新能源汽車熱管理技術(shù)發(fā)展趨勢分析

朱培培 臧金環(huán)

（中汽研（天津）汽車信息咨詢有限公司，天津300000）

主題詞：新能源汽車 熱管理 冷卻 發(fā)展趨勢

1 前言

目前，熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要掌握在主機(jī)廠手中，零部件領(lǐng)域以閥體和換熱設(shè)備的外資替代率最高。我國部分以傳統(tǒng)汽車熱管理業(yè)務(wù)為主的零部件公司，如三花智控、銀輪股份、奧特佳等，也在加大布局。新能源汽車熱管理行業(yè)正處于發(fā)展初期，國際巨頭具備豐厚的技術(shù)儲(chǔ)備，本土企業(yè)兼具貼近市場和低成本兩大優(yōu)勢，兩類企業(yè)各有機(jī)會(huì)。

前瞻產(chǎn)業(yè)研究院[1]在新能源汽車熱管理行業(yè)分析中指出新能源汽車熱管理是一個(gè)隨著新能源整車增長而增長的增量市場，隨著新能源汽車的滲透率提升和產(chǎn)品性能升級(jí)，熱管理系統(tǒng)行業(yè)未來市場空間和價(jià)值巨大。新能源汽車發(fā)展對(duì)安全性、續(xù)駛里程和節(jié)能性等性能提出了更高要求。K.Bennion 等[2]的研究證明，將電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)和高效暖通空調(diào)系統(tǒng)等進(jìn)行集成，應(yīng)用車輛熱管理技術(shù)可以有效改善上述性能。

2 新能源汽車熱管理領(lǐng)域競爭格局分析

目前涉及新能源汽車熱管理領(lǐng)域的廠商可主要分為兩大陣營：一類是國際巨頭，主要是傳統(tǒng)車熱管理業(yè)務(wù)的延伸，如電裝、法雷奧等；另一類是零部件供應(yīng)商的業(yè)務(wù)升級(jí)，隨著電動(dòng)化進(jìn)程加快，抓住新生零部件機(jī)會(huì)，如三花智控、銀輪股份等[3]。

從國際巨頭的產(chǎn)品線來看，均為系統(tǒng)集成化產(chǎn)品，其優(yōu)點(diǎn)是能夠了提高新能源車的能量利用效率和續(xù)駛能力，國內(nèi)企業(yè)則集中于單一布局（表1）。

表1 國內(nèi)外新能源汽車熱管理供應(yīng)商及產(chǎn)品配套

對(duì)于國際巨頭來講，主要集中于系統(tǒng)化的產(chǎn)品供應(yīng)，占據(jù)中高端市場，而且布局產(chǎn)品較豐富，基本涉及熱管理全線產(chǎn)品，在技術(shù)積累方面具備優(yōu)勢。熱管理領(lǐng)域巨頭在傳統(tǒng)汽車熱管理方面的技術(shù)及產(chǎn)品已相對(duì)成熟，并且進(jìn)入新能源汽車熱管理領(lǐng)域的時(shí)間較早。

目前，熱管理主流布局方向是綁定熱管理供應(yīng)商定制化方案，因此傳統(tǒng)熱管理供應(yīng)商巨頭憑借技術(shù)積累和客戶優(yōu)勢，切入電動(dòng)車車熱管理領(lǐng)域。

電裝主要業(yè)務(wù)涉及動(dòng)力系統(tǒng)、汽車電子及電氣化系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)（主要為空調(diào)系統(tǒng)及壓縮機(jī)等）等，2019年業(yè)務(wù)總營收466 億美元，其中熱管理系統(tǒng)營收占比為26.2%，占據(jù)全球熱管理市場份額的26.5%。

法雷奧業(yè)務(wù)涉及舒適及駕駛輔助、動(dòng)力總成、熱管理系統(tǒng)、能見度系統(tǒng)等，2019年新能源汽車熱管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)營收51 億美元（同比增長0.3%），占公司總營收23.7%。占全球熱管理市場份額的10.3%。

