新能源汽车热管理发展趋势

上个月，广汽埃安举办中国新能源汽车第2000万辆的活动。中国新能源发展虽然开始于2009年的“十城千辆”工程，但真正的市场化却是最近两年。从数据来看，2020年9月中国新能源汽车累计产量突破500万，2022年2月突破1000万，2023年7月便突破了2000万。0-500万用了十年多的时间，500-2000万却仅用了2年半的时间。

市场的突飞猛进一方面是消费者接受度提升的原因，另一方面也是技术快速进步的体现。标志性事件是2019年特斯拉的引入，不仅在终端市场起到了很大的促进作用，同时一些关键技术方案也得到了快速的推广。

集中式的热管理技术方案便是其中之一。

新能源热管理为什么如此重要

以往传统燃油车型需要进行热管理的部件主要有三个，发动机、变速箱和乘员舱。其中，发动机和变速箱的正常工作温度在80-90度之间，不需要额外进行加强冷却，只需要通过冷却液+润滑油+散热器风冷的方式即可满足要求。同时发动机作为机械部件，可以直接带动压缩机工作。另外，发动机作为热机，在运行过程中，还会释放大量的热，完全可以满足冬天座舱的暖风要求。

因此车载空调服务的部件和功能都相对单一，只需要通过HVAC为座舱提供制冷，不需要提供制热。

早期新能源汽车用动力电池和驱动电机代替了发动机和变速箱（以下简称发变）。发变被取代后，一是没有了稳定的热源，需要增加加热部件。二是压缩机需要电力驱动，即电动压缩机。当然更重要的是对于动力电池和驱动电机而言，工作温度均低于发变。

正常工作时，电机的工作温度在50-90度之间，更高会影响工作效率，甚至永磁体退磁风险。电机控制器因全部由电子元器件组成，尤其是电容部件，超过65度就会限制功率输出，理论不能超过85度。动力电池本质是电化学，工作温度区间更窄，不仅不能过高，同时也不能过低，适宜的工作温度在15-45度之间，温度过低会影响充放电性能，即充不进去电也无法进行放电，温度过高不仅性能售影响，甚至会造成起火在内的热失控风险。所以，动力电池不仅要冷却，还的考虑加热。

所以早期的新能源车的热管理重点是从先解决各部件温度控制的需求出发。

在这个思路上，除了一些风冷的方案，采用液冷的方案由原来的单交换回路增加到三个交换回路。一个回路作用于座舱，一个回路作用与电驱动，一个回路作用于动力电池。

电驱动因为工作温度相对较高，不需要强冷介入，因此整个冷却可以依靠散热器来完成，这点和发变类似。

座舱分为两块。一块是制冷，这点和传统油车一样，采用车载空调，只是压缩机由原来机械驱动改为电力驱动，同时为了适配电动压缩机，内部结构也由活塞式改为涡旋式。另外是制热，由于没有发动机，所以增加了一个PTC进行电子加热。

同样的动力电池也分两块，一块是制冷，因为动力电池工作温度低，且温度范围窄，所以需要强冷介入，即采用热交换器利用车载空调对冷却液降温。另外是加热，采用单独的水冷PTC加热冷却水，进而加热电芯，从而使之保持合理的工作温度。

这个方案虽然救急，但却带来了新的问题。冷却还好，但加热过度依赖PTC。一来PTC价格并不便宜，而且用了两个，成本更高。二来PTC制热能效比（COP）最大只有1，也就是1kW的电能只能产生1kW的热量。实际表现就是加热耗电严重，尤其是北方冬天的时候，续航里程甚至只有不到50%。根据懂车帝2022年的冬测数据，在零下15度的环境下，新能源车的平均续航里程仅为48.5%。严重影响了用户的用车体验。

