新能源汽车热管理行业分析报告Word下载.docx
- 文档编号:16291999
- 上传时间:2022-11-22
- 格式:DOCX
- 页数:31
- 大小:4.26MB
新能源汽车热管理行业分析报告Word下载.docx
《新能源汽车热管理行业分析报告Word下载.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《新能源汽车热管理行业分析报告Word下载.docx(31页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
根据测算,传统汽车热管理全球市场规模在3000亿元左右,保持平稳;
新能源汽车热管理市场,预计2021年全球市场空间约234亿元,2025全球市场空间约586亿元,年复合增速超过25%。
新能源汽车热管理竞争格局未定,内资龙头抢得市场先机。
新能源汽车热管理处于蓝海阶段,基数小,空间大。
传统汽车热管理行业集中度高,外资企业电装、马勒、法雷奥、翰昂合计占据55%的市场份额。
汽车空调压缩机领域,奥特佳全球排名前六。
阀类、泵类领域,三花、盾安形成双寡头格局。
面对新能源汽车对热管理的强劲需求,三花智控、银轮股份等企业抓住市场机遇,加强新技术和新产品研发,进入国内外知名客户的供应体系,在手订单充足。
一、汽车热管理简述
1、汽车热管理系统概述
汽车是一个非常复杂的系统,由上万个不同材料的零部件组成,而每个零部件的工作温度和材料耐受温度都不尽相同。
汽车热管理系统的主要作用就是通过散热、加热、保温等手段,让不同的零件都能工作在合适的温度下,以保障汽车的功能安全和使用寿命。
汽车热管理系统中,主要包括发动机冷却系统、空调系统、电池热管理系统等。
热管理的本质就是通过热量传递进而达到对温度的控制。
热量传递是指由于温度差引起的能量转移,主要有传导、对流和辐射等三种方式。
(1)燃油车热管理系统构成
发动机冷却子系统一般由散热器、冷却风扇、节温器、水泵、膨胀水箱(或储液罐)、冷却液管路、气缸体和气缸盖中的水套及其他附属装置等组成。
发动机冷却子系统依靠冷却液在大、小循环中的流动实现发动机的冷却和预热。
变速箱冷却子系统主要由油冷器、管道和阀体组成。
变速箱冷却主要借助油冷器吸收润滑油的热量并与环境空气或散热器冷却剂进行热交换。
空调子系统由压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀、贮液干燥器、管道、冷凝风扇、真空电磁阀、怠速器和控制系统等组成。
空调系统通过冷媒实现制冷、利用发动机热量实现供暖功能。
(2)新能源汽车热管理系统构成
相比于传统燃油汽车,电动汽车的能源为电能,电机作为其驱动单元。
其热管理拓扑结构主要包括电池回路、电机回路、空调回路和暖风芯体回路,如图所示。
新能源汽车的电机电控冷却子系统主要采用液冷方式。
液冷系统由散热器、冷却风扇、膨胀水箱、冷却液泵、冷却液软管和冷却液温度传感器组成。
液冷系统主要依靠冷却水泵带动冷却液在冷却管道中循环流动,通过在散热器的热交换等物理过程,冷却液带走电动机与控制器产生的热量。
(3)混合动力汽车热管理系统构成
混合动力汽车的热管理系统主要由发动机和电机电控冷却子系统、变速箱冷却子系统、电池冷却子系统和空调子系统组成。
混合动力汽车的动力电池容量较小,发热量不大,因此混合动力汽车的电池冷却方式多采用风冷方式,风冷系统主要由冷却风道、风机、电阻丝组成。
插电混动汽车(含增程式)发动机冷却系统和原有燃油车差别不大,部分与电池热管理系统集成,系统结构会更加复杂,零部件数量更多。
混合动力汽车的主要热管理需求来自发动机、电机和电机控制器,这些零部件的冷却主要采用液冷方案,根据搭载车型的结构组成一个或多个冷却回路。
