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新能源汽车热管理技术专题研究:特斯拉解决方案迭代启示

2022-08-24 15:23:12 10463

摘要:(报告出品方:中信建投证券)一、新能源车热管理功能架构及趋势新能源车热管理系统技术迭代的目的在于实现各回路热量与冷量需求的内部匹配,能耗最优,降低电 池能耗实现制冷与制热功能。纯电动车型的热管理回路主要包括汽车空调回路(驾驶舱热管理回路)、。...

(报告出品方:中信建投证券)

一、新能源车热管理功能架构及趋势

新能源车热管理系统技术迭代的目的在于实现各回路热量与冷量需求的内部匹配,能耗最优,降低电 池能耗实现制冷与制热功能;纯电动车型的热管理回路主要包括汽车空调回路(驾驶舱热管理回路)、电 池热管理回路,电机热管理回路。其中,空调制暖回路可以通过 PTC 或热泵产生热量、空调制冷回路可以 产生冷量;电池热管理回路可产生热量,但在不同情况下既需要被制冷又需要被制热;电机热管理回路可 产生热量,主要需要被制冷。如果我们按照热量与冷量的供给和需求角度去划分各个回路: 热量供给方:空调制暖回路、电池热管理回路、电机(或电驱动)热管理回路; 冷量供给方:空调制冷回路; 热量需求方:驾驶舱、电池热管理回路; 冷量需求方:驾驶舱、电池热管理回路、电机热管理回路。


热管理系统升级可提升新能源汽车整车续航里程和车主驾驶体验。1)高效的热管理技术能够降低整 车能耗,在不增加动力电池容量的情况下提升续航里程。同时,汽车空调系统能够通过调节 PTC 功率或者 热泵功率保持汽车座舱恒温,使得乘客体感温度舒适;2)通过对热管理回路结构差异、零部件增减量拆 分来看,新能源车热管理系统单车价值量可达 5000-10000 元(含热泵),显著高于传统燃油车一般不高于 2500 元的价值量。随着热管理技术、集成化程度、冷媒介质等解决方案升级,有望驱动热管理单车价值量 提升。

通过分析梳理热管理技术解决方案迭代变化历史,我们发现行业在加速成长期具备二大特征: 第一,目前国内主流主机厂已完成热管理基本功能实现,但热管理技术仍在不断创新和迭代。通过梳理特 斯拉、丰田等强势主机厂和三花、银轮等热管理厂商的技术路线,我们认为热泵空调及集成控制等技术迭 代方向明确。目前,领先的主机厂的电机热管理、电池热管理和座舱热管理均已衍生出了第二代、三代技 术,且每一代技术对于软件和硬件的集成要求都更高。以电机热管理的主动液冷技术为例,为了快速冷却 电机,车载电脑需要根据预设程序调节回路中冷却液流量大小,并可根据电池包热量决定是否通过四通阀 将电池回路和电机回路进行串联,以实现更高效的集成热管理控制。我们认为,新能源汽车热管理方案的 技术趋势是通过集成或改变各回路的连接方式等方式,实现各热管理回路内部能耗最优,尽可能减少对于 电池能耗的依赖。

第二,主机厂主导热管理解决方案开发,定制化特征显著;政策层面无明确热管理技术路线指引;通 过整理工信部、市场监管总局等监管部门的政策,我们发现国家政策对技术指引较少,主要聚焦于新能源 整车及电池安全上。目前,国家多部门先后出台政策以防控电池在极端情况下发生自燃、爆炸现象。但是, 并没有对具体热管理技术路线做出指引要求。以热泵技术为例,目前欧洲等国出于环保要求禁止使用 R134a, 但并没有确定未来进一步的冷媒路线(CO2 或 R1234yf)。

在热管理技术层面,特斯拉在 Model S/X/3/Y 四款车型中先后迭代出了 3 个版本的技术路线;分别在 电机余热回收、大型集成式控制阀、电机堵转技术、整车热管理标定和智能热管理算法方面拥有极强的技 术积累。通过比较特斯拉和国内各家主机厂商技术差异,我们认为以 Model Y 为代表的特斯拉第三代技术 在能耗管理和热控制方面具有卓越的优势。相较之下,国内主机厂和热管理厂商仍停留在电机余热回收阶 段(特斯拉第一代技术),2021 年热泵渗透率仅约二成,尚未大规模量产大型集成式控制和智能热管理算 法等解决方案。


特斯拉 Model Y 是新能源车热管理技术集大成者。2010-2019 年新能源纯电动热管理技术仍然处于实现基 本功能阶段,技术仍在频繁迭代(集成化),同时类似于冷媒技术升级等技术趋势尚未明确,行业竞争格局尚未 完全定型(各供应商基于自身优势产品逐步扩展热管理其余环节产品)。2020 年特斯拉 Model Y 开辟了新能源 车热管理解决方案新标杆,2021 年比亚迪及华为等跟进推出新型高效解决方案,对于其技术路线的分析有助于 梳理技术发展路径以及前瞻预判技术趋势: 1) 技术特点一:大型集成式八通阀。将热泵空调系统和电机、电池热管理回路动态地结合在一起,实现 电机余热回收,减少管路用量,节能降本; 2) 技术特点二:采用 R1234yf 冷媒的多功能热泵。基于 R1234yf 的热泵通过回收热管理回路中的余热,同时辅以低电压加热器并采用冷媒再循环技术,加强了低温环境下热管理回路的制热量和制热效率, 提升续航,改善车主体验; 3) 技术特点三:电机油冷。在 Model 3 的系统中,特斯拉加入油冷模块来辅助冷却,大幅提高热管理效率, 满足电机的高功率运行的冷却要求。

