宋崇山
铜陵学院 安徽省铜陵市 244000
摘 要：随着新能源汽车热管理行业的迅猛发展，整体竞争格局形成了两大阵营。一类是以综合性热管理方案为主的国际巨头，另一类是以专一性热管理产品为代表的国内主流热管理零部件企业。并且随着电气化升级，热管理领域新生零部件迎来了增量市场，在新能源汽车新增的电池冷却、热泵系统以及其他电气化升级带动下，热管理方案中运用的部分零部件种类随之发生变化。本文主要通过对新能源热管理领域竞争格局以及核心部件的技术发展分析，对电池热管理、整车空调系统、电驱动及电子元器件等关键技术部件进行了详细综述与分析，并对新能源汽车热管理行业技术发展趋势进行了综合预判。
主题词：新能源汽车; 热管理; 冷却; 发展趋势;
1 前言
目前，热管理系统设计主要掌握在主机厂手中，零部件领域以阀体和换热设备的外资替代率最高。我国部分以传统汽车热管理业务为主的零部件公司，如三花智控、银轮股份、奥特佳等，也在加大布局。新能源汽车热管理行业正处于发展初期，国际巨头具备丰厚的技术储备，本土企业兼具贴近市场和低成本两大优势，两类企业各有机会。
2 新能源汽车热管理领域核心部件发展分析
随着汽车电气化升级，热管理领域新生零部件迎来增量市场，在新能源汽车新增的电池冷却、热泵系统以及其他电气化升级带动下，热管理方案中运用的部分零部件种类随之发生变化。随着新能源汽车的渗透率提升以及产品性能升级，热管理系统行业未来市场空间和价值巨大。
K.Bennion等的研究表明，车内取暖和空调需要消耗的能量最多，因此需要使用效率更高的电动空调系统进一步提高电动汽车系统的能源效率，优化车辆的热状态管理策略。空调系统的采暖模式对冬季电动汽车的续驶里程具有至关重要的影响，目前，电动车因为缺乏零成本的发动机热源，主要采用构造简单、成本低廉的PTC加热器作为补充。根据换热对象的不同，PTC加热器可以分为风暖（加热空气）和水暖（加热防冻液），其中水暖方案逐步成为主流趋势，一方面水暖方案没有融化风道的隐患，另一方面水暖方案可以很好的融入到整车的液冷方案中。但是，目前来看PTC加热方案同时存在诸多弊端，采暖能耗高、对于续驶里程的影响较大，由此便加速了热泵系统的发展。热泵系统可以有效解决采暖导致的续驶里程焦虑问题。当前，热泵系统还处发展初期，一系列技术问题依然有待解决，如低温启动难、换热器结霜降低冷换热效率、制冷剂性选取未达一致的问题。
电动压缩机是热泵空调循环制冷剂介质流动的动力来源，其性能好坏直接影响热泵空调系统的能耗及制冷或制热的效能。从目前空调压缩机的发展趋势来看，结构紧凑、高效节能以及微振、低噪等特点是空调压缩机制造技术不断发展的方向。随车汽车舒适度的不断提高、新式空调系统的不断出现,促使空调压缩机制造技术不断进步。
3 新能源汽车热管理技术升级方向
3.1 电池热管理
电池工作过程中，温度对其性能影响较大，温度过低可能会导致电池容量和功率的急剧衰减，甚至出现电池短路。温度过高可能导致电池出现分解、腐蚀、起火甚至爆炸，因此电池热管理的重要性日益凸显。动力电池的工作温度是决定性能、安全及电池寿命的关键因素。
从性能角度来看，温度过低会导致电池活性下降，从而导致充放电性能降低，进而出现电池容量的急剧衰减。对比发现，当温度下降至10℃时，电池放电容量为常温下的93%；然而当温度降至-20℃时，电池放电容量仅为常温下的43%。
从电池寿命角度来看，温度对电池寿命的影响也是不可忽视的。低温充电易发的电池析锂将导致电池循环寿命急速衰减至几十次，高温则很大程度上影响电池的日历寿命和循环寿命。研究发现，温度在23℃时，80%剩余容量的电池日历寿命大约在6 238天，然而当温度升高至35℃时，此日历寿命大约为1790天，当温度至55℃时，此日历寿命仅为272天。
目前受成本及技术制约，电池热管理在传导介质运用上并未统一，可分为风冷（主动式和被动式）、液冷和相变材料（PCM)3大技术路径。风冷相对简单、无泄露风险，具有经济性，适用于初期发展的LFP电池和小型车领域。液冷效果优于风冷，成本提升，相较于空气，液体冷却介质具有比热容大、换热系数的高的特点，有效的弥补了空气冷却效率低的技术不足，是目前乘用车优化的主要方案[17]。张福斌[18]研究中指出液冷的优点是散热快，可以保证电池组温度的均匀，适用于产热量大的电池组；缺点是成本较高、封装要求严格、有液体泄露的风险和结构复杂。相变材料兼具换热效率及成本优势，且维护成本低，目前技术尚在试验室阶段。相变材料热管理技术未完全成熟，是未来最有潜力的电池热管理发展方向。
3.2 整车空调系统
无论是传统车还是新能源汽车，消费者对于舒适性的需求越来越高，驾驶舱热管理技术也变得尤为重要。