2、汽车热管理技术
(1)燃油车热管理技术
①发动机热管理技术
发动机热管理系统是给发动机装一台变频“空调”,使发动机在工作循环时,保持在最佳温度(90°
C)。
发动机只有在最佳温度下工作才最省油。
发动机热管理技术主要有两个系统组成:
一是冷却智能控制模式,二是风扇智能控制模式。
随着计算机技术及发动机电控技术的发展,采用电子驱动及控制的冷却水泵、风扇、节温器等部件,可以通过传感器和计算机芯片根据实际的发动机温度控制运行,提供最佳的冷却介质流量,实现发动机冷却系统控制智能化,降低了能耗,提高了效率。
按冷却介质类型划分可分为风冷式和水冷式。
风冷发动机基本已经跟汽车划清了界限,因为水冷可以提供更为稳定的温度环境,在为乘客提供舒适服务方面,风冷发动机也表现的不是那么人性化,至少在冬天不能向水冷发动机那样为车内提供暖风服务。
但是风冷发动机的质量更轻,维护起来也更方便,例如不用换冷却液,也不涉及到漏水等故障。
传统发动机冷却系统的主要部件有水箱(散热器)、水泵、风扇、节温器、暖风水箱以及储液罐。
②变速箱冷却系统技术
手动挡变速箱和机械传动的自动变速箱无需进行冷却,液压传动的自动变速箱需要进行冷却。
变速箱冷却系统设计,布置及基本的工作原理同发动机冷却系统类似,主要是冷却介质不同,变速箱冷却介质为其专用的变速箱润滑油。
变速箱内部润滑油从油底壳经过油泵一部分流至系统各零部件进行润滑并带走摩擦产生的热量最后返回油底壳完成一个循环,一部分流至液力变矩器进行动力传递,同时会吸收动力传动过程中产生的大量热量,然后经过散热器降温后,流至油底壳完成循环。
③乘用舱空调系统技术
汽车空调系统是实现对车厢内空气进行制冷、加热、换气和空气净化的装置。
它可以为乘车人员提供舒适的乘车环境,降低驾驶员的疲劳强度,提高行车安全。
(2)新能源汽车热管理技术
①电动汽车电池热管理技术
动力电池散热研究可分为空气散热、液冷散热、固体相变材料散热和热管散热等方式,现有主要散热技术以前三种为主。
A.空冷式散热系统
也叫风冷式散热系统。
空冷式的散热方式最为简单,只需要让空气流经电池表面带走动力电池所产生的热量,达到对动力电池组散热的目的。
根据通风措施的不同,空冷式又有自然对流散热和强制通风散热两种方式。
当前动力电池空冷式散热主要有串联式和并联式两种系统。
但该种方式效果较差,且很难达到较高的电池均温性。
B.液冷式散热系统
是指制冷剂直接或间接地接触动力电池,然后通过液态流体的循环流动把电池包内产生的热量带走达到散热效果的一种散热系统。
制冷剂可以是水、水和乙二醇的混合物、矿物质油和R134a等,这些制冷剂拥有较高的导热率,可以达到较好的散热效果。
当前动力电池的液冷技术也拥有了相当成熟的技术,在电动汽车的散热系统中也有了相对广泛的应用,比如特斯拉电池包就是采用水和乙二醇的混合物的液冷方式散热,宝马i3采用R134a进行散热。
液冷式系统往往要求更复杂的更加严苛的结构设计以防止液态制冷剂的泄漏以及保证电池包内电池单体之间的均匀性,而液冷系统的复杂结构也使得整套散热系统变得十分笨重,不仅增加整车的重量,使得整车的负担大大增加,而且同时由于其结构的复杂性及高密封性使得液冷系统的维护和保养相对困难,维护成本也相应增加。
C.相变材料式散热系统
是以相变材料作为传热介质,利用相变材料在发生相变时可以储能与放能的特性达到对动力电池低温加热与高温散热的效果。
但相变材料的热导率比较低,为了改变材料的固有缺陷,人们向相变材料中填充一些金属材料,例如有些研究中将很薄的铝板填充到相变材料中从而达到提高热导率的目的。
为了提高相变材料的热导率,还有人提出了向相变材料中填充碳纤维、碳纳米管等。