二、新能源车热管理 1.0 技术架构

核心观点:为了更好地了解特斯拉的技术迭代以及集成度较高的热管理技术,我们首先介绍最基础的 新能源纯电动热管理回路。一般而言,新能源纯电动整车热管理系统可以分为汽车空调回路、电池热管理 回路和电机热管理回路。其中,电池热管回路工况温度适中一般需要维持在 20-35℃,该回路可产生热量, 在夏天和冬天分别有制冷和制热需求;汽车空调回路工况温度一般在 18-30℃,可制热与制冷;电机热管 理回路正常工况温度最高可达 60-80℃,该回路可产生热量,只有制冷需求。

2.1 功能原理及结构组成

在基本的热管理架构中,空调、电池和电机三大回路相互并联并独立,冷却液不会出现跨回路流动的现象。 以国内某新势力车企第一代热管理回路为例,电机回路并联在整个热管理回路的外侧;电池回路和汽车空调回 路相互并联,并通过 chiller 进行冷媒和冷却液的热交换;汽车空调回路内部,制冷和制热功能回路又相互并联。

2.1.1 乘客舱空调回路

制冷路径:电动压缩机 7→冷凝器 8(电子风扇 24)→三通阀 9→电子膨胀阀 10→蒸发器 11→三通阀 12→压缩机 7

制热路径:电子水泵 20→W-PTC 21 →暖风芯体 22→膨胀水壶 23→电子水泵 20

汽车空调回路被分为空调制冷回路和空调制热回路。空调制冷回路通过电子膨胀阀+Chiller 和电池回 路并联,空调制暖回路则完全独立。 当座舱需要制冷时:制冷回路中的压缩机会开始工作,并将高压气态冷媒(R134a、R1234yf 等)输送至冷 凝器中转化为高压液态冷媒,冷媒在冷凝器出由气态转换为液态,实现放热,由电子风扇将热量吹走,之后冷 媒经三通阀(9)抵达电子膨胀阀(10)节流,并在蒸发器(11)处由液态转换为气态,同时吸收周围环境热量, 开始制冷,同时,紧贴蒸发器上的鼓风机(24)开始工作,并将蒸发器附近的冷风打入座舱进行制冷。最后冷 媒从蒸发器流出,经由三通阀(12)返回压缩机,完成循环。 当座舱需要加热时:此时制暖回路中的 W-PTC(水冷-PTC)开始工作,冷却液从电子水泵出发,经 W-PTC 加热后抵达暖风芯体,并在暖风芯体中向座舱吹出热风,之后经水箱重新回到电子水泵,完成循环。

2.1.2 电池热管理回路

冷却路径:电子水泵 17→电池水冷板 19→Chiller14(右侧)→低温水箱 15→W-PTC 16(关闭状态) →电子水泵 17;电子膨胀阀 13(冷媒回路导通)→Chiller14(左侧)

加热路径:电子水泵 17→电池水冷板 19→Chiller14(关闭状态)→低温水箱 15→W-PTC 16(加热状 态)→电子水泵 17

当电池需要冷却时:汽车空调制冷回路开始工作,并且三通阀右侧阀口会打开,电子膨胀阀 13 调节 经过 Chiller 冷媒流量大小,降低 Chiller 温度,此时 W-PTC 处于工作停止状态,此时低温冷却液会从电子 水泵出发流经水冷板,带走电池产生的热量,之后抵达 Chiller 并再次降温,之后冷却液经水箱、停止工作 的 W-PTC 后重新返回电子水泵,完成回路循环。 当电池需要加热时:空调回路中的三通阀关闭右侧阀口,使得热交换器 Chiller 保持常温,同时回路中 的制热部件 W-PTC 开始工作;经 PTC 加热的冷却液从电子水泵出发,抵达电池水冷板并加热电池,随后 经过 Chiller、水箱后抵达 W-PTC 并再次加热,并最终回到电子水泵,完成回路的循环;

2.1.3 电机热管理回路

冷却路径:电子水泵 6→低温散热器 1→DC/DC2→IPU3→电机 4→膨胀水壶 5→电子水泵 6

当电机需要冷却时,高温冷却液从电子水泵出发,抵达低温散热器进行降温,之后温度较低的冷却液 流经 DC/DC、IPU、电机并带走功率部件的热量;高温冷却液随后通过水箱回到电子水泵,完成回路循环。

2.2 Model S 热管理解决方案

2.2.1 功能及组成

特斯拉第一代热管理技术路线应用在 Mode S/X 上,和国内各家厂商一样把整车热管理分成电池、电 机和汽车空调三大管理回路。其中,Model S 回路有 4 大功能:电池冷却、电池加热、座舱热管理、电机 电控冷却。从热功能元件来看,整车是电池冷却器+空冷 PTC(chiller+A-PTC)的双能系统,可以通过 PTC 和电机余热的方式给座舱和电池包加热。第一代热管理技术路线相对通用基础方案的变化主要体现在: 第一,通过新增四通阀实现了电机热管理回路和电池热管理回路的串联,也就是引入了电机余热回收 功能,实现将电机多余热量导入电池回路功能; 第二,采用了两组冷凝器+电子风扇的组合,其考虑主要是高端车驾驶舱温度控制及保障舒适性; 第三,其空调制暖回路采用一个集成的 A-PTC+蒸发器。