翰昂主要涉足汽車暖風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)、電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)、熱泵系統(tǒng)、壓縮機(jī)、管路、泵、閥門及換熱管等熱管理全線產(chǎn)品，2019年實(shí)現(xiàn)營收61億美元，占全球熱管理市場份額的10.2%。

馬勒布局發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、濾清器、汽車空調(diào)系統(tǒng)三大主線，2018年熱管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)營收55億美元，占比41.9%（同比上升6.9%），占全球熱管理市場份額的11.9%。

而對(duì)于目前國內(nèi)供應(yīng)商來說，由于起步較晚，相對(duì)應(yīng)的技術(shù)儲(chǔ)備不夠完善，系統(tǒng)化集成產(chǎn)品與國際巨頭差別較大。然而，自主企業(yè)對(duì)于單一零部件產(chǎn)品技術(shù)已達(dá)較高水平，在中低端市場中占據(jù)優(yōu)勢，并且各有專攻。銀輪股份、三花智控、奧特佳、松芝空調(diào)、騰龍股份分別主打換熱器、電子膨脹閥、壓縮機(jī)、空調(diào)總成、空調(diào)管路產(chǎn)品。

目前國內(nèi)進(jìn)駐熱管理領(lǐng)域的企業(yè)大致可以分為兩類，一類是本土汽車熱管理龍頭企業(yè)，正如前面提及的銀輪股份、三花智控、奧特佳、松芝股份等，另一類是國內(nèi)新興熱管理類零部件企業(yè)，如浙江清優(yōu)、祥博傳熱等。

一方面，對(duì)于本土汽車熱管理龍頭企業(yè)來看，全球熱管理市場份額分別為：銀輪股份4.2%，奧特佳3.5%，三花智控1.78%，由此可見相較海外巨頭依然存在差距。但是本土汽車熱管理龍頭的優(yōu)勢也較為明顯：

（1）國內(nèi)市場大，多綁定國內(nèi)整車廠，國內(nèi)市場占據(jù)優(yōu)勢；

（2）產(chǎn)品具備價(jià)格優(yōu)勢，同類產(chǎn)品較外資價(jià)格更便宜；

（3）成本管控力強(qiáng)，產(chǎn)品毛利率普遍高于外資。但是，在產(chǎn)品種類以及技術(shù)等方面仍有較大升級(jí)空間。

另一方面，國內(nèi)一類新興熱管理類零部件企業(yè)正在同步發(fā)展，代表企業(yè)有浙江清優(yōu)和祥博傳熱。這類企業(yè)優(yōu)勢也較為明顯：成立時(shí)間短，沒有歷史包袱，可以更加專注于新能源汽車熱管理的技術(shù)研發(fā)（無需兼顧傳統(tǒng)汽車熱管理），另外公司體制及管理方式也更加靈活，響應(yīng)速度更快。劣勢主要在于此類企業(yè)規(guī)模較小，產(chǎn)量有限，另外品牌的知名度仍然需要進(jìn)一步打造。

3 新能源汽車熱管理領(lǐng)域核心部件發(fā)展分析

目前傳統(tǒng)車熱管理方案已經(jīng)較為成熟，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車可以利用發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱進(jìn)行采暖，但是純電動(dòng)汽車的空調(diào)系統(tǒng)工作所需能量均來自動(dòng)力電池，歐陽東等[4]的研究中也指出了空調(diào)系統(tǒng)的能效水平直接影響電動(dòng)車整車經(jīng)濟(jì)性和續(xù)駛里程。新能源汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)較發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)多出制熱需求，新能源空調(diào)系統(tǒng)以電動(dòng)壓縮機(jī)替代普通壓縮機(jī)制冷（圖1）[1]，以諸如PTC加熱器或熱泵等電熱器替代發(fā)動(dòng)機(jī)余熱制熱，F(xiàn)arrington[5]指出電動(dòng)車運(yùn)行空調(diào)加熱和冷卻裝置后，其最大續(xù)駛里程下降約40%，這對(duì)于相應(yīng)技術(shù)提出了更高要求，技術(shù)升級(jí)需求加速。