②电机/电机控制器热管理技术
电机与控制器在电能与机械能的转换过程中,部分电能会损耗成为热能释放。
对于新能源汽车,驱动电机作为动力源,控制器提供能量转换,缺一不可。
两者的热管理系统则主要对其冷却,使其能够安全可靠运行。
随着驱动电机功率和转矩的日益增大,对电机和控制器热管理系统的要求也随之提高。
目前,针对电机与控制器的冷却方式依据其介质不同,可分为风冷和液冷。
新能源汽车的电机热管理系统主要为驱动电机、发电机、控制器、车载充电机和DC/DC等元件进行温度控制,保证其能够工作在最合适的温度。
采用风冷的驱动电机和控制器均只能采用较小功率,还不能适用于常规的新能源汽车;
而以ATF为冷却介质的电机国内暂无相应产品,使用日本电机成本较高。
③DCDC热管理技术
DCDC的作用就是将整车动力电池336VDC或者540VDC转化为12VDC或者24VDC,供整车低压用电器工作,同时具备给铅酸蓄电池充电的功能。
DCDC是电动汽车不可或缺的一个关键零部件。
DCDC除了具备电压转化功能外,还具备高压互锁检测、输出防反接保护、欠压、过压、过温保护等功能,目前市面上的DCDC技术已经非常成熟,很多采用集成电路控制,成本也同步降低了,基本上就1元/W。
DCDC的控制方式有高压唤醒、硬线激活、CAN唤醒等方式,根据整车的不同需求而选择,目前来说最高效的是CAN唤醒模式,可以减少硬件的布置,节约空间便于布置,当然了CAN唤醒对DCDC的CAN收发模块要求比较高。
DCDC与电池采用相同方式进行热管理。
④充电机热管理技术
新能源车载充电机OBC较新的设计已经集成了多个功能,比如:
双向功率转换以及直流转换,使得OBC整体设计更加密切紧凑。
由于交流充电模式和驱动模式并不同时发生。
热设计工程师通常会在多功能车载充电机里面多个热负荷共享同一个散热体,从而减少整体成本、尺寸、重量。
避免出现环境污染问题。
充电机与电池采用相同方式进行热管理。
二、热管理是汽车发展的必然趋势
1、节能减排重要性倒逼汽车热管理
(1)汽车热管理精准开发对节能减排的重要性
1)通常认为空气阻力下降10%,燃油经济性可以提高4%;
但是一些减阻的设计(减小格栅面积、增加挡风板等)会为汽车热管理带来负面影响,必须要找到一个平衡,才能提高热管理对节能减排的促进作用;
2)发动机的水泵、油泵、风扇等附件带来的能耗,对电动车的影响更大(至少10%左右);
3)汽车轻量化和热管理也有关系,比如散热器、隔热罩等的重量,大小要做到恰到好处,可以同时满足冷却性,也可以实现轻量化;
4)高效的动力传动系统,当发动机水温从90-110度,整体油耗可以下降2%左右,热管理与冷却系统的优化也需要控制度,以免对燃油经济性产生负面作用。
(2)节能减排势在必行
燃油车尾气排放是大气污染重要源头之一,也是国家目前重点治理方向之一。
2017年,全球机动车四项污染物初步核算为4359.7万吨,比起2016年削减2.5%。
其中,一氧化碳(CO)3327.3万吨,碳氢化合物(HC)407.1万吨,氮氧化合物(NOX)574.3万吨,颗粒物(PM)50.9万吨。
汽车是污染物排放量的主要贡献者,在一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC)超过80%,氮氧化合物(NOX)和颗粒物(PM)超过90%。
中国汽车保有量巨大,对石油能源需求巨大,石油资源高度依赖进口。
中国汽车拥有量不断上升,2018年的民众汽车拥有量达到23231.23万辆,私人汽车拥有量达到20574.93万辆。
从渗透率角度来看,我国汽车行业仍颇具潜力。