汽车空调回路分析

制热路径:A-PTC(风冷 PTC)16→鼓风机 17→座舱

制冷路径:压缩机 9→冷凝器 10(电子风扇 11)→冷凝器 12(电子风扇 13)→热力膨胀阀 14(打开) →蒸发器 15→压缩机 9

汽车空调主要为座舱加热或者冷却。当座舱需要加热时,此时回路不循环,压缩机不工作,A-PTC 通 电并放热,紧贴 A-PTC 的鼓风机(回路中未画出)将外部风吹至 A-PTC 上,经加热后吹出热风至座舱内。 当座舱需要冷却时,此时 A-PTC 不工作,冷媒经压缩机抵达蒸发器并吹出冷风后产生冷量,经截止阀(14)、 蒸发器并回到压缩机,完成循环。

电池热管理回路分析

加热路径:电子水泵 25→三通阀 26(左侧关,上侧开)→电子水泵 20→W-PTC 21(加热状态)→电 池 23(电池水冷板 22)→四通阀 3(左侧和下侧关闭)→电子水泵 25

冷却路径:电子水泵 25→三通阀 26(左侧开,上侧关)→Chiller19(与空调制冷回路发生热交换进行 冷却,电子膨胀阀 18 处于打开状态,控制流经冷媒流量)→电子水泵 20→W-PTC 21(关闭状态)→电池 23(电池水冷板 22)→四通阀 3(左侧和下侧关闭)→ 电子水泵 25

当电池需要加热时:冷却液从电子水泵开始,经 W-PTC 流过紧贴电池的水冷板,最后再经过四通阀、 水泵、三通阀后回到最初的电子水泵,完成回路的循环。此外,Model S 还可以通过调整四通阀导向,将 电机回路和电池回路串联,实现电机余热回收。 当电池需要冷却时:水路从电池冷却器 Chiller 开始,经电子水泵、W-PTC(此时不工作)流经水冷板, 给电池降温;之后再流过四通阀、电子水泵、三通阀并回到 chiller,完成回路的循环。

电机热管理回路分析

冷却:电子水泵 5→充电机 6→电机集成减速器及逆变器 7→三通阀 8(左侧开,下侧关)→低温散热 器 1(电子风扇 2)→四通阀 3(上侧和右侧关,左侧和下侧开)→膨胀水壶 4→电子水泵 5

电机工作时温度较高,主要需求是冷却。当电机电控和充电机需要冷却时,冷却液从低温散热器出发, 流经四通阀、电子水泵后经过功率元件并带走热量,最后经三通阀后回到低温散热器,完成循环。

2.2.2 价值链分布

通过拆解不同回路中使用的零部件,我们测算预计 Model S 单车热管理价值量约 9075 元左右(不包 括软管和传感器)。其中,价值量最高的是使用 A-PTC 的空调热管理回路,价值量约为 5000 元,成本占比 约 55%;电池热管理回路价值量约为 2375 元,成本占比约 25%;电机热管理回路价值量约为 1500 元,成本占比约 16%;交叉回路1价值量约为 390 元,成本占比约 4%。Model S 中并没有特别新颖的热管理技术, 但因定位属于高端车型,配备了双冷凝器且电机回路低温散热器单独加装电子风扇,而不是和空调回路共 用,因此热管理系统综合单车价值量较高。

2.3 Model X 热管理解决方案

2.3.1 功能及组成

特斯拉 Model X 的热管理回路设计与 Model S 的热管理回路差别较小,在核心技术上都主要利用四通 阀进行电机回路和电池回路的串并联。

当座舱需要制冷时:此时 PTC 不工作,冷媒经压缩机压缩成高压气态的工质后流冷凝器变为液态,并 经 2 个截止阀(膨胀阀)节流后抵达蒸发器,通过吸收外部热量的方式降低环境温度。鼓风机对蒸发器打 风后吹出冷风,为座舱供冷。之后冷媒由蒸发器流出,回到压缩机,完成循环。

电池热管理回路分析

加热路径:电子水泵 12→Chiller 13(电子膨胀阀 21 处于关闭状态)→电子水泵 14→W-PTC 15(加热 状态)→电池包 16(电池水冷板 17)→四通阀 2(左、上关,右、下开)→电子水泵 12

冷却路径:电子水泵 12→Chiller 13(电子膨胀阀 21 处于打开状态,控制流经冷媒流量)→电子水泵 14→W-PTC 15(关闭状态)→电池包 16→四通阀 2(左、上关,右、下开)→电子水泵 12

当电池需要加热时:W-PTC 正常工作,被加热的冷却液从电子水泵流经 Chiller、电子水泵后抵达四通 阀,并通过紧贴在电池包上的水冷板加热电池。此外,还可以通过调节四通阀流向,接通电机回路和电池 回路进行电机余热回收。

当电池需要降温时:此时 W-PTC 不工作,冷却液和 Chiller 中的冷媒进行热交换以达到降温的效果, 并且从 Chiller 流出的低温冷却液经电子水泵、四通阀后抵达水冷板,通过接触的方式带走电池热量。

2.3.2 价值链分布

相较于 Model S,Model X 热管理系统单车价值量增加主要在空调制暖回路,这是因为 Model X 是一 款中大型 SUV,座舱空间较大。单个 A-PTC+蒸发器系统无法在较大空间内实现制热,在冬天必须要使用 多个 PTC 才能保证极寒情况下座舱供暖。特斯拉 Model X 与 Model S 热管理回路主要差异点体现在: 第一,Model X 是一款轴距近 3 米的 B 级 SUV,内部座舱空间比 Model S 大,单个 A-PTC 加热提供 的热量不足,需要配备 2 个 A-PTC 用于座舱加热; 第二,空调制冷回路减少了一个冷凝器+电子风扇的结构; 第三,电机热管理回路中减少一个电子风扇,主要通过和冷凝器(19)共用电子风扇。