因此热管理技术提升的出发点就落在了如何改善冬季的续航，降低冬季里程焦虑。核心就是找到效率更高的热源。

新能源汽车热管理的解决思路

前边提到了PTC的COP值最大只有1，那么新热源的一个思路便是找到一个COP值大于1的热源，也就是热泵空调。热泵空调的原理和家用空调类似，和原来车载空调相比，通过增加回路，改善压缩机就可以实现。关键的是热泵空调的COP值可以做到2-3。采用热泵空调代替PTC给座舱加热后，能够大幅改善制热时的电能损耗，改善里程表现，并且还可以节省一个暖风PTC，降低成本。但由于冷媒的限制，现在的热泵空调在低温情况下制热能力较弱，一般在低于零下10度的环境下，制热性能下降明显，无法有效工作，因此还无法完全取代PTC。新的适合低温的冷媒正在开发中，比如二氧化碳，但因为成本的问题目前还不是主流。

当然了，即使有了热泵，制热的效率依然有提升的空间。解决思路便是增加余热利用。

前边提到的各部件的温度要求不一样，电驱动相对高一些，电池和座舱相对低一些。如果能利用不同部件的余热，主要是电驱动的余热进行加热电池，就能进一步降低电能损耗。

这也就是冷却液侧集成的动机，现在包括上汽、江淮等在内的自主车企均应用了冷却液侧集成，特斯拉的超级水壶方案也是冷却液集成。下边以特斯拉超级水壶的方案进行阐述。

特斯拉超级水壶采用了一个五通阀将电驱动冷却回路和动力电池冷却回路整合成一起，可以实现两个回路的串联或者并联。

在电池冷却过程中，回路处于并联状态，即电驱动和动力电池进行分别温度控制，使动力电池快速降温，该模式并为体现出超级水壶方案的优势。

在电池加热过程中，回路处于串联过程中，电驱动通过电机堵转可以产生热量供电池加热。这样便节省了一个水暖PTC。这也是超级水壶方案最大的特点。

这个方案之后是否还有潜力可挖呢？

前边提到空调的COP值大于PTC，其核心原因是热泵空调可以从低温环境中吸热，然后将热量运送至温度高的环境中。冷却液侧的集成，只是完成了从高温环境到低温环境的余热利用，并未实现从低温环境到高温环境的余热利用。因此就用了冷媒侧和冷却液侧一体式集成的方案，也就是特斯拉的超级歧管方案（Supermanifold）。

超级歧管的核心是通过热泵空调将电驱动、动力电池的余热进行利用，从而改善热泵空调低温制热的性能以及常规工作时的能耗。

硬件层面，冷媒模块主要包含气液分离器，水冷冷凝器，蒸发器以及冷媒支架，其中气液分离器采用了搅拌摩擦焊的工艺。冷媒支架最大的挑战在于冷媒的高低温差较大，整个系统容易由热胀冷缩导致损坏，因此在结构和工艺层面需要针对性改进。

冷却液部分采用了一个八通阀的集成式设计，此外还包括歧管、储液器、电子水泵，并且将自动驾驶控制器的冷却回路也集成了进来。冷媒侧和冷却液侧通过热交换器进行热量交换。

集成后，这个系统拥有15种模式，其中12种为制热模式，3种为制冷模式。应用该方案后，在低温环境下，可以通过电机堵转的方式为整个系统提供启动所需的低温热源，从而彻底取代PTC（特斯拉仅保留PTC用作除霜）。并且在运行过程中，也可以保证热量的高效利用，提升效能。

除硬件外，特斯拉将热管理控制器集成在了车身控制器中，用于控制阀体和电子水泵。

总结

如今主流车企都将新能源汽车作为后续战略的重点，随着新车型的不断投放，新能源汽车市场已经进入高端竞争的状态。集成式的热管理技术当前尚未得到大规模推广，一方面是由于市场发展的太快，留给技术应用的时间不够。另一方面，集成是热管理技术涉及的部件众多，各部门配合难度较大，存在一定的开发阻力。后续随着技术的不断成熟，相信在未来1-2年内集成式热管理技术的应用会成为各家车企的重点之一。