新能源车空调系统发展概况

来源：光大证券

1. 新能源车空调系统发展概况

1.1 空调系统在热管理系统中起着重要作用

狭义汽车热管理是指：对所有车载热源系统进行综合管理和优化；广义汽车热管理系统还包括空调系统。热管理在汽车节能、环保、安全、舒适性等方面具有重要作用。

对于传统汽车，其热管理系统包括发动机冷却系统、润滑系统、进排气系统、发动机机舱空气流动系统以及驾驶室的空调暖风系统等。具体涉及冷却介质、热交换器、风扇、泵、底盘空气流通、传感器等。

图 1：传统汽车热管理系统

对于新能源车汽车，其热管理系统包括空调系统，除此还包括电池热管理、电机电控热管理及其他设备的冷却。新能源车和传统燃油车最大的不同在于动力系统，前者是电能转化为机械能，后者是化学能转化为内能再转化为机械能。

图2：新能源汽车热管理系统

新能源汽车的热管理系统与燃油车区别主要体现在以下两点：

①传统燃油车热管理系统是围绕发动机构建的（发动机带动空调压缩机、水泵运转，座舱制暖来源于发动机废热）。没有发动机或发动机只部分时间工作要求空调压缩机和水泵电动化，并且需要采用其他方式（PTC或热泵）为座舱制暖；

②新能源汽车的动力电池需要精细的散热和加热管理。相比于燃油车，新能源汽车新增动力电池热管理回路（增加chiller、电池冷却水板、阀件、PTC等）。

图3：新能源汽车热管理解决方案（PHEV）

1.2 新能源车空调电能驱动，制热方案为 PTC、热泵模式

新能源车空调系统由电能驱动。对于新能源汽车（特别是纯电动汽车），既没有发动机作为空调压缩机的动力源，也没有发动机余热可以利用达到取暖、除霜的效果。通常来讲，新能源车空调系统的冷源、热源和其他能源都来自电池。

图4：传统汽车空调系统

图5：新能源汽车空调系统

汽车空调直接影响驾驶舒适性，对于新能源汽车来讲，还影响其续航里程。根据 ANL 对 Nissan Leaf 的测试，在高速公路循环路况下，当外界温度为 20F（-6.7℃）时，调节车内温度至 72F（22.2℃），车辆续航里程与不开空调时相比下降 30%；当外界温度为 95F（35℃）时，调节车内温度至72F（22.2℃），车辆续航里程与不开空调时相比下降4%。

图6：不同路况下开启空调对 Nissan Leaf 续航里程的影响%

目前空调系统制热方案包括PTC和热泵模式等。目前市场上主流的新能源车空调系统中，（1）制冷方案：基本都采用电动压缩制冷方式，如福克斯新能源车空调系统的制冷采用的是“压缩机-冷凝器-膨胀阀-蒸发器”的制冷循环；（2）制热方案：主要包括PTC（液体/空气）和热泵系统等，如福克斯新能源车在温度较低或车辆起动时采用PTC加热方案，电机温度达到一定数值后采用电机余热方案，特斯拉Model-X制热模式采用空气PTC方案，比液体PTC方案的效率更高。

 PTC：Positive Temperature Coefficient，泛指正温度系数很大的半导体材料。

 热泵：是一种将低位热源的热能转移到高位热源的装置。

图7：新能源车冷暖双模式热泵空调原理图

1.3 热泵技术在新能源车领域已成为未来发展趋势

PTC 热敏电阻制热存在功耗大的缺陷。新能源车通过 PTC 热敏电阻制热，即通过电阻的热效应生产热量，具备了结构简单且制热效果好的优点，但是存在着功耗过大的严重缺陷。PTC 加热方案耗能较多，对新能源车续航里程的影响更甚。

图8：PTC 热敏电阻

热泵空调技术是将低位热源的热能转移到高位。水泵是将低处的水泵到高处，热泵则类似，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。热泵系统中使用四通换向阀可以使热泵空调的蒸发器和冷凝器功能互相对换，改变热量转移方向，从而达到夏天制冷冬天制热的效果。当前热泵系统的类型主要有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等。

