来源 | 海通国际
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热管理模块越来越受到客户的关注。传统燃油汽车和新能源汽车对热管理的要求不同。传统内燃机汽车的热管理目标主要有两个：寒冷天气下，快速预热汽车，实现冷启动；在高温天气，防止发动机“沸腾”。新能源汽车热管理的目的：为车厢供热，为三电系统提供适宜的工作温度。
传统的内燃机车辆热管理系统架构系统围绕发动机冷却展开。热管理模块分为三个子部分：发动机、空调和进气口。整套热管理系统单车总价值在1960-2910元之间；新能源汽车的热管理系统包括驾驶舱热管理、电池系统热控冷却系统三部分组成，单车价值几乎是传统燃油车的两倍，升至5300-6400元左右。
新能源汽车没有发动机作为热源，增加了电池热管理系统；电池和功率元件的性能对温度敏感，拉动换热器、制冷换档、电子膨胀阀、电子水泵、电子水阀、电动压缩机同时增加了新的PTC加热器或热泵系统，虽然新能源热管理系统不再包括中冷器和EGR冷却器。
预计2025年国内乘用车热管理市场规模或将超过1275亿元，2021-2025年CAGR约为18%；其中，新能源约900亿元，2021-2025年CAGR约45%。
汽车热管理未来发展趋势：智能化、集成化。随着充电/快充加热系统、电池低温交流加热技术、电池低温自加热技术、燃油辅助加热系统等，未来热管理技术将不断迭代。
电动化带动了汽车热管理赛道的发展，新能源热管理系统零部件量价齐升。热管理市场空间广阔。国内企业立足优秀单品，绑定优质客户，积极布局细分赛道。
01 传统燃油汽车与新能源汽车热管理的目的
“管理”一词有两个含义。1、根据不同工况的热需求，为汽车提供合适的工作温度，包括高温下汽车的降温，不仅是汽车的制热，都属于热管理的范畴；热管理是将工作温度控制在一定的区间内，既不加热也不制冷，是一个简单的线性指标。2、汽车不仅有散热和加热的要求，还可以通过良好的工业设计回收余热，实现热量的有效利用，这也是汽车热管理的意义之一。
1.1 发动机热管理的目的：平稳冷启动，防止“开锅”
在传统内燃机汽车的热管理系统中，热管理的目的主要有两个：1、在寒冷的天气里，快速预热汽车，实现冷启动；2、高温天气，防止发动机“开锅”。
在低温条件下，机油粘度增加，难以快速润滑发动机各部位，造成冷启动困难。这会造成机械磨损，严重影响发动机的性能和寿命。发动机80%以上的磨损是在冷启动阶段造成的。
“沸腾”是指防冻液正在沸腾，呈“水开”状态。“沸腾”情况的发生意味着冷却液失效、循环冷却系统失效以及其他热管理问题。
“开锅”的常见原因及故障表现
随着国内汽车工业的快速发展，热管理问题日益突出。在空间有限的发动机舱内布置冷却模块，必然会极大地阻碍冷却空气的流动，导致可能出现局部过热和冷侧气流不畅的情况。
如果主机厂在没有经过合理计算分析的情况下选择冷却系统热交换器，然后选择热交换器和风扇，就会导致冷却模块之间的匹配以及冷却模块与发动机的匹配出现问题，从而导致极端工况。在某些情况下，冷却液温度过高，会使连杆、活塞、活塞环等部件的强度进一步降低或变形，从而影响整车的可靠性。
1.2 新能源汽车热管理的目的：在车厢内加热，为三电系统提供合适的工作温度
传统内燃机的热效率可达40%左右。通过有效的热管理系统，可以回收发动机产生的余热，提供给驾驶舱供暖。不过，目前主流的新能源汽车加热解决方案包括空气（空气加热）PTC、水加热PTC和热泵空调。
