上個月，廣汽埃安舉辦中國新能源汽車第2000萬輛的活動。中國新能源發(fā)展雖然開始于2009年的“十城千輛”工程，但真正的市場化卻是最近兩年。從數(shù)據(jù)來看，2020年9月中國新能源汽車?yán)塾嫯a(chǎn)量突破500萬，2022年2月突破1000萬，2023年7月便突破了2000萬。0-500萬用了十年多的時間，500-2000萬卻僅用了2年半的時間。

市場的突飛猛進一方面是消費者接受度提升的原因，另一方面也是技術(shù)快速進步的體現(xiàn)。標(biāo)志性事件是2019年特斯拉的引入，不僅在終端市場起到了很大的促進作用，同時一些關(guān)鍵技術(shù)方案也得到了快速的推廣。

集中式的熱管理技術(shù)方案便是其中之一。

新能源熱管理為什么如此重要

以往傳統(tǒng)燃油車型需要進行熱管理的部件主要有三個，發(fā)動機、變速箱和乘員艙。其中，發(fā)動機和變速箱的正常工作溫度在80-90度之間，不需要額外進行加強冷卻，只需要通過冷卻液+潤滑油+散熱器風(fēng)冷的方式即可滿足要求。同時發(fā)動機作為機械部件，可以直接帶動壓縮機工作。另外，發(fā)動機作為熱機，在運行過程中，還會釋放大量的熱，完全可以滿足冬天座艙的暖風(fēng)要求。

因此車載空調(diào)服務(wù)的部件和功能都相對單一，只需要通過HVAC為座艙提供制冷，不需要提供制熱。

早期新能源汽車用動力電池和驅(qū)動電機代替了發(fā)動機和變速箱（以下簡稱發(fā)變）。發(fā)變被取代后，一是沒有了穩(wěn)定的熱源，需要增加加熱部件。二是壓縮機需要電力驅(qū)動，即電動壓縮機。當(dāng)然更重要的是對于動力電池和驅(qū)動電機而言，工作溫度均低于發(fā)變。

正常工作時，電機的工作溫度在50-90度之間，更高會影響工作效率，甚至永磁體退磁風(fēng)險。電機控制器因全部由電子元器件組成，尤其是電容部件，超過65度就會限制功率輸出，理論不能超過85度。動力電池本質(zhì)是電化學(xué)，工作溫度區(qū)間更窄，不僅不能過高，同時也不能過低，適宜的工作溫度在15-45度之間，溫度過低會影響充放電性能，即充不進去電也無法進行放電，溫度過高不僅性能售影響，甚至?xí)斐善鸹鹪趦?nèi)的熱失控風(fēng)險。所以，動力電池不僅要冷卻，還的考慮加熱。

所以早期的新能源車的熱管理重點是從先解決各部件溫度控制的需求出發(fā)。

在這個思路上，除了一些風(fēng)冷的方案，采用液冷的方案由原來的單交換回路增加到三個交換回路。一個回路作用于座艙，一個回路作用與電驅(qū)動，一個回路作用于動力電池。

電驅(qū)動因為工作溫度相對較高，不需要強冷介入，因此整個冷卻可以依靠散熱器來完成，這點和發(fā)變類似。

座艙分為兩塊。一塊是制冷，這點和傳統(tǒng)油車一樣，采用車載空調(diào)，只是壓縮機由原來機械驅(qū)動改為電力驅(qū)動，同時為了適配電動壓縮機，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也由活塞式改為渦旋式。另外是制熱，由于沒有發(fā)動機，所以增加了一個PTC進行電子加熱。

同樣的動力電池也分兩塊，一塊是制冷，因為動力電池工作溫度低，且溫度范圍窄，所以需要強冷介入，即采用熱交換器利用車載空調(diào)對冷卻液降溫。另外是加熱，采用單獨的水冷PTC加熱冷卻水，進而加熱電芯，從而使之保持合理的工作溫度。

這個方案雖然救急，但卻帶來了新的問題。冷卻還好，但加熱過度依賴PTC。一來PTC價格并不便宜，而且用了兩個，成本更高。二來PTC制熱能效比（COP）最大只有1，也就是1kW的電能只能產(chǎn)生1kW的熱量。實際表現(xiàn)就是加熱耗電嚴(yán)重，尤其是北方冬天的時候，續(xù)航里程甚至只有不到50%。根據(jù)懂車帝2022年的冬測數(shù)據(jù)，在零下15度的環(huán)境下，新能源車的平均續(xù)航里程僅為48.5%。嚴(yán)重影響了用戶的用車體驗。

