新能源汽车热管理发展史回顾

复盘新能车三代热管理发展史，多通阀是热管理升级的必要组件。

热管理的发展即是零部件集成化，能量利用高效化的过程。通过上文的简要对比，可 以发现最初的热管理系统与目前最先进的系统相比，主要是回路间具有更多的协同，以达 到零部件的共用与能量的相互利用。我们以投资者的角度去看待热管理的发展，并不需要 明白所有零部件的工作原理，但是清楚了解各个回路间是如何工作的，以及热管理回路的演变史将会让我们更加清晰的预判未来热管理回路的发展方向，和相对应的零部件价值量 的变化。因此下文将会对热管理系统演变史进行简要地梳理，以便我们一同发现未来的投 资机遇。

新能源车热管理通常由三条回路构建而成。 1）空调回路：功能性回路也是热管理中价值量最高的回路，主要功能为调节座舱温 度和与其他回路并联协同，通常以 PTC 或热泵原理提供热量和通过空调原理提供冷量； 2）电池回路：主要用于控制电池工作温度以使电池始终保持最佳工作温度，因此根 据不同情况此回路同时需要热量和冷量； 3）电机回路：电机工作时会产生热量，本身工作温度范围较宽，因此该回路仅需要 制冷需求。 我们通过对比特斯拉的主要车型 Model S 到 Model Y 的热管理变革，观察系统的集 成与高效化演进。总体来看，第一代热管理系统：电池采用风冷或液冷、空调采用 PTC 制热、电驱系统采用液冷，三个回路间基本保持并联，相互独立运行；第二代热管理系统： 电池液冷、PTC 制热，电机电控液冷，开始应用电机电控余热利用，系统间串联程度加深， 零部件集成化；第三代热管理系统：热泵空调制热，电机堵转加热技术应用加深，系统相 互串联，回路复杂且进一步高度集成。我们认为新能源车热管理发展的本质为：以空调技 术的热量流动和交换为基础，做到 1）避免热损害；2）提升能量使用效率；3）零部件复 用以达成体积重量的缩减。

第一代热管理系统：PTC 制热+电池风冷/液冷+电机电控液冷，各回路基本独立运行。 新能源汽车发展初期，整车架构较为简单，基本是从燃油车功能向电动车的简单转移，此 时电机与充电功率较低，风冷作为冷却手段足以满足日常使用需求，成本低且易于维护， 但伴随着电机功率不断上升以及快充、超充模式进入市场，液冷作为更高效的冷却方式替 代了过去的风冷。此外，第一代以 PTC 制热为主，将燃油车的机械压缩机替换为电动压 缩机。整体系统的优势在于成本低、结构简单、运行稳定且易于维护，但不足之处是能耗 较高，冬季续航里程折损大。

特斯拉 Model S 车型的热管理系统是第一代热管理技术的代表。系统中共有三个回路： 空调、电池和电机回路，包含电动压缩机、冷凝器、膨胀阀、电子风扇等部件。乘员舱的 制热依靠系统中的 A-PTC 加热实现，理论上 COP 仅为 1，能耗较高，制冷则依靠空调的 冷媒回路实现；电池回路依靠电子水泵驱动，液体流经水冷板吸收热量并通过冷却器 （Chiller）实现电池降温，在寒冷气候下电池需要升温时即启动 W-PTC 实现制热功能； 电机电控冷却回路分为电机水冷（逐渐切换为油冷）和减速器油冷。

