“储能热管理研究院”的研究员撰写并发布了这篇《集成化大势所趋，热泵与液冷为当前主线？》全套文章
集成化大势所趋，热泵与液冷为当前主线
（一）整车热管理架构：向更高效的集成式系统发展
从系统架构来看，新能源汽车热管理由各子系统分散运行向集成化发展。根据热管理系统架构的分散程度，可将新能源汽车热管理的发展归纳为两个阶段：
（1）空调（单冷配合PTC电加热）与三电系统热管理分散运行；
（2）热泵空调与三电系统（余热回收）耦合式集成热管理。
新能源汽车热管理发展趋势
并联系统，是热管理由分散向集成的过渡形态。
早期，由于新能源汽车油改电架构限制、零部件供应商集成能力不足等原因，新能源汽车热管理的各子系统一般采用分散架构。分散的热管理系统由于零部件和管路冗余导致成本较高，且无法对整车热管理进行统一协调管理，效率较低。随着技术的进步，部分企业采用子系统并联的方式提升集成化和热管理效率。
例如，通过在热泵系统中并联换热器来同时满足乘员舱与动力电池温控的需求（由于人体的舒适温度范围和动力电池所需的温控范围相近）。并联系统是热管理由分散向集成的过渡形态，其虽然提升了集成化程度，但电池、电机余热并得到有效利用。
乘用车乘员舱空调需求
锂电池温控需求及热负荷
集成式热管理系统可以回收三电余热降低能耗，提升热泵性能。由于热泵系统的天然缺陷，导致其在高寒环境下应用受阻，若可以回收利用电池电机余热，则能在不额外增加能耗的同时提升其性能。
耦合系统通过合理增加二次换热回路的方式，在冷却电池与电机的同时，回收余热提高新能源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基础热泵空调相比，可降低系统能耗12%-19%。
余热回收热泵与基础热泵能耗对比
集成式热管理系统组合形式多样。集成式热管理系统会增加集成化部件，将各种阀类、泵类、换热器、传感器等核心零部件集成，节省管路及系统空间，提升热管理效率。
根据空调与电池、电机温控的不同组合，可构成不同的集成式热管理系统，余热回收式热泵在特斯拉ModelY、大众ID4.CROZZ等车型上已得以应用。
特斯拉ModelY热管理系统（左）；大众ID4.CROZZ热管理系（右）
（二）空调热管理：向热泵化发展
汽车空调主要目标是保障乘员的舒适性以及挡风玻璃的安全性。主要包含以下4种功能：
（1）采暖和制冷功能；
（2）过滤、通风和换气功能；
（3）湿度控制与调节功能；
（4）除雾与除霜功能。
新能源汽车空调朝低功耗、高性能的方向发展。根据制热方式的不同，新能源汽车空调系统的技术路线可分为单冷空调+PTC电加热系统、热泵空调、热泵空调+PTC辅助加热系统，随着技术的不断进步，其功耗逐渐降低，且在宽温区、极端条件下的环境适应性能力逐渐提升。
新能源汽车空调的技术路线
PTC结构简单，但制约续航
使用PTC制热时新能源汽车续航降低近半。由于新能源汽车没有发动机参与制热，早期车企采用PTC加热器方案解决空调制热问题。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，但其制热时需要消耗大量的电能。从热力学角度看，PTC制热的COP（设备制热量与消耗功率之比）始终小于1，冬季使用PTC供热时，耗电量较高，严重制约了电动汽车的行续航里程。
根据(SAE)研究，采用空调制冷和PTC制热的能源消耗占整车能源消耗的33%，满负荷运转时，新能源汽车续航里程将降低近50%。
三菱i-MIEV热管理系统
PTC加热分为空暖和水暖加热两种形式。空暖结构简单，成本相较水暖加热更低，但存在一定的安全隐患，而PTC水暖的加热温度控制精度更高。采用PTC加热会增加PTC加热器、电子水泵等零部件。
PTC空暖与水暖对比
热泵通过热量搬运提升效率
热泵空调通过热量搬运制热，效率远高于PTC。热泵空调的原理是使用蒸气压缩循环利用环境中的低品位热量进行制热，并通过阀件组合使空调的蒸发器和冷凝器功能对换，改变热量转移方向，进而冬天制热的需求。其不使用电能直接制热，本质是热量的搬运，因此制热的理论COP大于1。
实验数据表明，当使用热泵空调代替PTC满足加热需求时，能耗可以降低54%-79%，显著增加电动汽车的续航里程。
热泵与PTC制热能耗对比
热泵空调主要通过阀件、换热器的组合等形式实现。新能源汽车的热泵空调系统主要由电动压缩机、换热器、换向阀、电子膨胀阀等构件组成，为了提高热泵系统的性能，还可添加储液干燥器、换热器风扇等辅助部件。