2.3.3 技术创新:基于四通阀的电机余热回收(回路串联)

新能源汽车在正常工况时驱动电机温度约在 60℃以下。当电机功率过大时电驱动系统温度会发生热过 载的现象。过高的温度将引发电机故障、造成安全隐患,所以大部分主机厂商会采用铺设冷却水路的方式 进行电机热管理。 相较于电池热管理回路(20~25℃)和汽车空调回路(20~30℃)而言,电机热管理温度(50~60℃) 仍然是最高的,自然拥有将热量从高内能传到低内能的条件。

前沿技术开始尝试将电机运行中产生的余热给车辆电池包甚至是汽车座舱加热;该方案通过一个四通 阀,将电机热管理回路与电池热管理回路串联,并依赖多通阀的特性来切换不同回路的串并联,将电机热 管理回路中的高温冷媒导入到低温电池回路中,对电池包进行加热。还有方案尝试用 Chiller 代替四通阀, 将电机冷却水路通过 Chiller 与电池冷却回路进行热交换。 国内厂商早期热管理技术普遍将电机、电池、汽车空调 3 大回路并联(如蔚来 ES8、小鹏 G3),直到 2018 年以后的第一代技术时才通过加入四通阀/三通阀将电机冷却回路和电池回路串联起来,实现电机余 热回收的功能。然而,特斯拉在 2013 年上市的 Model S 中已设计出了这一功能。这也是第一代技术的核 心难点与增量空间。 Model S 电机余热回收路径:电子水泵 5→充电机 6→电机集成减速器及逆变器 7→三通阀 8(左侧关 闭,右侧与下侧打开)→四通阀 3(下侧和右侧关闭,左侧和上侧打开)→电子水泵 25→三通阀 26(左侧 关闭,下侧和上侧打开)→电子水泵 20→W-PTC 21(此时可以不工作)→电池 23(电池水冷板 22)→四通阀 3(左侧和上侧关闭,右侧和下侧打开)→膨胀水壶 4→电子水泵 5

通过电机余热回收技术,主机厂可以节省下电池热管理回路中的 PTC 加热模块。在 Model S 中,特 斯拉仅使用 A-PTC 加热汽车座舱,取消了电池回路中常见的 W-PTC。 此外,电机余热回收方案还可以和热泵系统搭配使用。博世曾在 2016 年开发出了使用热泵系统的电 机余热回收技术。博世的新型热管理系统通过结合使用热泵、冷却剂泵、电子膨胀阀和电磁阀,根据汽车 空调回路和电池回路中的热量来决定热泵工作效率以及三大回路中的冷却液流量分配比例。通过将电机/ 电控产生的废热传导到另外两个回路中,可以提升 25%的热泵系统能耗节省水平,使得 1000 瓦的热泵产 生接近 2000-3000 瓦时输出的热量。


三、新能源车热管理 2.0 技术架构

3.1 Model 3 热管理解决方案

3.1.1 功能及组成

特斯拉第二代热管理技术应用在 Model 32上,通过将 2 个电子水泵、1 个 chiller、1 个三通阀和 1 个四 通阀组装在一起,实现了热管理回路中阀、泵、交换器的初步集成。这个集成阀体,又名 Super bottle, 能够极大地节省回路中不必要的阀体和泵体数量以节省成本,简化管路结构以降低整车质量。 基于 Super bottle 的第二代回路在功能效用上和之前保持一致,仍然是将整车热管理回路分成了电池、 电机电控、汽车空调三大热管理回路。相较于 Model S 繁琐的回路结构和功能单一的阀体,Model 3 因为 使用了集成阀体,所以比 Model S 节省了: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,共计 2655 元的价值量(不包括节约下来管路的价值量)。此外,在 Model 3 的系 统中,特斯拉还可以通过优化管路设计,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 油冷模块来辅助冷却,大幅提高热管理效率。

电池热管理回路分析

冷却路径:电子水泵 8→Chiller 9(电子膨胀阀 16 打开,获得冷量)→电池 11(电池冷却板 12)→五 通阀 2(C 口)→ 五通阀 2(B 口)→电子水泵 8

加热路径:电子水泵 8→Chiller 9(电子膨胀阀 16 关闭,无冷量)→电池 11(电池冷却板 12)→五通阀 2(C 口)→五通阀 2(D 口)→ 电子水泵 3→充电机 4→电控 5→油冷器 6→五通阀 2(A 口)→ 五通 阀 2(B 口)→ 电子水泵 8

当电池需要制热时:在电池热管理回路中(蓝色回路),因为取消了 W-PTC,所以当电池需要加热时, 必须利用电机余热来加热电池包:冷却液先从 Super bottle 上方的电子水泵流出,经过充电机、电控、油冷 器后加热,再抵达四通阀口 A、B,并从下方的电子水泵进入电池热管理回路;之后水路再由 chiller 到水 冷板,以加热电池,最后经四通阀口 C、D 流向上方的电子水泵,完成循环。 当电池需要冷却时:使用冷却液的电池回路和使用冷媒的空调回路会通过 Chiller 进行热交换,此时汽 车空调回路会进行制冷:压缩机压缩冷媒后,冷媒在冷凝器内降温成高压液态工质,然后经截止阀(此时 完全打开,不节流)抵达 Chiller,为 chiller 提供稳定的冷源。同时,电池回路内冷却液仍然以 chiller-电子 水泵-水冷板-四通阀口 C-四通阀口 B 的路线进行循环,于是中温冷却液和低温冷媒在 chiller 进行热交换, 实现电池包降温的功能。