世界银行公布了2019年全球20个主要国家千人汽车拥有量数据,其中中国每千人拥车量为173辆,位列榜单第17名,可以看出,与发达国家相比,目前我国汽车渗透率还处于较低的水平。
我国石油进口依赖度一直维持在70%以上,降低汽车节能减排有利于缓解石油进口依赖度。
2017年我国石油消费量58745万吨,进口量达到49141万吨,进口依赖度甚至达到83%。
据预测,我国石油消费量到2050年将超过8亿吨,而国内产量由于资源和生产能力的限制,将稳定在年产2亿吨左右,进口依赖程度将达75%。
。
鉴于我国汽油、柴油能源消耗仍在继续增长,而目前主要采用的化石能源不仅有限,我们对石油资源的依赖度只升不降。
双积分政策在2019年由“正向激励”向“奖罚并行”演变,鼓励节能减排。
2017年版双积分政策明确了CAFC、NEV双积分的核算、抵偿方法,2019和2020年度NEV积分比例要求,以及对未抵偿清零负积分企业的处罚措施。
2019年7月,工信部发布2021-2023年《乘用车企业平均燃料消耗量(CAFC)与新能源汽车(NEV)积分并行管理办法(征求意见稿)》修正案,新增2021-2023年度NEV积分比例要求,在NEV积分达标值计算过程中引入低油耗乘用车的概念,并对积分计算方法、工况标准进行了调整;
2019年9月,工信部发布关于修改《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法(征求意见稿)》的决定(以下简称“2019版双积分修订征求意见稿”),将低油耗乘用车的生产量或者进口量按照其数量的0.2倍改为0.5倍计算以及调整纯电动车型能耗目标值等。
2、热管理对新能源汽车更加重要
(1)热管理对新能源汽车有多重意义
2019年中国新能源乘用车保持着2.4%的正增长,整体也已达到5%的渗透率。
随着新能源汽车在汽车市场上占有率的提高,消费者使用频率不断增多,因此消费者对于续航里程提出更高的要求,一是要求新能源汽车载电量上的提升,二是要求新能源汽车在冬天续航里程的不再存在较大幅度的缩短。
2019年纯电动乘用车工况续航里程在250-400km区间和400km及以上区间车型产量占比分别为59.5%和39.6%,续航里程最高可达650km,250km以下车型不足1%。
随着技术研发不断进步,动力电池的能量密度逐步提升,使用寿命要求也越来越高。
根据《节能与新能源汽车技术路线图》,能量型锂离子电池比能量2020年要达到单体350Wh/kg,2025年达到400Wh/kg,功率型锂离子电池比能量2020年要达到单体200Wh/kg,2025年达到250Wh/kg,电池寿命2020年达到10年,2025年达到12年。
①续航里程和电池成本问题,仍然制约新能源汽车的发展,汽车热管理有利于提升电动车续航里程
在续航方面,高速行驶时的续航、高温开空调时的续航和低温开空调时的续航三项指标表现较差,其中表现最差的是低温开空调时的续航里程。
从纯电动车型的实际续航表现上看,常温不开空调时的平均实际续航里程为290公里,而开启空调后,无论是冷风还是暖风,续航里程均会受此影响出现下降的情况,其中冬天开启暖风对续航的影响尤为明显,平均实际续航仅为233公里,下降了20%。
北方用户受此影响很大,从满意度得分上来看,北方用户对低温时续航的满意度(60.6)显著低于南方用户(65.3)。
②新能源汽车的安全问题仍然制约新能源汽车的发展,加强动力电池品控和整车热管理有利于减少安全事故
根据新能源汽车国家大数据联盟的数据,2019年5月到8月18日共发现新能源汽车安全事故79起;
已查明着火原因的车辆中,58%车辆起火源于电池问题,19%车辆起火源于碰撞问题,还有部分车辆的起火原因源于浸水、零部件故障、使用问题等原因。