圖1 傳統(tǒng)車VS純電動(dòng)車熱管理

隨著汽車電氣化升級(jí)，熱管理領(lǐng)域新生零部件迎來增量市場，在新能源汽車新增的電池冷卻、熱泵系統(tǒng)以及其他電氣化升級(jí)帶動(dòng)下，熱管理方案中運(yùn)用的部分零部件種類隨之發(fā)生變化。隨著新能源汽車的滲透率提升以及產(chǎn)品性能升級(jí)，熱管理系統(tǒng)行業(yè)未來市場空間和價(jià)值巨大[1]。

在熱管理方案中，主要應(yīng)用的零部件分為閥類、換熱器類、泵類、壓縮機(jī)類、傳感器類、管路和其他運(yùn)用較多的部件類。隨著汽車電動(dòng)化的加速，一些新生零部件隨之發(fā)展。與傳統(tǒng)燃油車相比，新能源汽車熱管理系統(tǒng)新增了電動(dòng)壓縮機(jī)、電子膨脹閥、電池冷卻器、PTC加熱器部件，系統(tǒng)集成度及復(fù)雜度更高，合計(jì)單車配套價(jià)值量有望達(dá)到7000 元。

3.1 主要核心零部件技術(shù)發(fā)展分析

K.Bennion 等[6]的研究表明，車內(nèi)取暖和空調(diào)需要消耗的能量最多，因此需要使用效率更高的電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)一步提高電動(dòng)汽車系統(tǒng)的能源效率，優(yōu)化車輛的熱狀態(tài)管理策略。空調(diào)系統(tǒng)的采暖模式對(duì)冬季電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程具有至關(guān)重要的影響，目前，電動(dòng)車因?yàn)槿狈α愠杀镜陌l(fā)動(dòng)機(jī)熱源，主要采用構(gòu)造簡單、成本低廉的PTC加熱器作為補(bǔ)充。根據(jù)換熱對(duì)象的不同，PTC加熱器可以分為風(fēng)暖（加熱空氣）和水暖（加熱防凍液），其中水暖方案逐步成為主流趨勢，一方面水暖方案沒有融化風(fēng)道的隱患，另一方面水暖方案可以很好的融入到整車的液冷方案中。但是，目前來看PTC 加熱方案同時(shí)存在諸多弊端，采暖能耗高、對(duì)于續(xù)駛里程的影響較大，由此便加速了熱泵系統(tǒng)的發(fā)展。熱泵系統(tǒng)可以有效解決采暖導(dǎo)致的續(xù)駛里程焦慮問題，張皓等[7]的研究表明，熱泵的節(jié)能效果更佳明顯，其采暖模式熱效率是PTC 加熱模式的2 倍。當(dāng)然，目前熱泵系統(tǒng)同樣存在一定的弊端，當(dāng)環(huán)境溫度低于-5 ℃時(shí)，熱泵空調(diào)系統(tǒng)會(huì)失效，而PTC 加熱系統(tǒng)仍可以正常工作。當(dāng)前，熱泵系統(tǒng)還處發(fā)展初期，一系列技術(shù)問題依然有待解決，如低溫啟動(dòng)難、換熱器結(jié)霜降低冷換熱效率、制冷劑性選取未達(dá)一致的問題。

艾志華[8]的研究中也提到了純電動(dòng)車的熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要由電動(dòng)壓縮機(jī)、車外換熱器、車內(nèi)換熱器、四通換向閥、電子膨脹閥等構(gòu)件組成，當(dāng)然為了提高熱泵系統(tǒng)的性能，可能還需要添加儲(chǔ)液干燥器、換熱器風(fēng)扇等輔助部件。電動(dòng)壓縮機(jī)是熱泵空調(diào)循環(huán)制冷劑介質(zhì)流動(dòng)的動(dòng)力來源，其性能好壞直接影響熱泵空調(diào)系統(tǒng)的能耗及制冷或制熱的效能。從目前空調(diào)壓縮機(jī)的發(fā)展趨勢來看，結(jié)構(gòu)緊湊、高效節(jié)能以及微振、低噪等特點(diǎn)是空調(diào)壓縮機(jī)制造技術(shù)不斷發(fā)展的方向[9]。隨車汽車舒適度的不斷提高、新式空調(diào)系統(tǒng)的不斷出現(xiàn),促使空調(diào)壓縮機(jī)制造技術(shù)不斷進(jìn)步。從分類上來看，汽車空調(diào)壓縮機(jī)多為油潤滑式容積式結(jié)構(gòu)，主要列于表2。