纯电动汽车使用的PTC是一种半导体热敏电阻。PTC的特点是PTC材料的电阻值也会随着温度的升高而升高。在恒压条件下，温度低时PTC发热体升温快，温度升高时电阻值变大，电流变小。，PTC 消耗的能量较少，从而使温度保持相对恒定。
PTC水加热常与电机冷却水结合使用；空气加热PTC是将PTC直接安装在驾驶室的发热芯上，车内空气通过鼓风机循环，通过PTC加热器直接加热驾驶室空气。结构比较简单。
PTC技术与热泵技术的比较
PTC技术具有成本低、制造工艺简单、加热迅速等优点。但是，使用PTC对电动车进行加热会严重降低车辆的行驶里程。最高只能达到1。
热泵技术更受关注。从理论上讲，热泵的核心原理是逆卡诺循环。热泵所消耗的功可以将环境中的热量传递给高温热源，其效率系数大于1并不违反热力学第一定律。高温热源吸收的热量不仅来自热泵消耗的功，还来自低温热源（即大气环境）中的热量。
动力电池的高效工作温度范围较窄车用空气加热器，热管理系统是维持电池性能和安全的关键。20-35℃是动力电池的高效工作温度范围。如果温度过低，电池的充放电功率性能会下降，续航里程会缩短。如果温度过高，45℃会造成电池热失控风险，威胁车辆安全。为了最大限度地发挥电池组的性能和寿命，通常需要设计复杂精密的冷却回路对电池进行热管理，保持电芯的温度一致性，将电池组的温度控制在一个合理的范围。
锂离子动力电池组份材料的热失控反应机理
02 汽车热管理模块拆解
2.1 传统内燃机汽车热管理系统架构
作为传统汽车的“心脏”，内燃机同时也是主要的高温热源。传统的汽车热管理系统也围绕发动机冷却展开。传统内燃机工作时气缸内的最高温度可达1500℃。如果热量不及时散发，活塞和气缸最终会粘在一起，发动机就会报废。
发动机热管理系统主要由水泵、发动机水套、节温器、暖风、散热器和管路组成。散热器中的冷却液通过水泵泵入发动机水套，冷却液与发动机壁通过热交换带走发动机燃烧产生的热量，从而减轻发动机的热负荷，降低其过热温度在重负载条件下的风险。冷却液流出发动机后，分别以两种方式流向节温器和暖风散热器。暖风水路在发动机任何工况下都处于循环状态，保证驾驶员可以根据需要随时通过暖风的热交换关闭发动机。
风冷增压中冷器与EGR冷却发动机热管理系统示意图
发动机驱动机械水泵提供循环动力，节温器控制大小循环切换。当发动机温度较低时，冷却液通过小循环减少散热，使水温迅速升至最佳温度，改善排放性能。温度高时，冷却液通过散热器和风扇循环，提高散热效率。
与传统恒温器相比，电子恒温器响应速度更快，温度调节范围更广。传统的节温器将对温度敏感的石蜡结构浸泡在发动机冷却液中。当冷却液温度升高时，石蜡膨胀并推动恒温阀打开，从而打开冷却系统的大循环。电子恒温器通过ECU向加热电阻发送信号，实现石蜡的加热膨胀，从而启动冷却循环。
在传统热管理方案中，大循环驱动的水泵为机械水泵。水泵的抽水能力不能完全匹配发动机负荷，流量只能随着转速的增加而增加。电动水泵可根据不同的发动机工况，通过ECU控制开启和关闭，特别是在发动机冷启动阶段，使发动机内部冷却液处于小循环状态，温度可以迅速升高提高达到快速预热的效果。另一方面，电动水泵还可以与电子温控器配合使用，达到更好的制冷控制效果，实现快速预热。
发动机热管理部件的发展变化
传统内燃机有两项专有且重要的技术：增压和EGR（废气再循环）。涡轮增压系统利用发动机的排气动能压缩进气，提高充气效率，有利于气缸内混合气的形成和燃烧；而废气再循环系统则将部分废气返回发动机气缸进行再燃烧，主要是为了降低废气中的氮氧化物含量。这两种技术都对热管理提出了很高的要求，因此中冷器和 EGR 冷却器在传统的内燃机架构中必不可少。
