液冷管行业发展趋势

液冷管行业发展趋势空调热管理：热泵空调渗透率提升，多方案提升低温环境下的热泵效率空调制热为新能源汽车热管理核心变化，热泵空调为主流趋势。汽车空调系统是汽车结构重要组成部分，其主要为乘员舱提供制冷、制热、通风、空气净化及智能座舱部分功能。空调热管理主要包含空调箱（蒸发器、鼓风机和管路等）、压缩机、冷凝器和膨胀阀四部分。传统燃油车热管理来源主要来自发动机余热，新能源汽车空调热管理制热主要分为两个技术路线：（1）（风暖/水暖）PTC系统；（2）热泵空调系统。由于PTC在冬季显著降低新能源车续航里程，因此热泵空调系统正逐步成为下一代新能源车乘员舱空调热管理解决方案。PTC空调（电动压缩机制冷/PTC制热）分为风暖和水暖，具有成本低、制热效果不受恶劣低温环境影响等优点。PTC也即是正温度系数热敏电阻，在通电后恒温发热从而达到制热目的。PTC空调有两种解决方案：（1）风暖：PTC内置空调箱内替代暖风机芯直接加热空气，其设计结构简单但其存在一定的安全隐患；（2）水暖：PTC内置冷却液回路对冷却液进行加热，冷却液流经暖风机芯进行制热，其安全性好且温度控制精确但其结构复杂、电量消耗较大。当前PTC空调因管路结构简单、成本较低及制热效果不受环境影响等优点被多数新能源汽车搭载，但其能耗高会使得续航里程降低25%左右，因此中高端车型正逐步采用热泵空调对其进行替代。热泵空调基于逆卡诺循环有效降低功耗。热泵空调基于逆卡诺循环的原理，将低位热源的热能转移至高位热源，通过增加四通换向阀使热泵空调系统的冷凝器和蒸发器功能互换，从而改变热量的转移方向实现制冷、制热双重效果。热泵空调具有制热效率高、能耗低的优势，其热能效比COP>1，也即是可以用1kW电功率达到1．5kW-2kW的热量。基于当前新能源汽车对续航需求的提升，能耗管理成为OEM技术变革的关键，热泵空调拥有比PTC空调低耗、高效率的解决方案，当前中高端车型纷纷搭载热泵空调技术；特斯拉ModelY车型、宝马iX3系列、奥迪Q7e-tron车型等均搭载热泵空调方案。新能源汽车热管理技术趋势乘用车行业普遍认为空调会占到整车能耗的10-20%，而在新能源车上这个比例会更高。而在空调制热系统方面，传统汽车与新能源汽车差异较大，新能源汽车无法利用发动机余热，一般使用PTC加热器或热泵系统进行制热。但常用的PTC加热器耗电量较大，导致汽车的行驶里程大幅下降，因此制热效率较高的热泵系统将成为新能源汽车空调的发展方向。新能源车电池系统对于工作环境的温度要求更加严格，过高或过低的环境温度将显著影响车辆的续航里程以及电池寿命。而目前新能源乘用车广泛采用电池液体冷却技术，如特斯拉和宝马i3新能源车。液冷技术通过液体对流换热方式将电池产生的热量带走，液体换热系数高、热容量大、冷却速度快，对降低最高温度、保持电池组温度一致性效果更好，相较于风冷液冷方案更易实现余热回收。相关调研数据显示，2017年我国量产的PHEV已经100%采用了电池液冷方案，而纯电动车仅仅只有6%采用液冷，2018年预计纯电动车液冷的普及率会超过60%。电机冷却方面，新能源汽车和传统燃油车也存在着一定的差异。而未来随着智能化程度的提升，新能源车装载的电子部件数量和种类更加繁多，从功率只有几十瓦的LED芯片到几百千瓦的动力电子都有应用。液冷将是高功率电子部件的主要冷却方案，而低功率电子部件的散热需要创新的低成本风冷方案。伴随着新的热管理技术的出现，需要对应不同功能开发新的换热器，这也意味着热交换器数量会不断增加，这给相关行业将带来较大增长空间。电动汽车热管理技术发展历程整车热管理是电动汽车发展的核心技术之一，涉及乘员舱温湿环境调控、动力系统温控、玻璃防雾除雾等多目标管理。根据热管理系统架构与集成化程度，将电动汽车热管理的发展归纳为三个阶段，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。在电动汽车产业化起步阶段，基本是以电池、电机等动力系统的替代为核心技术发展起来的，车室空调、车窗除雾、动力部件温控等辅助系统是在传统燃油汽车热管理技术基础上逐步改进而来的。纯电动汽车空调与燃油汽车空调都是通过蒸气压缩循环来实现制冷功能，两者的区别是燃油汽车空调压缩机由发动机通过皮带间接驱动，而纯电动车则直接使用电驱动压缩机来驱动制冷循环。