表2 汽車空調(diào)壓縮機(jī)分類情況

斜盤式壓縮機(jī)是一種軸向往復(fù)活塞式壓縮機(jī)，由于其低成本、高效率的優(yōu)勢主要在傳統(tǒng)車領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，如奧迪、捷達(dá)以及富康等轎車均采用斜盤式壓縮機(jī)作為汽車空調(diào)的制冷壓縮機(jī)[3]。

旋葉式壓縮機(jī)同往復(fù)式一樣主要依靠汽缸容積的變化來進(jìn)行制冷，但它的工作容積變化除了周期性擴(kuò)大和縮小外，其空間位置也隨主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)不斷發(fā)生變化。趙寶平等[9]的研究中也指出，旋葉式壓縮機(jī)的工作過程一般只包括進(jìn)氣、壓縮、排氣3個(gè)過程，基本上沒有余隙容積，所以它的容積效率可以達(dá)到80%～95%。

渦旋式壓縮機(jī)是一種新型壓縮機(jī)，主要適用于汽車空調(diào)，具有效率高、噪音低、振動(dòng)小、質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，是一種先進(jìn)的壓縮機(jī)。趙寶平等[10]也提出，鑒于高效率和能與電驅(qū)動(dòng)高度配合的優(yōu)勢，渦旋式壓縮機(jī)已經(jīng)成為電動(dòng)壓縮機(jī)的最佳選擇。

電子膨脹閥控制器是整個(gè)空調(diào)制冷系統(tǒng)的一部分，李俊[11]研究中提到，目前國內(nèi)一些電動(dòng)汽車廠商在電子膨脹閥控制器的研究上加大了投入，另外，一些獨(dú)立機(jī)構(gòu)和專門廠商也加大了研發(fā)力度。電子膨脹閥作為節(jié)流裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)循環(huán)制冷劑溫度及壓力的控制，保證空調(diào)控制在一定的過冷度或過熱度范圍內(nèi)，為循環(huán)介質(zhì)發(fā)生相變創(chuàng)造條件。另外，儲(chǔ)液干燥器及換熱器風(fēng)扇等輔助部件，可以有效除去管路加入循環(huán)介質(zhì)中的雜質(zhì)和水分、提高換熱器的換熱傳熱能力，進(jìn)而提高熱泵空調(diào)系統(tǒng)的性能[8]。

前面也提到，鑒于新能源汽車與傳統(tǒng)汽車的本質(zhì)區(qū)別，增加了驅(qū)動(dòng)動(dòng)力總成、動(dòng)力電池、電動(dòng)部件等，采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)代替內(nèi)燃機(jī)。進(jìn)而導(dǎo)致了傳統(tǒng)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)附件—水泵的工作方式產(chǎn)生了較大變化，新能源汽車的水泵多采用電動(dòng)水泵代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械式水泵。婁鋒等[12]研究指出電動(dòng)水泵，現(xiàn)在主要應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電動(dòng)部件、動(dòng)力電池等的循環(huán)冷卻作用，在冬季工作工況條件下，可以起到循環(huán)加熱循環(huán)水路的作用。盧夢(mèng)瑤等[13]也提到了如何在新能源汽車運(yùn)行過程中控制其電池的使用溫度，特別是電池冷卻問題是非常重要的，合適的冷卻技術(shù)不僅能夠提高動(dòng)力電池的效率，還可以降低電池老化速度，延長電池的使用壽命，具體涉及的冷卻技術(shù)后續(xù)4.3 章節(jié)部分有詳細(xì)介紹。