近期的《工业和信息化部关于修改的决定(征求意见稿)》在“准入审查要求”中也明确,“新能源汽车生产企业应具备保证产品质量和安全所必需的生产设备设施”,“应具备专用充电设备,数量应能保证产品充电需要”,“申请燃料电池汽车的,应能保证产品加氢需要”,“应建立充分的安全生产管理措施、人员防护措施、应急处理措施”。
上述表明新能源车安全性受重视。
新能源汽车的自动化控制程度更高,采用的功率器件更多,且新能源汽车的动力电池系统对工作环境的温度要求较高,温度过低会影响电池的续航能力,温度过高会导致电池使用寿命变短,因此新能源汽车对热管理系统的要求更为严格。
动力电池会随着温度的升高,电压下降速率增大,表明自放电越来越大。
这是由于随着温度的升高,电池内部的化学反应越来越活泼,导致电池的自放电变大。
在充放电倍率相同的条件下,温度越高,电池容量的衰减速率越快;
在温度相同的条件下,电池的充放电倍率越大,电池容量的衰减速率越快。
(2)各大车企加快投放新能源车型,热管理零部件需求大增
①新能源汽车发展迅速
受益于政策的优惠,我国新能源汽车市场从2014年开始快速发展。
2019年受到补贴退坡影响,产销量增速放缓。
中汽协数据显示,2019年我国新能源汽车产量为124万辆,同比下降1.6%。
2019年我国新能源汽车销量120.6万辆,同比下降3.25%。
全球新能源汽车的市场份额从2018年的2.1%提升到了2019年的2.5%,相当于售出的每40台车里有一台电动车。
②新能源汽车成长空间巨大,目前进入到1%-10%的成长期
根据《汽车产业中长期发展规划》、《节能与新能源汽车技术路线图》和《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)(征求意见稿)》,到2020-2025年,我国要迈入世界汽车强国行列,实现新能源汽车全产业链发展。
(1)2025年新能源汽车销量将占总销量20%,新能源汽车保有量达2000万辆以上;
(2)2030年新能源汽车将占汽车总销量40%,新能源汽车保有量超8000万辆。
③新能源汽车生产准入门槛放宽:
造车新势力迎利好,各个车企制定新能源汽车战略
2020年4月7日,工业和信息化部组织起草了《工业和信息化部关于修改的决定(征求意见稿)》,向社会公开征求意见。
工信部表示,随着国内外形势的发展变化,为更好适应我国新能源汽车产业发展需要,进一步放宽准入门槛,激发市场活力,加强事中事后监管,促进我国新能源汽车产业高质量发展,需要对《准入规定》部分条款进行修改,利好造车新势力。
新能源汽车的保有量越来越多,需求量也是越来越大,各个车企规划新能源汽车产品战略。
三、新能源汽车热管理应用技术主流
1、PTC加热损耗热能,热泵空调是主要应用方向
电动汽车制热系统主要有PTC加热或热泵加热2类,热泵的效果明显好于PTC。
电阻PTC加热器制热的优点是体积小、组成制热系统可靠性高;
缺点是系统效率小于1,在冬季会大幅度地缩短续航里程。
相关数据显示,电动车上普遍使用的PTC制热可使电动车的冬季续航里程减少一半左右。
热泵空调系统制热,压缩机排出的高温高压制冷剂气体经单向阀、四通换向阀进入室内换热器,与车内空气进行热交换以达到提升乘员舱内温度的目的,被冷凝为低温高压的制冷剂液体流经节流装置进行节流降压,节流后的气液两相制冷剂进入室外换热器与室外空气进行热交换。热泵空调是一种可以将低位热源的热能强制转移到高位热源的空调装置,在冬季制热工况下COP可达2-4,能效多倍于当今普遍使用的PTC加热,可以有效延长20%以上的续航里程,成本可控,同时能够实现电动汽车空调的冷暖一体化,是电动汽车空调系统重要的采暖方案之一。
并且限制其使用的低温结霜问题也已有多种解决方案,是目前为数不多适用于电动汽车制热的有效技术。