3.1.2 价值链分布

从热管理零部件拆分来看,Model 3 主要热管理部件单车价值量约 6420 元左右(不包括管路及传感器、 空调箱等)。其中,空调回路价值量为 4150 元,成本占比约 65%,电池回路为 875 元,成本占比为 14%, 电机回路为 545 元,成本占比约 8%,交叉连接回路价值量为 850 元,成本占比约 13%。 通过对各个回路零部件拆解,我们发现受益于集成阀体 Super bottle,Model S 的热管理回路从构造上 来说更加简洁了,同时可以更有效地利用电机和座舱的余热来加热电池包,并节省下串联在电池热管理回 路中的 W-PTC,节省将近 1000 元的成本。在三大回路中,价值量最高的仍然是空调回路,因为未改款 Model 3 仍采用高电压 PTC 和电动压缩机,这两个零部件成本合计约 2500 元左右。


我们进一步比较特斯拉第一代热管理技术和第二代热管理技术在价值量上的差异,通过比较 Model 3 和 Model S(车型类型均为轿车)的热管理回路差异,我们认为差异点主要体现在以下几点: 第一,从价值量的角度来看,我们测算特斯拉第二代 Model 3 比第一代 Model S 的热管理回路在电池 回路减少 1475 元,在电机回路减少 730 元,在空调回路减少 850 元,但是新增加的交叉回路价值量为 400 元,整体来看特斯拉第三代 Model 3 比第一代 Model S 的热管理回路减少 2655 元; 第二,从零部件增减角度来看,通过五通阀集成组件实现电机余热回收功能,节省了原电池热管理回 路中的 PTC、三通阀、四通阀以及电子水泵等部件; 第三,Model 3 车型定位低于 Model S,空调制冷回路中减少了一套冷凝器+电子风扇的组合。 整体来看,Model 3 在电机热管理回路中使用了 Super bottle 来实现阀体和泵体的集成化,所以在电池 回路和汽车空调回路中,Model 3 先后节省了 W-PTC、三通阀、水泵、电子风扇等零部件,以实现集成化。

3.1.3 技术创新:基于 Super bottle 的电机余热回收

特斯拉第二代热管理技术在回路串联方案中利用一个可以电控切换水路循环流向的 Super bottle(五通 阀)以改变电机热管理回路和电池热管理回路的串并联情况。Super bottle 不仅充当普通新能源汽车膨胀 水壶的功能,还被特斯拉的工程师们集成了两个电子水泵、一个水-水换热器、1 个三通阀和 1 个四通阀, 是一种中型集成换热模块。

当电池需要升温时:汽车会打开 Super bottle 中的多通阀体,将电池回路和电机回路串联起来,电池 内部的低温冷却液经过四通阀(1)流向电子水泵(3),直接进入电驱动系统冷却回路,并且与驱动系统 的油冷回路在水-水换热器进行热交换(加热)。加热后的冷却液再次返回四通阀(5)并经电子水泵(7) 和冷却设备(4,此时冷却设备停止运行)进入电池热管理回路,并且对电池包进行加热。

目前,国内已有主机厂根据成品逆向研发出了 Super bottle 类产品,但是在动态稳定性上距特斯拉的产品有 一定距离。此外,大部分 Tier1 如大陆、德昌电机、三花、银轮也已推进 Super bottle 中四通阀单体产品的技术 攻关,当前或已完成对第一阶段集成式阀体的实验与标定。

3.2 Model Y 热管理解决方案

3.2.1 功能及组成

Model Y 的热管理在 Model 3 上又进一步完成了迭代,并且有四大亮点技术:(1)阀体集成技术、(2) 电机 堵转技术、(3)多功能热泵技术、(4)智能热管理算法。这四种技术壁垒极高,是热管理行业内其 他玩家难以逾越的四座高峰。通过对 Model Y 技术的研究分析,我们能够发现热管理行业在硬件和软件两 方面的发展趋势:集成化和智能化。


从功能上来看,Model Y 主要也可被分为电池、电机电控和汽车空调三大功能回路。因为第三代技术 在 Super bottle 的基础上进一步整合了另一个四通阀,构成了八通阀模块,所以在阀体集成度上比 Super bottle 更高。此外,Model Y 在智能热管理算法上也十分有特点。根据披露的专利来看,车载计算机可以依 据用户输入的温度参数和预计行驶里程,实时感知回路中各元件工况温度,依据智能热管理算法进行调节 八通阀通路方向、电机运行效率、散热风扇转速,并且动态地实现热管理最优化。 Mode Y 的热管理回路十分复杂,单从汽车空调回路中的热泵子回路来看,就能通过八通阀的调节实 现包括制冷、制热、预热、强制冷却、除雾、除湿、除霜等十二种功能。受限于篇幅原因,我们在此简单 展示三大回路中的普通制冷、制热功能。