3.2 主要核心零部件市場分析

在電氣化升級(jí)帶動(dòng)下，汽車熱管理技術(shù)相關(guān)主要核心零部件發(fā)生變化，包括電動(dòng)壓縮機(jī)、PTC 加熱器、電子膨脹閥、電池冷卻器、電子水泵等在內(nèi)的新能源汽車新生零部件迎來增量市場（表3）。

表3 主要核心零部件單車價(jià)值量 元

基于中汽協(xié)和Marklines 數(shù)據(jù)[14]，預(yù)計(jì)各零部件由于規(guī)?；慨a(chǎn)（圖2）及廠商技術(shù)升級(jí)，價(jià)格均會(huì)有所下降，但市場規(guī)模會(huì)逐步提升[14]。

圖2 新能源汽車核心零部件2020/2021/2025年國內(nèi)、全球市場規(guī)模

測算主要基于如下假設(shè)：

（1）在動(dòng)力系統(tǒng)（EV 或PHEV）、級(jí)別（A00/A0/A/B/C級(jí)）、電池體系（三元電池或磷酸鐵鋰電池）和價(jià)格不同的車型上，各零部件單車價(jià)值量具一定差距。為便于計(jì)算采用平均單車價(jià)值量。

（2）基于中汽協(xié)及Marklines 數(shù)據(jù)假設(shè)（圖3），為便于計(jì)算不區(qū)分商用車及乘用車。

圖3 新能源汽車預(yù)測銷量

（3）預(yù)計(jì)各零部件由于規(guī)?；慨a(chǎn)及廠商技術(shù)升級(jí)，每年價(jià)格有4%的降幅。

通過預(yù)測，新生零部件市場規(guī)模如（表4）[14]。

表4 新生零部件市場規(guī)模[14] 億元

4 新能源汽車熱管理技術(shù)升級(jí)方向

4.1 電池?zé)峁芾?/h3>

電池工作過程中，溫度對(duì)其性能影響較大，溫度過低可能會(huì)導(dǎo)致電池容量和功率的急劇衰減，甚至出現(xiàn)電池短路。溫度過高可能導(dǎo)致電池出現(xiàn)分解、腐蝕、起火甚至爆炸，因此電池?zé)峁芾淼闹匾匀找嫱癸@。動(dòng)力電池的工作溫度是決定性能、安全及電池壽命的關(guān)鍵因素[15]。

從性能角度來看，溫度過低會(huì)導(dǎo)致電池活性下降，從而導(dǎo)致充放電性能降低，進(jìn)而出現(xiàn)電池容量的急劇衰減。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度下降至10 ℃時(shí)，電池放電容量為常溫下的93%；然而當(dāng)溫度降至-20 ℃時(shí)，電池放電容量僅為常溫下的43%（圖4）。

圖4 對(duì)比20 ℃常溫電池放電容量衰減情況

李軍求等[16]研究中提到，從安全角度考慮，如果溫度過高，會(huì)加快電池副反應(yīng)的進(jìn)行，當(dāng)溫度接近60 ℃時(shí)電池內(nèi)部材料/活性物質(zhì)就會(huì)分解，進(jìn)而出現(xiàn)“熱失控”，致使溫度驟升，甚至可達(dá)400～1000 ℃，進(jìn)而導(dǎo)致起火爆炸。如果溫度過低，電池充電倍率需維持在較低充電倍率，否則將導(dǎo)致電池析鋰而造成內(nèi)短路起火。

從電池壽命角度來看，溫度對(duì)電池壽命的影響也是不可忽視的。低溫充電易發(fā)的電池析鋰將導(dǎo)致電池循環(huán)壽命急速衰減至幾十次，高溫則很大程度上影響電池的日歷壽命和循環(huán)壽命。研究發(fā)現(xiàn)，溫度在23 ℃時(shí)，80%剩余容量的電池日歷壽命大約在6238天，然而當(dāng)溫度升高至35 ℃時(shí)，此日歷壽命大約為1790天，當(dāng)溫度至55 ℃時(shí)，此日歷壽命僅為272天。