热泵空调相对于 PTC 加热的优势就在于更加节能。热泵空调方案的耗能大约为 PTC 加热模式的 50%。因此，从应用层面来看，热泵空调方案更具优势，但其技术要求也相对较高，特别需要解决低温情形下室外换热器结霜的问题。

图9：荣威 Ei5 纯热泵与 PTC 制热能耗对比试验图

热泵空调在新能源车领域实现快速推广。当前热泵空调技术在新能源车领域已经得到了市场验证，国际主要车型包括大众、奥迪、雷诺、宝马、日产等品牌均已量产装车。近年来国产电动汽车热泵空调也开始装车，典型车型如荣威 Ei5、荣威 MARVEL X、长安 CS75 PHEV 等车型覆盖纯电和混动。

表1：主要车企热泵空调系统应用情况（2019年）

1.4 二氧化碳制冷剂助力热泵空调系统性能升级

R134a 型热泵空调系统为当前市场主流。按照新能源车热泵空调的制冷剂划分，热泵空调可以分为 R134a 型、CO2 型、R1234yf 型等。R134a（1， 1，1，2-四氟乙烷）是一种使用最广泛的中低温环保制冷剂，它具有良好的综合性能，使其成为一种非常有效和安全的 R12（二氯二氟甲烷）替代品。目前各种电动汽车的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。

高效及环境安全性突出，二氧化碳热泵空调有望成为未来趋势。由于R134a 具有温室效应（在《京都议定书》中被列为限制使用的工质），所以仍面临巨大的替代压力。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。二氧化碳热泵就是采用二氧化碳作为制冷剂的热泵或空调，二氧化碳冷媒代号为 R744，所以二氧化碳热泵也称 R744 热泵。二氧化碳热泵与普通的热泵工作原理基本是一样的，都属于蒸汽压缩式。不同的地方在于，二氧化碳热泵属于超临界循环，即在冷凝器端，二氧化碳是不会被冷凝成液体的，而传统冷媒在冷凝器端是被冷凝成液体再节流的。

表2：二氧化碳热泵的优势

R1234yf 存在安全性问题，二氧化碳空调系统仍占据全面优势。欧盟要求 2017 年起 GWP>150 的制冷剂禁止在所有车型的空调上使用，对此杜邦与霍尼韦尔开发了 R1234yf（HFO-1234yf、四氟丙烯）作为新一代制冷剂。但是，R1234yf 的生产过程中会产生 HF（氢氟酸）等多种臭氧层破坏物质，并存在一定的安全问题，因此德系车企将二氧化碳作为发展方向。R1234yf、二氧化碳两者进行对比，二氧化碳在环保性能、安全性能、制造成本和可持续发展上均占据优势，未来发展前景广阔。

表3：二氧化碳与 R1234yf 空调系统综合比较

二氧化碳制冷剂全面高压的系统环境对系统管路提出更高要求，克来机电新产品二氧化碳管路 2020 年正式推出。二氧化碳作为制冷剂的主要难点在于需要更高的运行压力，对系统的控制提出了更高的要求。二氧化碳工作高压超 100kgf/cm2，因而热泵系统的配件、管路等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。本土企业克来机电，2020 年 1 月公告，拟募集资金不超过 5000 万元，用于新能源车用二氧化碳空调管路组装项目的建设。子公司众源新产品二氧化碳空调管能够解决目前二氧化碳管路系统产品缺陷导致二氧化碳泄漏的问题，对二氧化碳空调在车辆上普及使用有一定的促进作用。

国内三花智控在二氧化碳热泵空调系统领域布局完善。目前国外一些企业已推出二氧化碳热泵空调样机，也在奔驰 E 级车部分车型有所使用。本土企业三花智控已做到除压缩机外的全覆盖，并且在二氧化碳热泵领域布局超前。2018年3月，三花智控加盟新能源车二氧化碳热泵空调系统开发技术联盟，与东风汽车等多家公司共同研发应用。目前三花智控已经形成CO2产品解决方案，如CO2膨胀阀、单向阀、气液分离器等，其中电子膨胀阀实现了COP平均提高10％以上。