汽车空调回路分析

制冷路径:压缩机 12→三通阀 13(左关,上、右开)→液冷冷凝器 15→电子膨胀阀 9→蒸发器 10→ 气液分离器 11→压缩机 12

制热路径:压缩机 12→三通阀 13(右关,上、左开)→室内冷凝器 14→电子膨胀阀 8→chiller7→气 液分离器 11→压缩机 12

在汽车空调回路中,Model Y 是特斯拉第一款不搭载高电压 PTC 的车型。当座舱需要加热时,压缩机 会将高压气态工质送至室内冷凝器并放热,并由鼓风器吹出热风;之后第一电子膨胀阀关闭,高压液态工 质会流向第二电子膨胀阀并抵达 chiller 进行降压,之后冷媒经由气液分离器抵达压缩机,完成循环。值得 一提的是,Model Y 汽车空调回路中,存在 2 个低电压加热器,他们的主要用途并不是给座舱加热,而是 给室外蒸发器除霜用。当座舱需要冷却时,三通阀会打开右侧通路,关闭左侧通路;压缩机会将高压气态 工质输送到水冷冷凝器里变成高压液态工质,之后再经由第一电子膨胀阀(第二电子膨胀阀关闭)节流至 蒸发器并吸收外部热量;此时鼓风机将风打至蒸发器上,吹出冷风,实现制冷;之后冷媒由蒸发器流出, 经气液分离器返回到压缩机,完成循环。

3.2.2 价值链分布

从热管理零部件拆分来看,Model Y 的整车价值量约 7620 元左右(不包括管路及传感器,空调箱等)。 其中,空调回路价值量为 3900 元,成本占比约 51%,电池回路为 1025 元,成本占比为 20%,电机回路为 1195 元,成本占比约 16%,交叉连接回路价值量为 1025 元,成本占比约 13%。 通过拆分 Model Y 价值量,我们可以发现:在电池回路和电机回路中,价值量分别增加 150 元和 650 元,主要来源为增加了截止阀、膨胀水壶和电子风扇等部件;在空调回路中,因为 Model Y 作为一款紧凑 型 SUV,搭载了八通阀和热泵系统,新增了 12 种制热模式和 3 种制冷模式,相比 Model 3 热管理空调回 路,Model Y 中减少了 1 个 A-PTC 和 1 个电子风扇,新增了 1 个气液分离器、1 个三通阀以及 2 个低电压 加热器,总体来说价值量下降了 250 元,但整个空调回路价值量依旧高达 3900 元;由于八通阀集成度更 高,系统更加复杂,制造难度大,因此阀体集成溢价较高,单车价值量约 2500 元。

Model Y 较 Model S 集成度更高,且整车可以分成 4 大模块:冷媒模块、冷却液模块、空调模块和前 端模块。其中,冷媒模块包括压缩机、水冷冷凝器、chiller、气液分离器、阀件、温度压力传感器等;冷 却液模块包括 2 个水泵、八通阀、膨胀水壶、传感器等;空调箱模块包括各种蒸发器、冷凝器、鼓风机等; 前端模块包括散热器和风扇。特斯拉通过将热管理回路模块化打包,可以减少阀体数量和管路连接件数量, 降低零件成本和装配成本。 通过梳理 1.0-2.0 新能源车热管理技术架构(基本回路以及特斯拉第一代至第三代回路)、5 款不同车 型的价值量变化,我们可以发现:(1)集成度越高的回路结构越简洁,能够通过“一阀多用”、“一泵多用” 的方式节省不必要的零部件,从而降低整车热管理成本;(2)SUV 热管理回路价值量更高,往往需要功率 更大、数量更多的制热零部件实现冬天座舱供暖;(3)阀体集成度越高,阀体价值量越高,因为在 Super bottle 和八通阀都是通过高强度塑料板或者铝铸板材进行集成的,模块越大、精度越大。

3.2.3 技术创新之一:多功能热泵空调

特斯拉搭载于 Model Y 的直接式热泵系统从技术上领先于其他主机厂商,能够实现 12 种制热、除雾、 除霜和去湿模式,并能实现 3 种制冷模式,并且通过配合使用电机电控余热来解决传统热泵固有的制热效 率低、蒸发器易结霜的问题。


一般来说,基于 R1234yf 冷媒的热泵系统在极低温下会出现制热效率和制热量不足的问题。对此国内 和欧洲大部分厂家倾向于采用 CO2 为冷媒介质来绕开这一技术难题。但是,Model Y 基于 R1234yf 的热泵 通过回收热管理回路中的余热,创新性地解决 Nissan Leaf、BMW i3 等使用 R1234yf/R134a 冷媒车型遇到 的问题:低温下(-7℃以下)热泵 COP 较低; 极低温下(-20℃以下)热泵系统制热量不足、失效; 低温环境下(-5℃-5℃)热泵系统中的室外蒸发器容易结霜。 特斯拉通过回收利用电机电控、电池包、压缩机和鼓风机的余热,同时辅以低电压加热器并采用冷媒 再循环技术,加强了低温环境下热管理回路的制热量和制热效率(COP 系数最高可达 5),使得在-20℃以 下的工况下仍然能正常制热(COP≥1)。

3.2.4 技术创新之二:大型集成式八通阀

Model Y 中最亮眼的技术是一个直径约 50cm 的集成式八通阀(Octovalve)。这个集成式阀体是电机、 电池、汽车空调热管理回路交互的核心零部件,整车绝大部分所有高压、低压的冷媒(R1234yf)和冷却 液水路都会从八通阀经过。八通阀从原理上来看能够很明显地发现 Super bottle 的影子,可以被认为是一种 集成度更高的 Super bottle。


从模块整体构造来看,八通阀由 2 个四通阀组成,并且在模块侧身处接入一个旁路,所以八通阀总共 有 9 个管道入口;此外,多通阀体和冷媒通道支撑架紧密地卡在一起,能够在稳定阀体的同时防止冷媒异 常泄露。从零部件来看,阀体的其他通路分别和 2 个热交换器、1 个控制器、2 个电动水泵连接起来,合 计单车价值量约 2500 元左右。通过控制阀体回路通断情况,Model Y 可以实现三大回路的串联和并联,将 热泵空调系统和电机、电池热管理回路动态地结合在一起。目前,除特斯拉以外地其他厂商多停留在对 Super bottle 这一类产品地研发制造中,像八通阀这种高度集成化模块产品尚未大规模开展设计。