目前受成本及技術(shù)制約，電池?zé)峁芾碓趥鲗?dǎo)介質(zhì)運(yùn)用上并未統(tǒng)一，可分為風(fēng)冷（主動(dòng)式和被動(dòng)式）、液冷和相變材料（PCM）3 大技術(shù)路徑。風(fēng)冷相對(duì)簡單、無泄露風(fēng)險(xiǎn)，具有經(jīng)濟(jì)性，適用于初期發(fā)展的LFP 電池和小型車領(lǐng)域。液冷效果優(yōu)于風(fēng)冷，成本提升，相較于空氣，液體冷卻介質(zhì)具有比熱容大、換熱系數(shù)的高的特點(diǎn)，有效的彌補(bǔ)了空氣冷卻效率低的技術(shù)不足，是目前乘用車優(yōu)化的主要方案[17]。張福斌[18]研究中指出液冷的優(yōu)點(diǎn)是散熱快，可以保證電池組溫度的均勻，適用于產(chǎn)熱量大的電池組；缺點(diǎn)是成本較高、封裝要求嚴(yán)格、有液體泄露的風(fēng)險(xiǎn)和結(jié)構(gòu)復(fù)雜。相變材料兼具換熱效率及成本優(yōu)勢，且維護(hù)成本低，目前技術(shù)尚在試驗(yàn)室階段。相變材料熱管理技術(shù)未完全成熟，是未來最有潛力的電池?zé)峁芾戆l(fā)展方向。

總體來看，液冷是目前主流技術(shù)路線[3]，主要原因在于：

（1）一方面目前主流的高鎳三元電池比磷酸鐵鋰電池?zé)岱€(wěn)定性更差，熱失控溫度更低（分解溫度，磷酸鐵鋰750 ℃，三元鋰電池300 ℃）、產(chǎn)熱更大，另一方面比亞迪的刀片電池、寧德時(shí)代CTP 等磷酸鐵鋰新型應(yīng)用技術(shù)省去了模組，提升了空間利用率及能量密度等，均進(jìn)一步拉動(dòng)了電池?zé)峁芾碛娠L(fēng)冷技術(shù)向液冷技術(shù)傾斜。

（2）受補(bǔ)貼退坡指引、消費(fèi)者續(xù)駛里程焦慮影響下，電動(dòng)車?yán)m(xù)駛里程持續(xù)提升，電池能量密度要求越來越高。換熱效率更高的液冷技術(shù)需求度提高。

（3）車型向中高端化方向發(fā)展，成本預(yù)算足、追求舒適度、零部件容錯(cuò)率低以及性能高，液冷方案更符合要求。

4.2 整車空調(diào)系統(tǒng)

無論是傳統(tǒng)車還是新能源汽車，消費(fèi)者對(duì)于舒適性的需求越來越高，駕駛艙熱管理技術(shù)也變得尤為重要。

制冷方式上，以電動(dòng)壓縮機(jī)替代普通壓縮機(jī)制冷，電池與空調(diào)冷卻系統(tǒng)通常聯(lián)結(jié)。傳統(tǒng)車主要采用斜盤式，新能源車主要采用渦旋式，此方式效率高、質(zhì)量輕、噪聲小、與電驅(qū)動(dòng)能高度配合，另外結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、容積效率高出斜盤式60%左右。

制熱方式上，需借助PTC 加熱，電動(dòng)車因缺乏零成本熱源（如內(nèi)燃機(jī)冷卻液），現(xiàn)階段基本使用構(gòu)造簡單、成本低廉的PTC 加熱器作為補(bǔ)充。田鎮(zhèn)[19]研究中指出，熱泵系統(tǒng)能有效緩釋電動(dòng)車采暖帶來的續(xù)駛里程問題，未來制熱效率更高的熱泵系統(tǒng)是趨勢。