因此熱管理技術(shù)提升的出發(fā)點就落在了如何改善冬季的續(xù)航，降低冬季里程焦慮。核心就是找到效率更高的熱源。

新能源汽車熱管理的解決思路

前邊提到了PTC的COP值最大只有1，那么新熱源的一個思路便是找到一個COP值大于1的熱源，也就是熱泵空調(diào)。熱泵空調(diào)的原理和家用空調(diào)類似，和原來車載空調(diào)相比，通過增加回路，改善壓縮機就可以實現(xiàn)。關(guān)鍵的是熱泵空調(diào)的COP值可以做到2-3。采用熱泵空調(diào)代替PTC給座艙加熱后，能夠大幅改善制熱時的電能損耗，改善里程表現(xiàn)，并且還可以節(jié)省一個暖風(fēng)PTC，降低成本。但由于冷媒的限制，現(xiàn)在的熱泵空調(diào)在低溫情況下制熱能力較弱，一般在低于零下10度的環(huán)境下，制熱性能下降明顯，無法有效工作，因此還無法完全取代PTC。新的適合低溫的冷媒正在開發(fā)中，比如二氧化碳，但因為成本的問題目前還不是主流。

當(dāng)然了，即使有了熱泵，制熱的效率依然有提升的空間。解決思路便是增加余熱利用。

前邊提到的各部件的溫度要求不一樣，電驅(qū)動相對高一些，電池和座艙相對低一些。如果能利用不同部件的余熱，主要是電驅(qū)動的余熱進行加熱電池，就能進一步降低電能損耗。

這也就是冷卻液側(cè)集成的動機，現(xiàn)在包括上汽、江淮等在內(nèi)的自主車企均應(yīng)用了冷卻液側(cè)集成，特斯拉的超級水壺方案也是冷卻液集成。下邊以特斯拉超級水壺的方案進行闡述。

特斯拉超級水壺采用了一個五通閥將電驅(qū)動冷卻回路和動力電池冷卻回路整合成一起，可以實現(xiàn)兩個回路的串聯(lián)或者并聯(lián)。

在電池冷卻過程中，回路處于并聯(lián)狀態(tài)，即電驅(qū)動和動力電池進行分別溫度控制，使動力電池快速降溫，該模式并為體現(xiàn)出超級水壺方案的優(yōu)勢。

在電池加熱過程中，回路處于串聯(lián)過程中，電驅(qū)動通過電機堵轉(zhuǎn)可以產(chǎn)生熱量供電池加熱。這樣便節(jié)省了一個水暖PTC。這也是超級水壺方案最大的特點。

這個方案之后是否還有潛力可挖呢？

前邊提到空調(diào)的COP值大于PTC，其核心原因是熱泵空調(diào)可以從低溫環(huán)境中吸熱，然后將熱量運送至溫度高的環(huán)境中。冷卻液側(cè)的集成，只是完成了從高溫環(huán)境到低溫環(huán)境的余熱利用，并未實現(xiàn)從低溫環(huán)境到高溫環(huán)境的余熱利用。因此就用了冷媒側(cè)和冷卻液側(cè)一體式集成的方案，也就是特斯拉的超級歧管方案（Supermanifold）。

超級歧管的核心是通過熱泵空調(diào)將電驅(qū)動、動力電池的余熱進行利用，從而改善熱泵空調(diào)低溫制熱的性能以及常規(guī)工作時的能耗。

硬件層面，冷媒模塊主要包含氣液分離器，水冷冷凝器，蒸發(fā)器以及冷媒支架，其中氣液分離器采用了攪拌摩擦焊的工藝。冷媒支架最大的挑戰(zhàn)在于冷媒的高低溫差較大，整個系統(tǒng)容易由熱脹冷縮導(dǎo)致?lián)p壞，因此在結(jié)構(gòu)和工藝層面需要針對性改進。

冷卻液部分采用了一個八通閥的集成式設(shè)計，此外還包括歧管、儲液器、電子水泵，并且將自動駕駛控制器的冷卻回路也集成了進來。冷媒側(cè)和冷卻液側(cè)通過熱交換器進行熱量交換。

集成后，這個系統(tǒng)擁有15種模式，其中12種為制熱模式，3種為制冷模式。應(yīng)用該方案后，在低溫環(huán)境下，可以通過電機堵轉(zhuǎn)的方式為整個系統(tǒng)提供啟動所需的低溫?zé)嵩?，從而徹底取代PTC（特斯拉僅保留PTC用作除霜）。并且在運行過程中，也可以保證熱量的高效利用，提升效能。

除硬件外，特斯拉將熱管理控制器集成在了車身控制器中，用于控制閥體和電子水泵。

總結(jié)

如今主流車企都將新能源汽車作為后續(xù)戰(zhàn)略的重點，隨著新車型的不斷投放，新能源汽車市場已經(jīng)進入高端競爭的狀態(tài)。集成式的熱管理技術(shù)當(dāng)前尚未得到大規(guī)模推廣，一方面是由于市場發(fā)展的太快，留給技術(shù)應(yīng)用的時間不夠。另一方面，集成是熱管理技術(shù)涉及的部件眾多，各部門配合難度較大，存在一定的開發(fā)阻力。后續(xù)隨著技術(shù)的不斷成熟，相信在未來1-2年內(nèi)集成式熱管理技術(shù)的應(yīng)用會成為各家車企的重點之一。

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