八通阀体的制造工艺较为复杂,不仅用到了电火花切割、熔融堆积技术(3D 打印),还用到了搅拌摩 擦焊接技术。这是一种常用在航天飞机制造上的精确铝焊接方法,通过剧烈摩擦产生的热与压力共同作用, 对铝材表面的分子进行混合,以实现无缝、精密且强度超高的接合。特斯拉通过把这种用于 SpaceX 的技 术运用到 Model Y 上,能够极大地加强八通阀体的结构强度,同时降低阀体和管路连接处的泄露概率。通 过各种制造工艺的相互糅合,特斯拉能把多种不同阀、泵、热交换器等部件集成在 16 孔铝铸支架上,最终实现八通阀体的模块化生产制造。

3.2.5 技术创新之三:电机堵转技术

此外,Model Y 的另一技术难点是电机堵转,通过降低电机(驱动电机、电子水泵、电动压缩机)的 工作效率,将原本制动的电能转换为热能,再把热能经过四通阀从电机回路导到电池回路中。在这一技术 方案中,特斯拉的电机工程师加大电机线圈绕组中的电流强度,使得绕组丝起到热敏电阻丝的作用。


电机堵转并不指的是电机转子被用物理的方式堵住、停止转动,而是在某一额定电流情况下转子不能 达到额定转速。特斯拉的堵转技术是加大电流的同时保持电机速率不变。 一般来说正常情况下当电流加大时电机功率也会更大,导致电机效率更高,但特斯拉的电机工程师们 能够通过控制电流 d、q 矢量强度强行降低电机效率。从公式上来看,电机效率=扭矩×转速,而扭矩=k(常 数)×电流,而其中电流 I 又可以根据 Park 变换分成 id 和 iq 两个矢量方向的分电流。特斯拉的工程师通过 分配 id和 iq 的大小,在降低等效电流值(id 2+dq 2,也就是扭矩中的电流数值)的同时保持或者加大电机中 的电流强度(I’),使得电机效率相对降低但是提升发热量(Q=I’ 2Rt)。

除特斯拉外,目前国内外各大主机厂和热管理厂中没有任何一家掌握甚至触及这种通过降低电机效率、用 电机中电机线圈绕组充当热敏电阻丝发热的技术。电机堵转技术的难度不在于热管理零部件制造工艺和回路架 构设计,其核心反而在于对电机中电流分矢量强度的把控,需要极强的理论基础和电机标定技术。特斯拉在 Model Y 中通过加入电机堵转技术,能够取消电池包中的 PTC,进一步降低电池包回路中的价值量,并且提升 整车能耗水平,增加续航里程。

3.2.6 技术创新之四:智能热管理算法和标定

上述都是特斯拉在硬件方面的创新,然而在软件方面特斯拉也凭借对整车精确的热管理标定和控制, 通过检测外部环境温度、电机系统温度、电池组温度和座舱温度等参数,来综合电机、电池组、热泵系统 和压缩机等所有热源供给的最佳效率,最终经由智能热管理算法输出一个综合结果来提升整车热体验(包括整车续航和座舱舒适性)。 在 Model Y 的整车热管理算法中,车载电脑可以根据如下几个参数:(1)车主设定的座舱温度;(2) 外部环境温度;(3)热管理回路各模块温度;(4)预计行驶里程;(5)电池剩余电量;(6)车辆行驶速度, 来智能选择热泵工作模式,并且调节各个热管理零部件工作效率,以实现最佳的整车热体验和更长的续航 里程。

要实现高效、快速、富有创意的热管理算法必须要求特斯拉对整车热管理回路中各个零部件做到精准 的标定。新能源整车热管理系统标定是指在不同温度下,对开发的热管理系统性能进行试验验证与适应性 修改,得到最优工况参数并保证整车在高温(40℃以上)和极寒(-10℃)以下都能达到设计的热管理性能, 兼顾整车低能耗与驾驶舒适性。 从标定内容来看,新能源汽车标定需要对发动机、电机、电池加热冷却策略、乘员舱冷却采暖策略、 除霜与除雾策略、电池与乘员舱协调加热冷却策略标定等,工序和技术非常复杂。


制热环节:主要为驾驶舱制热,热泵及内部换热体系为主流。在 Model 3 设计方案上,特斯拉摒弃高 压 PCT 加热器方案,创造性运用电机及相关控制器生热提供热源,正常行驶时回收电机热量,静止时电机 仍转动独转产生热量。Model Y 设计上新增热泵系统,同时选择以压缩机、低效模式的鼓风机以及小功率 PCT 作为补充热源。此外,特斯拉在 Model Y 上创新性使用八通阀作为连接冷却环节和热泵系统的桥梁, 实现几个系统间的串并联,进一步简化热管理系统阀件及管路的的复杂性。

只有经过热管理标定,得到各个零部件和整车在不同温度下的参数后,才能应用上述复杂的整车智能 热管理算法。一般来说,每隔 2℃就要重新标定一次,并且必须要协调好不同回路互相传导的热量。热管 理标定是如此的复杂,以至于需要 100-200 台车才能标定完成,并且标定费用平均高达数千万。 特斯拉 Model Y 在实验室通过数百次的标定后才得到了各个模块在串联和并联下的热参数,在精准度 上媲美丰田等日系厂商,并遥遥领先其他竞争对手。此外,随着特斯拉热管理技术的愈发成熟,Model Y之后还可以通过 OTA 系统升级热管理算法,根据车主的驾驶习惯优化对各个零部件的控制,实现更智能 的热管理。