废气涡轮增压器结构剖视图
传统内燃机汽车的热管理模块分为三个子部分：发动机、空调和进气口。整套热管理系统单车总价值在1960-2910元之间。随着电子水泵、电子恒温器等零部件的普及，自行车的价值将不断提升。
传统内燃机汽车热管理单车价值
2.2 新能源汽车热管理系统架构
新能源汽车与传统燃油汽车的主要区别在于燃油发动机系统被三电部件（电池、电机、电控）所取代，新能源汽车的热管理系统包括车厢热管理（加热和冷却） 、电池系统热管理（加热和冷却）和电机电控冷却系统三部分组成。
新能源汽车与传统燃油汽车主要零部件对比
乘用车等商用车通常采用四通换向阀进行模式切换，而乘用车空调目前主要采用三通换向阀和三换热系统，通过电动二通阀或电动三通实现制冷和制热。路阀。，除湿和蒸发器除霜模式切换。
新能源汽车不同形式的热管理架构
()是一种热交换器，它结合了蒸发器和热交换器的功能。是连接电池液冷回路和座舱空调回路的关键部件。也是液冷方案下新能源汽车的热管理。系统的增量组件之一。
从工作原理上看，机体内由层层叠叠的板式换热器组成，分为制冷剂回路（蒸发器）和冷却液回路（换热器）。流动。在热交换器主体中，冷却剂室和制冷剂室间隔开以彼此形成夹层结构。在对流过程中，热量从冷却剂传递到制冷剂，实现热交换。电池冷却的效率取决于电池的功率、水泵的功率、冷却液的流量、制冷剂的流量等因素。
某新能源汽车热管理结构示意图
这个怎么运作
压缩机是空调系统的“心脏”。其作用是从低压侧吸入和压缩低温低压气态制冷剂，使其温度和压力升高，然后泵入高压侧成为高温高压气态制冷剂。往复循环是连接空调回路低压侧和高压侧的关键。
燃油车上的压缩机一般由发动机皮带驱动。目前，电动压缩机的产品技术比较成熟，可分为旋转式（旋叶式、涡旋式和转子式）和往复活塞式（斜盘式和曲柄连接式）。杆型）两大类。
新能源汽车是电力驱动的，所以只能使用电动压缩机。电动压缩机需要额外增加电机和控制器，其价值较传统压缩机有明显提升。
全球市场格局仍以电装、日本三电、哈昂等主流压缩机厂商为主（3家占比超过80%）。奥特佳在自主品牌中占有率较高，而格力等也借助强大的电动压缩机技术开始进军车用热泵空调领域。目前主要电动压缩机采用涡旋方案，具有效率高、噪音低、运行平稳、体积小等优点。
不同类型压缩机的优缺点比较
膨胀阀又称节流阀，是连接空调回路高压侧和低压侧的关键。随着空调节能需求的提高，变频空调逐渐成为主流。热力膨胀阀由于响应速度慢、调节范围小、精度低等缺点车用空气加热器，正逐渐被电子膨胀阀（EXV）所取代。
EXV在传统TXV的基础上增加了一个微电机来调节开度，从而控制回路的流量。是一种可实现“无级变速”调节功能的膨胀阀。从工作原理来看，EVX还需要感应蒸发器出口处的压力和温度，所以需要增加传感器和控制器形成控制回路，所以单价可以比EXV高出2倍以上比同规格的TXV。目前，电子膨胀阀的市场渗透率不足30%，上升趋势较为明显。
电子膨胀阀工作原理图
搭载热泵空调系统的车辆热管理回路示意图（三台EXV）
新能源汽车电动化、智能化的特点，使得电子膨胀阀的应用更加广泛。除了原座舱热管理系统中的汽车空调需要从TXV升级为EXV外，电池和电机电控的冷却回路也需要增加1~2个额外的EXV；在热泵空调系统中，除了原有的制冷回路现有的EXV之外，加热回路根据不同的技术方案可能还需要增加另一个EXV，因此新能源汽车中EXV的数量和价值将加倍。
