,同时也意味着更高的发热量，因 此电驱动系统的热管理需求逐渐提高。

电机与电控上被应用最广泛的是风冷、液冷这两种方式。 电机、电控风冷：风冷换热通常使用翅片加大了其换热面积，换热效率变高， 工艺简单价格低廉，在小型电机的上应用广泛。电机、电控的风冷系统和动力电池 的风冷系统一样都可以分为自然风冷和强制风冷，其中强制风冷的风机功率可以根 据电机的功率发热量进行选择。电机、电控液冷：液冷系统就是围绕电机布置一条封闭的管道，采用循环流道 的方式持续对电机散热，其中液冷的冷却液一般有四种：水、变压油、水和乙二醇 混合液（体积分数 35%）、水和乙二醇混合液（体积分数 50%）。

2、发展趋势：集成式热管理取代分散式，智能化增大系统集成化收益

根据热管理系统架构与集成化程度，电动汽车热管理发展可以归纳为三个阶段， 从单冷配合电加热，到热泵配合电辅热，再到宽温区热泵与整车热管理逐步耦合， 电动汽车整车热管理技术逐渐朝着高度集成化、智能化的方向发展，并且在宽温区、 极端条件下的环境适应性能力逐渐提升。一体化全耦合热管理架构统筹管理下减少了能量浪费。传统分离式的热管理系 统中，电池、电机电控和空调系统回路彼此独立，能量利用不充分系统，集成度较 低，管路复杂、零部件数量多，成本较高；集成式热管理系统可以根据各部件的温 控需求，控制压缩机、加热器、阀体等部件的开启或关闭，改变循环回路，减少能 量的浪费，复杂程度和难度也相应提高。

搭建能量仿真平台实现能量最优配置。在智能化课题方面，新一代热管理系统 依赖传感器与控制器，基于数字孪生搭建整车能量仿真平台，结合路况、天气车辆 运动状态等信息，实时预测系统热负荷和温度，综合动力性、续航性、舒适性、安 全性、耐久性需求规划最优温度曲线，根据模型采用全局优化算法分配热管理系统 功率，以实现能量的最优化配置，达到整车能耗最低。