此外，根據(jù)國金證券研究報(bào)告顯示：預(yù)計(jì)到2025年熱泵空調(diào)市場國內(nèi)可達(dá)70.6 億元，全球可提升至147.1億元。電動(dòng)車用熱泵對(duì)于汽車零部件企業(yè)是一個(gè)全新的增量市場。

4.3 電驅(qū)動(dòng)及電子元器件

在新能源車高電壓電流運(yùn)行環(huán)境、智能駕駛技術(shù)日益復(fù)雜背景下，電機(jī)電控及電子功率件等耐受溫度低的部件對(duì)散熱要求高，需額外添設(shè)冷卻裝置。

對(duì)溫度耐受較低的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及電子元件需額外冷卻回路保護(hù)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：溫度過高會(huì)引發(fā)電機(jī)故障，出現(xiàn)安全隱患。電磁負(fù)荷及電機(jī)單機(jī)容量的持續(xù)提升，使得其冷卻方案由低成本、低冷卻效果的風(fēng)冷向液冷過渡。半導(dǎo)體元器件：溫度過高會(huì)影響其疲勞老化壽命，工作溫度每上升10 ℃，加速疲勞老化壽命減少50%，通常需鋪設(shè)冷卻管路并入電動(dòng)車整車熱平衡體系。

隨全速自適應(yīng)巡航、全自動(dòng)泊車等ADAS 功能日益豐富，其域控制器集成度提升，自動(dòng)駕駛芯片功耗增大，熱管理需求將從目前的自然散熱方案進(jìn)化，出現(xiàn)散熱風(fēng)扇和液冷散熱。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的迅速發(fā)展對(duì)散熱提出更高要求，目前驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)向高轉(zhuǎn)矩密度和高功率密度方向發(fā)展，高效的散熱能力可以提高電機(jī)的持續(xù)功率和持續(xù)轉(zhuǎn)矩。伴隨著電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)二合一、三合一、多合一的集成化發(fā)展，對(duì)系統(tǒng)的散熱能力提出了更高要求。并且，高效的散熱能力可以提高電機(jī)的爬坡能力、加速能力，降低電機(jī)的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)鐵心的輕量化，或者在電機(jī)有效質(zhì)量不增加的情況下增加額定功率和峰值功率；降低動(dòng)力總成的空間體積及質(zhì)量，有效提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率密度，從而降低整車質(zhì)量，提高整車性能以及效率。工信部和發(fā)改委提出規(guī)劃，到2025年乘用車電機(jī)的功率密度要大于4 kW/kg，電機(jī)的技術(shù)發(fā)展趨勢必然要求提高冷卻效率。

郭少杰等[20]的研究中指出，除傳統(tǒng)自然冷卻外，目前驅(qū)動(dòng)電機(jī)散熱技術(shù)方案可分為3 類：風(fēng)冷、水冷和油冷。

（1）風(fēng)冷技術(shù)。自帶同軸風(fēng)扇來形成內(nèi)風(fēng)路循環(huán)或外風(fēng)路循環(huán)，通過風(fēng)扇產(chǎn)生足夠的風(fēng)量，以帶走電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的熱量。介質(zhì)為電機(jī)周圍的空氣，空氣直接送入電機(jī)內(nèi)，吸收熱量后向周圍環(huán)境擴(kuò)散。風(fēng)冷技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單，不用設(shè)計(jì)獨(dú)立的冷卻零件，維護(hù)方便及成本低。缺點(diǎn)在于散熱效果和效率都不高，工作可靠性差，對(duì)天氣和環(huán)境的要求較高。

為保證足夠的散熱量需求，驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要增大與氣流的接觸面積，導(dǎo)致電機(jī)體積大和成本增加；驅(qū)動(dòng)電機(jī)在車輛上使用時(shí)對(duì)應(yīng)的工況較為復(fù)雜，風(fēng)冷無法在各工況下保持所需的散熱量，故僅在熱負(fù)荷小的小型車驅(qū)動(dòng)電機(jī)或輔助電機(jī)中采用風(fēng)冷。