新能源汽车热管理单车价值
新能源汽车没有发动机作为热能来源。同时加入了电池热管理系统。由于电池和功率部件的性能对温度的敏感性，新能源汽车的热管理方案和部件发生了重大变化。此外，中冷器、EGR冷却器等方面没有需求，但整体来看新能源汽车的热管理，单车价值几乎是传统燃油车的两倍，升至5300-6400元左右。
2.3、国内乘用车热管理模块市场预测
乘联会数据显示，2022年上半年我国新能源汽车普及率约为22%。预计2025年国内新能源汽车普及率可达50%，年销量可达1500万辆。假设传统乘用车热管理系统价值为2500元/辆，新能源乘用车热管理系统价值为6000元/辆，上述国内乘用车热管理系统市场规模是根据基于假设的销量和单车价值。预计2025年国内乘用车热管理市场规模将超过1275亿元，2021-2025年CAGR约为18%；其中，新能源约900亿元，
03 汽车热管理未来发展趋势
3.1 特斯拉的解决方案——基于热泵的热管理系统
Model Y 的热管理系统与 Model 3 的部件最大的区别在于，它用热泵空调代替了传统的车载制冷空调。Model Y还保留了12V低压PTC加热器，有望用于解决热泵问题。极低温度下的系统加热问题。
Model Y的热泵空调外观
在Model 3使用的六通阀的基础上，Model Y进一步升级为八通阀（Octo-valve）。在原来控制冷却剂回路方向的六通阀功能的基础上，额外集成了控制热泵的功能。空调制冷剂冷暖方向四通阀功能，实现了整车热管理系统的冷暖模式控制。Model Y在 mode模式下可以实现1种制冷模式和4种不同的制热模式，进一步优化系统层面的能效。
Model Y 热管理系统示意图
八通阀工作模式4种制热模式
3.2 华为解决方案——构建智能一体化热管理系统
华为TMS改善了传统热管理系统的三大劣势。系统复杂：流水线、组件多；环境适应性差：-10℃以下电动压缩机启动困难；智能化程度低：人工标定效率低等。
一体化设计有效利用热能。通过对主要热源（电机、电池、客舱、外部环境）的产热进行智能控制和联合管理，实现汽车在不同工况下的热需求。
两个集成部件集成：压缩机等12个部件集成为一个，用基板代替互连管路，管路数量减少40%；控制一体化：压缩机、泵、阀等10个控制器集成在EDU电驱动单元中，大大降低了电控元件的故障率，同时便于系统智能化和全生命周期诊断维护。
三大改进，实现智能热管理。与现有技术相比： 1）能效提高100%：热泵工作温度-10℃→-18℃；2）校准效率+60%：首创智能自校准算法，校准时间4个月→1.5个月；3）体验提升：通过车辆数据上报和大数据分析，实现智能热舒适控制、智能空气管理、智能预测维护，大幅提升用户体验。
3.3 热管理技术展望
3.3.1 充电/快充加热系统
在低温下（以0℃以下为例），电池阻抗显着增加，导致功率性能明显衰减；同时，可能出现的锂枝晶现象会造成电池短路，造成热失控。因此，电池需要避免直接大电流充放电。为解决低温冷启动问题，需要在电动车启动前对电池进行加热，使其达到工作温度范围（至少5℃以上）。目前常用的解决方案是在车辆停止时，让PTC保持低功率运行，同时让运行的电池组温度保持在一定温度。当它处于充电状态时，
特斯拉的串联加热方式
快充状态下整车子系统温度变化趋势
在快充状态下，电池需要快速升温到高于正常工作温度的范围，才能达到最佳充电状态。这时候可以利用快充桩配合电机系统，利用电机的怠速运行整车的热管理系统。在串联模式下，从而实现电池的快速加热。