宝马i3热泵系统
PTC辅助热泵可以提升低温性能。面对严寒工况、启动过程等，传统的氟利昂类热泵制热量骤减，制热能力受限，难以满足车室供暖需求，因此进一步衍生了热泵空调+PTC的系统形式，以提升空调的低温性能。
不同空调技术路线对比
新能源汽车空调的单车ASP逐渐提升。热泵空调一定程度上解决了PTC能耗高的问题，而热泵+PTC的方案又弥补了基础热泵低温效率低的缺陷，在提升热管理整体效率的同时，其单车ASP也有所提升。新能源汽车空调的发展趋势是高效的解决乘员舱舒适性需求，并与三电系统的精确温度管理进行深度耦合，未来将朝着更加集成化的程度发展，进一步提升效率、降低能耗。
（三）电池热管理：液冷为主，直冷前景广阔
动力电池冷却的方法主要有风冷、液冷、直冷。新能源汽车正常运行时，动力电池放电产热，温度升高。为了保证电池在适宜的温度运行，需要对电池进行冷却降温。
动力电池不同冷却方式对比
动力电池的不同冷却方式优劣：
风冷，散热效果有限，无法满足高散热需求;
液冷，散热效率高，但无法维持电池组的温度均匀性；
直冷，冷却效率高，但依赖于热泵空调的启停，且对制冷剂环路效能有所影响。
动力电池不同冷却方式优缺点
风冷结构简单，早期广泛使用。
风冷可分为自然对流风冷、强制对流风冷。由于动力电池封装在电池盒内，自然对流无法及时散热，因此实际应用较少。强制风冷利用风扇驱动空气进行循环冷却，可满足电池低充放电倍率运行时的降温需求，是一种比较成熟的主动式冷却技术。
由于风冷结构简单、成本低、便于维护，因此在早期的新能源车型或成本受限的车型上得到广泛应用。
丰田普锐斯电池风冷系统
风冷电池组总成组装过程
液冷换热系数高，相较风冷能耗可降低5成以上。液冷技术通过液体介质的流动换热，分为直接与间接接触式：
直接接触式，是将电池组浸泡在工程冷却液中，利用液-气相变的潜热吸收电池热量。换热面积高，温度控制比较均匀，但冷却液存在漏液风险，且成本费用较高，目前应用较少。
间接接触式，采用泵送循环系统驱动冷却液流过电池表面的液冷管或冷板的内部通道，利用强制对流换热对电池进行降温或加热。相比于风冷系统，液冷换热系数高、冷却速度快、能耗降低50%以上，因此当下被广泛应用。
特斯拉液冷电池包散热示意图
液冷电池组总成组装过程
直冷技术可进一步提高电池温控性能。
直冷是将制冷剂直接送入电池组内部进行换热的电池温控方式，能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。
比亚迪DM-i超级混动采用了直冷技术，将冷媒管道连接至电池包直冷板，冷媒在电池包直冷板中蒸发，由液态变为气态，达到冷却目的。
动力电池直冷结构
比亚迪Dmi冷媒直冷技术
（四）电机及其他系统热管理
电机冷却的关键在冷却能力和能耗的平衡。驱动电机的冷却方式主要有空气冷却、液体冷却、混合冷却和导热材料冷却等。不同冷却方式的冷却能力与能耗有所不同，其中液冷可以实现两者的基本平衡。
新能源汽车电机冷却方式（左）与冷却方式对比（右）
在电机发展的早期阶段，空气冷却被广泛应用。其能耗较低但冷却能力有限，只能被用于产生热量相对较少的电机。随着驱动电机功率密度越来越高，空气冷却逐渐无法满足散热要求。
液冷为当前驱动电机的主流冷却形式，有更高的比热容，更容易达到冷却效果。根据冷却液的不同，又可分为水冷与油冷。液冷可以用于功率密度较高的驱动电机，能高效、快速、主动地控制电机温度，但能耗相对风冷有所增加。
混合冷却通常用于大功率和高要求的驱动电机。混合冷却系统结合了液冷和风冷的优点，且两套系统可实现相互独立，冷却能力得到显著提高。但同时设计成本和能耗会显著增加。混合冷却的方式多用于外部空气流动较剧烈的轮毂电机，驱动电机中使用较少。
导热材料冷却多用于辅助温度控制系统。另外，还可以在电机外壳或其他结构上添加高效导热材料，提高散热能力，控制电机温度。随着材料性能的提升，该方法也将被应用到电机冷却系统中，常用导热材料的有碳纤维和不锈钢等，此方法多用于辅助温度控制系统。
电机控制器散热器结构（左）与其基板与翅片结构（右）
其他热管理除价值量与燃油车相仿。除空调、电池、电机冷却系统外，新能源汽车热管理系统还包括电控、DC-DC、OBC、功率半导体元器件及减速器等部分的冷却，除减速器采用油冷外，其余部分目前通常采用的方案为水冷，总价值量也与燃油车相仿。
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