燃油汽车冬季制热时直接利用发动机余热对乘员舱进行供热，不需要额外的热源，而纯电动车的电机余热无法满足冬季制热的需求，因此冬季制热是纯电动汽车需要解决的问题。正温度系数加热器（positivetemperaturecoefficient，PTC）由PTC陶瓷发热元件与铝管组成，具有热阻小、传热效率高的优点，并且在燃油汽车的车身基础上改动较小，因此早期的电动汽车采用蒸气压缩制冷循环制冷加PTC制热的方式来实现乘员舱的热管理，例如早期三菱公司的i-MIEV电动汽车。与燃油汽车由燃料提供能量不同，电动汽车由动力电池提供能量。电动汽车正常运行时，动力电池放电产热，温度升高，需要对电池进行降温。电池冷却的方法主要有空气冷却、液体冷却、相变材料冷却、热管冷却，由于空气冷却结构简单、成本低、便于维护，在早期的电动车上得到广泛应用。这一阶段的热管理主要形式是各个独立的子系统分别满足热管理的需求。在实际使用过程中电动汽车冬季供热能耗需求较高，从热力学角度来说PTC制热的COP始终小于1，使得PTC供热耗电量较高，能源利用率低，严重制约了电动汽车的行驶里程。而热泵技术利用蒸气压缩循环将环境中的低品位热量进行利用，制热时的理论COP大于1，因此使用热泵系统代替PTC可以增加电动汽车制热工况下的续航里程。宝马i3车型采用热泵系统来实现冬季制热。此外，一汽奔腾与红旗、上汽荣威等也在部分车型上采用了热泵系统。然而在低温环境下，传统热泵系统制热量衰减严重，无法满足电动汽车低温环境制热需求，需要额外的加热器辅助加热，因此热泵加PTC辅热的制热方式成为电动汽车冬季低温环境下乘员舱制热的主要方式。随着动力电池容量与功率的进一步提升，动力电池运行过程的热负荷也逐渐增大，传统的空冷结构无法满足动力电池的温控需求，因此液冷成为当前电池温控的主要方式。并且，由于人体所需的舒适温度和动力电池正常工作所处的温度相近，可以通过在乘员舱热泵系统中并联换热器的方式来分别满足乘员舱与动力电池制冷的需求。通过换热器以及二次冷却间接带走动力电池的热量，电动汽车整车热管理系统集成化程度有所提高。虽然集成化程度有所提升，但这一阶段的热管理系统只对电池制冷与乘员舱制冷进行了简单整合，电池、电机余热未得到有效利用。传统热泵空调在高寒环境下制热效率低、制热量不足，制约了电动汽车的应用场景。因此，一系列提升热泵空调低温工况下性能的方法得以开发应用。通过合理增加二次换热回路，在对动力电池与电机系统进行冷却的同时，对其余热进行回收利用，以提高电动汽车在低温工况下的制热量。实验结果表明，余热回收式热泵空调与传统热泵空调相比，制热量显著提升。各热管理子系统耦合程度更深的余热回收式热泵以及集成化程度更高的整车热管理系统在特斯拉ModelY、大众ID4．CROZZ等车型上已得以应用。但当环境温度更低，且余热回收量更少时，仅通过余热回收依然无法满足低温环境下的制热量需求，仍需使用PTC加热器来弥补上述情况下制热量的不足。但随着电车整车热管理集成程度的逐渐提升，可以通过合理的增大电机发热量的方式来增加余热的回收量，从而提高热泵系统的制热量与COP，避免了PTC加热器的使用，在进一步降低热管理系统空间占用率的同时满足电动汽车在低温环境下的制热需求。除电池电机系统余热回收利用外，回风利用也是降低低温工况下热管理系统能耗的方式。研究结果表明，低温环境下，合理的回风利用措施能够在避免车窗起雾、结霜的同时使电动汽车所需制热量下降46%～62%，最大能够降低约40%的制热能耗。日本电装也开发了相应的双层回风/新风结构，能够在防起雾的同时降低30%由通风引起的热损失。这一阶段电动汽车热管理在极端条件下的环境适应能力逐渐提升，并朝着集成化、绿色化的方向发展。为进一步提高电池高功率情况下的热管理效率，降低热管理复杂程度，将制冷剂直接送入电池组内部进行换热的直冷直热式电池温控方式也是目前的一个技术方案，一种电池包与制冷剂直接换热的热管理构型。直冷技术能够提高换热效率与换热量，使电池内部获得更均匀的温度分布，减少二次回路的同时增大系统余热回收量，进而提高电池温控性能。但由于电池与制冷剂直接换热技术需要通过热泵系统的工作提高冷热量，一方面电池温控受限于热泵空调系统的启停，并对制冷剂环路的性能有一定影响，另一方面也限制了过渡季节的自然冷源利用，因此该技术仍需通进一步的研究改进与应用评估。新能源汽车热管理行业竞争格局从全球范围看电装、法雷奥、翰昂和马勒等多