3.3.2 电池低温交流加热技术
电池本身的能量也可以用来加热电池。该方案的原理是在充放电过程中，电池的内阻会发热，从而达到发热的效果。
AC加热方案采用外部升压/降压电路实现电池组内电芯的高频互充放电功能。由于电池在高频时主要是欧姆阻抗，且超短的充电过程使得锂枝晶不易发生，因此该方案可以在不明显降低电池寿命的情况下实现高效安全的加热性能。该方案还处于实验阶段，还需要更多的硬件电路和控制方案的设计和验证。
3.3.3 电池低温自热技术
另一种自加热方法是在电池内部嵌入一个电阻。当需要加热时，接通电池内部电路，实现可控的“内部短路”。电阻通过电流后开始发热，从电池内部开始实现对电池的发热作用。当电池温度达到预设温度时，断开电路，电池恢复正常工作模式。该方案可在45s内实现-45℃至0℃的加热效果，功耗为5%SOC，温差小于5℃。目前已实现部分商业化，但其安全性和可靠性仍需进一步验证，且电池包层面的管控难度仍较高。
电池自热示意图
3.3.4 燃油辅助加热系统
为尽量减少整车加热过程中的能量损失，可采用燃油驱动的外部能源辅助加热系统。例如，威马EX5就采用了柴油发动机驱动的驻车加热器。该方案采用柴油作为加热系统的能源，可在低温下对车厢和电池系统进行加热，低温运行满电状态下可降低13.24千瓦时的电能消耗。，续航提升100Km，解决低温加热效率低的问题。
3.4 二氧化碳或空调制冷剂的主要介质
根据制冷剂的不同，车用热泵空调主要有R134a、R744（CO2）等多条技术路线。R134a是第三代传统制冷剂，自2017年起禁止在欧盟销售的新车上使用，是第四代制冷剂，由杜邦和霍尼韦尔垄断。
与二氧化碳制冷剂相比
在环保性能上更接近CO2的温室效应，不会对臭氧层造成破坏。在加热性能方面，R134a和方案的能效比（COP）在低温（-10℃）下均有明显下降。高达2.在性能方面，CO2热泵方案有望成为未来主流选择之一，但其工作压力比普通制冷剂高10倍，系统压力升级成本高. R134a仍主要在中国使用。
04 汽车热管理市场竞争格局及主要目标
国内热管理元件企业依靠优势产品绑定核心客户。拓普依托电控研发和精密制造能力，成功开发出热泵总成、多路阀、电子膨胀阀、电子水阀等产品，成为热管理赛道的新生力量。基于热交换器的优势，银轮建立了空调系统设计能力，并先后被吉利智能、江铃新能源等客户指定。三花智控立足阀门优势，已形成零部件及系统配套能力，已为特斯拉、大众MEB等配套。
银轮股份：换热器领先者，进军新能源事业
银轮深耕换热系统40余年，拥有丰富的相关产品。银轮于1978年进入换热器行业，2007年在A股上市。公司主要从事换热器及尾气处理产品，应用于传统乘用车、商用车、新能源汽车和建筑机械等行业。
公司2021年换热器业务收入62.84亿元，同比+28.31%，毛利率19.69%，同比-3.81%，增速平稳。2021年，热管理系统贡献约80.39%。从客户结构看，商用车及非道路业务收入50.37亿元，同比+11.08%，占比64.45%；乘用车业务收入22.36亿元，同比+64.73%同比占比28.60%，同比增长7.13%，其中公司新能源汽车相关热管理产品实现收入8.38亿元，占比10.7%。
公司新能源汽车热管理业务进展顺利。在新能源汽车普及率大幅提升的背景下，新能源汽车热管理业务有望贡献公司核心业绩增长。
新能源汽车产品系列
燃油车产品系列