（2）水冷技術(shù)。相比風(fēng)冷，液體具有更高的比熱，且可以根據(jù)需要主動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)溫度，故而液冷具有更好的穩(wěn)定性，可以迅速帶走熱量，實(shí)現(xiàn)溫度的快速降低，提高電機(jī)的效率和壽命。水是較好的液冷介質(zhì)，水具有很大的比熱和導(dǎo)熱系數(shù)，價(jià)廉、無毒、不助燃、無爆炸危險(xiǎn)；可提高材料利用率。缺點(diǎn)在于對(duì)水道的密封性和耐蝕性要求非常嚴(yán)格；在冬天必須添加防凍液。

國內(nèi)新能源汽車技術(shù)路線主要采用水冷的方式，技術(shù)難度較低，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大面積的產(chǎn)業(yè)化，通過布置在電動(dòng)機(jī)殼體內(nèi)的水道，冷卻液將電動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的熱量帶走，確保電動(dòng)機(jī)在高效率區(qū)間運(yùn)行，同時(shí)保證電機(jī)的潤滑和絕緣，主要應(yīng)用于BEV驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

（3）油冷技術(shù)。油冷一般采用機(jī)油（潤滑油），因?yàn)榫植坎粚?dǎo)磁、不易燃、不導(dǎo)電、導(dǎo)熱好的特性，對(duì)電機(jī)磁路無影響，因此散熱效率更高的油冷技術(shù)成為研究熱點(diǎn)，國內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)及企業(yè)大力發(fā)展噴油冷卻方式，對(duì)電機(jī)繞組端部實(shí)現(xiàn)噴油冷卻。優(yōu)點(diǎn)是絕緣性能良好，機(jī)油沸點(diǎn)比水高，凝點(diǎn)比水低。機(jī)油在低溫下不易結(jié)冰，高溫下不易沸騰；對(duì)端部裸露面積更大的扁線繞組電機(jī)的冷卻效果更明顯，能夠主動(dòng)冷卻到內(nèi)部轉(zhuǎn)子部件；有利于電機(jī)與變速箱的集成，提高軸承的潤滑冷卻效果、環(huán)境溫度較低時(shí)加熱變速箱油提高潤滑攪拌效率。

按照機(jī)油與定子軛部的接觸形式分類如圖5 所示，在HEV/PHEV 上多采用與發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱更方便集成的油冷電機(jī)。

圖5 油冷電機(jī)不同形式

5 總結(jié)與分析

新能源汽車熱管理市場競爭格局未定，國內(nèi)企業(yè)有望憑借市場響應(yīng)快及成本優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)彎道超車。

目前技術(shù)及市場發(fā)展仍處于起步階段，競爭格局尚未固化，快速發(fā)展和變化中的市場為國內(nèi)優(yōu)秀熱管理企業(yè)帶來新機(jī)遇。

未來熱管理系統(tǒng)將向標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化方向發(fā)展。新能源汽車三電技術(shù)及電子構(gòu)架尚未形成統(tǒng)一體系，有關(guān)單一車型的熱管理仍處定制化階段，各整車廠對(duì)整車熱管理設(shè)計(jì)思路仍有較大差別，因此新能源汽車熱管理方案標(biāo)準(zhǔn)化是發(fā)展需求，也是未來趨勢。在A0、A 級(jí)或緊湊SUV 等車型中，整車運(yùn)行工況對(duì)電機(jī)的持續(xù)性能要求相對(duì)沒那么敏感，因此無論是常規(guī)的水冷冷卻還是理論上冷卻效果更好的油冷冷卻對(duì)整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)的成本、性能影響相對(duì)不大。對(duì)于B級(jí)或更高性能車，最高車速越來越高，峰值功率與持續(xù)功率要求高、對(duì)應(yīng)持續(xù)時(shí)間長、運(yùn)行工況惡劣，電機(jī)的持續(xù)性能與溫升表現(xiàn)相對(duì)關(guān)鍵，此時(shí)油冷電機(jī)的優(yōu)勢更易體現(xiàn)出來。