四、热管理技术路线研判

4.1 热泵空调普及大势所趋

新能源车辆续航里程一直是重点关心的问题,而目前电池能量密度提升遇到瓶颈,因此降低整车能耗 尤为关键。热泵系统相对于 PTC 空调的优势非常明显,在冬天能够极大降低整车能耗水平,从而大幅提升 续航里程。而国内大多数厂商迟迟不搭载的主要原因是:(1)技术不达标,在冬天无法解决制热效率和制 热量低、蒸发器结霜的问题;(2)成本原因,热泵平均会提升 1000-2000 元的单车价值量,A00 级 EV 搭 载意愿较低;(3)政策原因,国内不少主机厂还在等待国家给出冷媒的技术路线指引,少部分开始主攻 CO2 介质。 但是,从特斯拉 Model Y 上,我们可以发现通过使用电机余热回收、电机堵转技术、压缩机与鼓风机 余热利用等技术,特斯拉完美解决了低温下热泵系统 COP 较低、制热量不足的问题,并且在-5℃-5℃区间 内室外蒸发器不结霜。所以,在可见的将来,随着技术上的突破和政策的明朗,热泵空调将会因为其出色 的 COP 比例而被更多主机厂使用,所以我们预计对于售价在 15 万元以上的新能源汽车而言,热泵系统将 成为标配;同时,随着成本的降低,热泵系统有望被售价更低的 A00 级 EV 所搭载。

4.2 集成化应用加速渗透


比亚迪海豚使用一体化热管理技术。海豚是配置 e 平台 3.0 架构首款车型,其一体化热管理(冷媒介 质)技术是以热泵电动空调压缩机为基础,一体化热管理控制模组为核心,对产生的“冷量”或“热量” 再分配至不同需求单位(驾驶舱、刀片电池、电驱动等),比亚迪对冷媒回路进行了大规模集成,极大降 低冷却液回路的复杂度。

4.3 局部降本增效延续

高压快充技术路线下,电池热管理技术升级。2022 年 6 月 23 日宁德时代发布麒麟电池热管理技术,通过 水冷系统结构设计优化适应新能源车高压快充(大电流充放电,缩短充电时间)热管理要求,导热性能提升 50%。

4.4 环保推动空调冷媒升级

环保推动空调冷媒升级,第四代冷媒加速渗透。使用 R1234yf 冷媒的热泵可兼容现有热泵零件,成本 更低,但冷媒专利仍在保护期;R744(二氧化碳)冷媒热泵空调零下 20 度制热效果更优,但成本更高。

大众 ID.4 CROSS 车型的高配版可选装 CO2 热泵空调:二氧化碳气体本身成本小,但更新热管理零件 成本高。大众 ID.4 二氧化碳热泵选装包价格需要 9000 元,包括加厚的空气压缩机以适应二氧化碳冷媒运 行中的高压力,同时采用高压阀件(防泄露)来确保长期运行中的可靠性问题。


五、投资分析

从趋势层面,新能源车热管理行业进入 2.0 时代,供应链扁平化,提效、降本及响应是核心驱动力:

1)技术层面:热泵空调+集成控制等技术升级已成为主流趋势,尤其 2020 年特斯拉 Model Y 车型量产 加速了热管理解决方案的迭代周期及应用普及,当前时点行业技术迭代仍在延续;

2)空间层面:2021 年是全球新能源车高速成长元年,国内销量同比增长 165%,渗透率达到 13.4%;叠 加热管理解决方案升级导致的单车价值量提升,热管理市场空间快速扩充;预计 2021-2025 年国内市场空 间分别达 173/301/401/502/606 亿元,同比分别增长 199%/74%/33%/25%/21%。

3)格局层面:2021 年行业空间快速扩充,主机厂上量后主动开发 B 点供应商需求,拓普、盾安等行业 新进入者加大布局。

当前新能源车热管理产业链分工较为清晰,主机厂主导系统设计及软件控制,Tier1 的核心竞争要素 在于底层零部件的自研自制能力。燃油车热管理系统简单、供应链成熟:主机厂直接向空调系统厂商(法 雷奥、电装、瀚昂等)采购总成;新能源车热管理系统更复杂,主机厂主导系统设计开发,三花等原先 Tier2 升级为 Tier1,这主要因为:1)技术差异性:热管理系统解决方案持续升级,主机厂需要具备 know-how, 原 Tier1 总成商难满足需求;2)快速响应:新能源新车型研发周期缩短,主机厂直面零部件供应商更为高 效;3)降低成本:零部件厂商作为 Tier1 直供,供应链分散有利于主机厂提升议价能力。

国内 Tier1 有望凭借快速技术迭代及成本领先等优势逐步确立全球领先地位。目前,国内各家热管理 零部件厂商均拥有各自的核心技术:三花智控产品组合、技术创新等优势占据领先优势,银轮、奥特佳、 松芝股份、克来机电分别在热交换器、压缩机和管路环节具备较强技术储备。在国际热管理市场上,日系、韩系热管理厂商凭借深厚的积累牢牢把控着丰田、现代等主机厂商的供应渠道;美系、德系的传统热管理 巨头也正同海外各主机厂共同开发,希望以此加速切入新能源汽车热管理市场。

(本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)

精选报告来源:【未来智库】。未来智库 - 官方网站

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