在客户及订单拓展方面，公司将陆续获得北美新能源标杆车企的空调箱总成、长安汽车的电子水泵、国内新造车企业的前端模块和热管理集成模块、沃尔沃等。 2021年汽车电池冷却版本和冷却系统。新项目141个，如模组、宁德时代电池冷却板等。
银轮股份热管理研发项目
三花智控：阀门龙头进入快速成长期
全球领先的空调和制冷部件供应商。三花的前身新昌制冷配件厂成立于1984年，公司业务主要分为制冷空调电器配件业务和汽车配件业务，后者的收入占比逐步提高。2016-2021年，公司营业收入和归属于母公司的净利润将持续增长，汽车零部件贡献约20%。
公司是全球最大的制冷控制元件制造商和全球领先的汽车热管理系统控制元件制造商。伙伴。
经过30多年的发展，公司在全球制冷电器和汽车热管理领域确立了行业领先地位。公司空调电子膨胀阀、四通换向阀、电磁阀、微通道换热器、汽车电子膨胀阀、新能源汽车热管理集成元件、欧米茄泵等产品市场占有率位居第一截止阀、车用热力膨胀阀、储液器市场占有率居世界第一。
公司主要产品及主要客户
三花智控热管理研发项目
奥特佳：空调压缩机领导者，积极转型新能源事业
公司2021年营业总收入51.37亿元，同比增长37.85%。公司的汽车热管理业务是收入的支柱。受益于大客户出货量快速增长、产品多元化、新能源热管理产品单价较高等因素，其收入增速明显高于整车市场，体现出较快的增速。势头。
公司新能源汽车热管理元件实现营收21.41亿元，较上年大幅增长274.96%，占总营收的41.68%。公司储能设备热管理业务受益于国内外储能设备市场的快速发展。发展与储能设备市场整体增速基本匹配。新能源业务快速发展，热管理系统向一体化发展。
2016年以来，公司陆续接到蔚来、大众MEB、特斯拉、恒大恒驰等主机厂的新能源汽车热管理零部件及系统订单。2020年开始为特斯拉提供热泵空调系统。
科莱机电：绑定公众平台，核心产品二氧化碳高压管道技术壁垒高
公司将以热管理系统为突破口，逐步进入新能源汽车零部件领域。公司自主研发的二氧化碳高压管路系统（制冷剂导管）作为二氧化碳热泵系统中的核心部件之一，已通过大众MEB平台认证，逐步进入量产阶段。
同时，围绕热管理系统，积极开发其他与热管理相关的核心部件，如高压电子膨胀阀、电子截止阀等，进一步扩大自行车的品类，提升自行车的价值。
拓普集团：热管理领域后起之秀，营收持续增长
公司主营业务为汽车零部件的研发、生产和销售。主要产品包括汽车NVH减震系统、内外饰系统、轻量化车身、智能座舱部件、热管理系统、底盘系统、空气悬架系统、智能驾驶系统和机器人等九大业务板块。
从智能到热管理，从组件到系统。依托IBS智能制动系统研发形成的电控和精密制造能力，成功开发出热泵总成、电子膨胀阀、电子水阀、电子水泵、气液分离器等产品，和换热器，从部件到整个系统的方案改造。及时调配产能应对订单增长。公司正在建设湘潭、宁波等多个生产基地，以满足日益增长的订单需求。
海外热管理巨头占据全球过半市场份额
传统燃油车的热管理以电装、哈昂、马勒、法雷奥为主。日本的 Denso 是热管理领域的全球领导者。公司热管理产品涵盖传统发动机热管理系统和空调系统，但新能源业务占比较低。法雷奥是欧洲热管理的领导者，热管理产品包括空调系统、动力总成热管理和电池冷却系统等。韩国Hanon在2019年收购麦格纳相关业务，产品涵盖空调系统、动力总成冷却系统、热泵、电池冷却系统等。德国马勒收购了贝洱集团和德尔福的热管理业务，
四大热管理巨头占据了全球热管理市场的半壁江山。但电动化趋势下热管理新元器件需求高，对技术和生产工艺要求高，国产厂商有机会“弯道超车”。
各公司热管理业务概要
结尾