制冷方式上，以电动压缩机替代普通压缩机制冷，电池与空调冷却系统通常联结。传统车主要采用斜盘式，新能源车主要采用涡旋式，此方式效率高、质量轻、噪声小、与电驱动能高度配合，另外结构简单、运转平稳、容积效率高出斜盘式60%左右。
制热方式上，需借助PTC加热，电动车因缺乏零成本热源（如内燃机冷却液），现阶段基本使用构造简单、成本低廉的PTC加热器作为补充。田镇[19]研究中指出，热泵系统能有效缓释电动车采暖带来的续驶里程问题，未来制热效率更高的热泵系统是趋势。
3.3 电驱动及电子元器件
在新能源车高电压电流运行环境、智能驾驶技术日益复杂背景下，电机电控及电子功率件等耐受温度低的部件对散热要求高，需额外添设冷却装置。
对温度耐受较低的驱动系统及电子元件需额外冷却回路保护。驱动系统：温度过高会引发电机故障，出现安全隐患。电磁负荷及电机单机容量的持续提升，使得其冷却方案由低成本、低冷却效果的风冷向液冷过渡。半导体元器件：温度过高会影响其疲劳老化寿命，工作温度每上升10℃，加速疲劳老化寿命减少50%，通常需铺设冷却管路并入电动车整车热平衡体系。
随全速自适应巡航、全自动泊车等ADAS功能日益丰富，其域控制器集成度提升，自动驾驶芯片功耗增大，热管理需求将从目前的自然散热方案进化，出现散热风扇和液冷散热。
驱动电机的迅速发展对散热提出更高要求，目前驱动电机技术向高转矩密度和高功率密度方向发展，高效的散热能力可以提高电机的持续功率和持续转矩。伴随着电驱动系统二合一、三合一、多合一的集成化发展，对系统的散热能力提出了更高要求。并且，高效的散热能力可以提高电机的爬坡能力、加速能力，降低电机的质量，实现铁心的轻量化，或者在电机有效质量不增加的情况下增加额定功率和峰值功率；降低动力总成的空间体积及质量，有效提高驱动电机的功率密度，从而降低整车质量，提高整车性能以及效率。工信部和发改委提出规划，到2025年乘用车电机的功率密度要大于4 k W/kg，电机的技术发展趋势必然要求提高冷却效率。
郭少杰等的研究中指出，除传统自然冷却外，目前驱动电机散热技术方案可分为3类：风冷、水冷和油冷。
(1）风冷技术。自带同轴风扇来形成内风路循环或外风路循环，通过风扇产生足够的风量，以带走电动机所产生的热量。介质为电机周围的空气，空气直接送入电机内，吸收热量后向周围环境扩散。风冷技术优点在于结构简单，不用设计独立的冷却零件，维护方便及成本低。缺点在于散热效果和效率都不高，工作可靠性差，对天气和环境的要求较高。
(2）水冷技术。相比风冷，液体具有更高的比热，且可以根据需要主动调节系统温度，故而液冷具有更好的稳定性，可以迅速带走热量，实现温度的快速降低，提高电机的效率和寿命。水是较好的液冷介质，水具有很大的比热和导热系数，价廉、无毒、不助燃、无爆炸危险；可提高材料利用率。缺点在于对水道的密封性和耐蚀性要求非常严格；在冬天必须添加防冻液。
(3）油冷技术。油冷一般采用机油（润滑油），因为局部不导磁、不易燃、不导电、导热好的特性，对电机磁路无影响，因此散热效率更高的油冷技术成为研究热点，国内外一些研究机构及企业大力发展喷油冷却方式，对电机绕组端部实现喷油冷却。优点是绝缘性能良好，机油沸点比水高，凝点比水低。机油在低温下不易结冰，高温下不易沸腾；对端部裸露面积更大的扁线绕组电机的冷却效果更明显，能够主动冷却到内部转子部件；有利于电机与变速箱的集成，提高轴承的润滑冷却效果、环境温度较低时加热变速箱油提高润滑搅拌效率。
5 总结与分析
新能源汽车热管理市场竞争格局未定，国内企业有望凭借市场响应快及成本优势实现弯道超车。
目前技术及市场发展仍处于起步阶段，竞争格局尚未固化，快速发展和变化中的市场为国内优秀热管理企业带来新机遇。
未来热管理系统将向标准化、模块化方向发展。新能源汽车三电技术及电子构架尚未形成统一体系，有关单一车型的热管理仍处定制化阶段，各整车厂对整车热管理设计思路仍有较大差别，因此新能源汽车热管理方案标准化是发展需求，也是未来趋势。在A0、A级或紧凑SUV等车型中，整车运行工况对电机的持续性能要求相对没那么敏感，因此无论是常规的水冷冷却还是理论上冷却效果更好的油冷冷却对整个电机系统的成本、性能影响相对不大。对于B级或更高性能车，最高车速越来越高，峰值功率与持续功率要求高、对应持续时间长、运行工况恶劣，电机的持续性能与温升表现相对关键，此时油冷电机的优势更易体现出来。
参考文献
[1]前瞻产业研究院.2018年新能源汽车热管理行业分析未来价值空间巨大[J].电器工业,2019,220(03):35-37.
[2]邬博华.新能源汽车:热管理市场加速放量[J].股市动态分析,2018,000(005):34-35.
[3]欧阳东.纯电动汽车热泵空调与电池交互热管理系统研究:[D].广州:华南理工大学,2013.
[4]张皓,赵家威,施骏业,等.电动汽车热泵空调系统采暖性能的试验研究[J].制冷技术,2017,37(3):39-42.