热泵空调的核心零件包括四通换向阀、电动压缩机、电子膨胀阀、换热器等,国内厂商已完成零部件全覆盖,例如三花智控。
新能源汽车热泵空调可分为直接式热泵空调系统、间接式热泵空调系统和补气增焓直接式热泵空调系统。
直接式热泵空调系统最典型的例子就是NISSANLeaf,空调箱内部布置一个换热器,简称内部冷凝器,通过四通换向阀来实现热泵模式。
间接式热泵空调系统将空调箱内部的换热器拿掉,将其布置在机舱内,可称之为外部板式换热器。
最典型的例子就是BMWi3。
补气增焓是指压缩机采用两级节流中间喷气技术,采用闪蒸器进行气液分离,实现增焓效果。
它通过中低压时边压缩边喷气混合冷却,然后高压时正常压缩,提高压缩机排气量,达到低温环境下提升制热能力的目的。
在低温环境下效果更明显。
最典型案例就是丰田普锐斯。
按制冷剂划分,热泵空调系统主要有R134a型和CO2型。
虽然CO2具有良好的热物理性能,并且CO2使全球变暖的潜在能力(GWP)是R134a的千分之一,但由于目前各种汽车空调系统主要使用制冷剂R134a,零部件设计、生产及售后服务及维护,均依据R134a制冷剂物理性能设计,R134a型热泵空调系统成为当前研发的主流技术。
但以二氧化碳作为制冷剂,可充分发挥其高环保、低价、高制热能效的特点,因此二氧化碳热泵空调在新能源车领域具备很广阔的应用前景。
基于热泵成本相较于传统空调较高,国内市场目前配套的车型主要集中在相对略高端的车型,这个可能是目前比较容易进入的市场,平台化供货也是这个行业未来降本的方式。
外资车企中搭载热泵空调的车型比较多,技术相对来说比较成熟。
热泵空调发展方向:
1)跨临界CO2低温热泵技术。
超临界CO2的物理性质决定了其在热泵空调方向具有很大的优势,其在低温环境下的制热性能远优于采用传统制冷剂的系统,并且部件体积更小,系统更为紧凑,所以跨临界CO2热泵空调系统应是未来汽车热泵空调技术的发展方向。
2)热泵空调与电池热管理的耦合控制。
对运行策略进行研究,包括对冷却剂分流比的控制、热力循环控制、系统安全保护等,从而提高整车的能量利用效率。
3)关键部件设计及密封问题。
CO2压缩机和高效气体冷却器以及节流装置的设计尤为重要,一方面要提高部件的效率,另一方面要解决部件的耐高压问题,而且选取的材料不仅要达到系统的要求,还要充分研究其在高压下的寿命周期,确保系统安全可靠。
2、液冷是电池热管理主流方向
电池热管理方式有自然冷却、风冷(主动+被动)、主动液冷(板式+独立回路)、主动直冷四种,其中液冷具有技术成熟、冷却效果好等优点。
随着热管理要求逐步提升,电池热管理也将从自然冷却方式逐步发展成为液冷等效果更好的方式。
根据NE时代数据,2017年国内新能源汽车动力电池53%采用自然冷却,主动风冷占比25%,液冷占比22%。
其中纯电动车58%采取自然冷却,预计多为A00级纯电动车;
插混车型66%采取液冷方式,自然冷却占比34%。
随着新能源汽车补贴的逐步退坡,和新能源市场的不断推广,近几年新能源乘用车的市场结构呈现出A00和A0级别的车型比例下降,其他车型比例将上升。
随着A00级别的份额下降,液冷系统的比例或将迅速扩大。
3、新能源整车热管理是必然的趋势
电动汽车热管理系统,相对于传统燃油车热管理系统,温度控制范围更为细化,各回路之间的能量交互使得热管理系统设计更为复杂,热管理系统设计向集成化方向发展。
为了对电动汽车能量管理控制模式进行优化和预标定,减少整车试验工作量,电动汽车热管理系统与数字样车联合仿真将成为电动汽车能量管理的未来发展方向。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 新能源 汽车 管理 行业 分析 报告