整个系统在当时的创新之处在于加装一个四通阀将电机和电池回路串联起来，因此可 以回收电机余热来辅助电池制热。四通阀的设计有效利用了电机余热，有助于降低能耗提 升整车续航里程，利用余热时电池内 W-PTC 可处于待机状态不参与电池制热，有助于延 长零部件的使用寿命。 1）电驱动系统相比于电池与空调回路运行温度更高，存在热能转移的条件。电动车 的驱动电机正常运行温度大约在 60℃左右，长时间大功率运行可能会导致电机/电控系统 温度过高，因此针对电驱系统的热管理主要以制冷降温为主。相比于电池系统 15-25℃和 座舱系统 20-30℃的正常运行温度而言，电驱系统的温度更高，存在将热能由高位向低位 转移的可能性。 2）早期车型各回路间采用并联设计，余热利用应用程度低。国内厂商早期车型各回 路采用并联方案，彼此之间运行较为独立，如小鹏 G3 和蔚来 ES8 等纯电车型的早期版本， 电驱系统产生的多余热量并未得到有效利用。3）特斯拉创新性地应用四通阀实现电机与电池回路的串联。针对电机运行产生的余 热，初期前沿技术通过加装三通阀/四通阀、或者加装 Chiller 的设计将电机余热转移至电 池回路。相关车型在 2018 年左右上市，但特斯拉在 2013 年上市的 Model S 车型就使用 了四通阀的设计实现两者串联，走在行业前列。电机余热利用的流程是：水泵 3→充电机 →电机集成减速器及逆变器→三通阀 1（左闭，右下开）→四通阀（右下闭，左上开）→ 水泵 2→三通阀 2（左闭，上下开）→水泵 1→W-PTC（此时可不工作）→电池（水冷板） →四通阀（左上闭，右下开）→膨胀水壶→水泵 3。

第二代热管理系统深化电机余热利用及零部件集成化趋势。第二代热管理系统在第一 代的基础上深化对电机电控余热的利用，普遍采用了电池与电驱系统的串并联设计，通过 余热利用降低对 PTC 制热的使用，能够有效节省能源提升效率，改善冬季续航里程折损 问题。国产品牌中以小鹏 P7 为例，通过模仿特斯拉采用四通阀的设计，实现电机回路与 电池回路的串联：当电池处于制冷模式时，四通阀左下开、右上闭，电驱回路降温由前端 散热器完成；当电池包需要升温时，四通阀左上开口相连，右下开口相连，冷却液将电驱 系统热量带入电池回路，在热量不足时还可以借助 PTC 辅助加热，从而实现节能提效。

改款之前的 Model 3 搭载的热管理系统是第二代热管理技术的代表。其核心特征是将 2 个水泵、一个 Chiller、1 个三通阀和一个四通阀集成为一整个阀体 Super bottle，极大 地简化了热管理结构和整车质量，是电动车热管理集成化趋势的主要代表之一。整车仍可 分为电池、座舱及电驱动热管理回路三部分，通过使用集成阀体，相比于 Model S，Model 3 的热管理系统省去了 1 个 W-PTC、1 个电子水泵、1 个膨胀水壶、1 个三通阀、1 个冷 凝器、2 个电子风扇，还有部分管路。除集成阀外，特斯拉还通过优化管路设计将 ADAS 控制器和电池包管理模块整合入冷却回路中，并且加入油冷来辅助冷却，大幅提高热管理效率；另一个技术亮点是使用电机堵转制热技术取代 W-PTC，满足电池的制热需求。

集成化的技术创新进一步精简提效。Super bottle 在特斯拉第一代热管理系统四通阀 的基础上进一步集成，在实现电池与电驱系统串联热交换的同时，进一步简化结构，实现 降本增效。当电池处于制冷模式时，电池与电驱系统各自运行互不干涉，Super bottle 中 A 与 B 相连，E 与 C 相连，各处于制冷模式；当电池处于制热模式时，两个系统相互串联， A 经 E 将冷却液带入电驱系统中吸收热量，再由 D 至 B 回流至电池系统中，将电机热量 传递给电池。特斯拉以出色的软件算法与控制器技术，能够依据热管理系统不同的冷热模 式实现对五通阀各开口的精准自动操控，在电动车热管理技术领域再一次走在了世界前列。

特斯拉 Model Y 最大的变革在于采用了热泵空调系统，该系统可支持乘员舱采暖/制 冷、电池包制热/冷却、电驱单元冷却的五大主要功能。相比于特斯拉过往车型，最显著的 变化是取消了以往的高压 PTC，取而代之的是两个低压 LV-PTC，在环境温度低于-10℃时 作为系统热量的补充来源，这种设计能够保证整个热泵系统在-30℃时也能够稳定可靠地运 行。Model Y 的系统会根据环境与电池包的实时温度来规划热泵系统参与加热的程度 （COP），以启动不同级别的加热模式。在满足乘员舱舒适性需求的前提下，热泵会优先 采用高 COP 模式运行，减少能耗并提高续航里程。 此外，整个系统另一大变革是实现了更高程度的系统集成。相较于其他热泵车型，特 斯拉的集成程度更高，其系统包含了压缩机、冷却器、冷凝器、气液分离器、电子膨胀阀、 冷却液管路等多个零部件，但体积只占据了前机舱的小部分空间。这其中的核心是创新性 地采用了一个八通阀的设计，通过调节八通阀的动作位置使冷却液在不同回路中进行热交 换，相比于 Model 3 提升了 10%的效率，因此成为了集成化趋势的代表。

总结来看，第三代技术有四大创新点： 1）热泵与余热回收共同协作。该热泵系统除了可以满足常规的乘员舱和电池系统的 制冷/制热需求外，还可以实现低温环境下车辆预热、除雾/除霜/除湿、超充模式下电池系 统降温等特色功能，共计可实现 12 种制热模式和 3 种制冷模式，系统功能丰富实用。此 外，针对 R1234yf 冷媒热泵在低温环境下制热效果欠佳的问题，特斯拉通过对电机、电池、 压缩机和鼓风机进行余热回收，同时加装低压 PTC 的方式有效解决了极低温环境下的制 热问题，在电池温度-10℃，座舱/环境温度-30℃时，热泵与余热回收相结合的方式仍然能 够使制热 COP 保持在 1-2 的区间，效果显著。

2）集成式八通阀协调三大系统间的热量流动。为了促进座舱、驱动系统和电池系统 之间的热量流动，特斯拉发明了带有八个端口的“Octovalve”，通过旋转接入不同的管路 以满足不同的制冷/制热模式。

3）电机堵转加热技术代替电池 PTC。电机堵转是 Model Y 的另一项技术创新，本质 是利用电机发热的方式辅助电池加热来代替电池中的 PTC 加热装置。正常工况下加大电 流会提升电机的转速，而电机堵转技术则是在电流变大时保持速率不变，此时电机线圈绕 组组丝相当于热敏电阻丝起到发热的作用，热量通过冷却液流经热交换器传递给电池。目 前，除特斯拉之外，国内厂商对于电机堵转加热技术尚处于起步阶段，此技术对于电机中 电流调控要求高，理论基础与电机标定技术同等重要。特斯拉应用电机堵转代替了 PTC， 简化结构的同时降本提效，促进续航里程改善。

4）智能化调配热管理方案以达效率最大化。以 Model Y 制热为例，智能化调配热管 理即综合考虑空调回路制热方式 COP（能效比，单位电能产生的热量）选择更优的制热方 式。简单来说当空调回路 COP 大于 1 时系统会使用热泵空调；当温度过低导致热泵 COP<1 时，系统会采用电机堵转技术（COP=1）。

情况 1：环境温度低于零下十度，仅座舱有制热需求且热泵空调 COP>1，此时为热 泵高效区间主动制热，电池与电机工作余热辅助座舱供热。具体工作方式：空调回路的冷 却液由电子膨胀阀膨胀后气化温度降低，经由 Chiller 处从电池电机回路的冷却液处吸热 （这一过程即为利用电池电机余热），而后通过压缩机加压升温，最终通过座舱冷凝器放 热（即从座舱出风口吹出热风）。简而言之，1.空调回路的冷媒不断重复空调制热过程；2. 电池和电机回路的冷却液不断循环吸收工作废热；3.吸热后的冷却液与空调回路的冷媒在 Chiller 处交汇，将热量传输至空调回路。这一过程的本质即为空调（热泵）制热辅以三方 热能（电池电机回路废热）。

情况 2：外部环境低于零下二十度，汽车冷启动（电机、电池无余热），此时制热需求 大且热泵 COP<1，此时热泵不工作转而采用电机堵转技术。当我们每日首次驾驶汽车或 者距离上次驾车已经过去数小时，室内温度和电池电机温度以降至环境温度（即低于零下 20 度），由于制热量需求较大，且低温下热泵能效比较低，车辆会进入电机堵转模式，即 改变电机驱动系统和压缩机控制算法，把电机当作加热器使用（此时综合能效高于热泵）。

情况 3：热量转移储存。当驾驶完人离车时，座舱还余有热气，此时座舱的热量会被 热管理系统吸收并储存进密封和保温性更好的电池包里进行保温，当下次需要加热时电池 包中储存的热量可以被运送会座舱，车辆就可以不必从零产生热量了，从而达到减少能源 消耗的目的。