热泵上车，开启电动车“暖冬”时代

xingqingzl 2022-04-19

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新能源汽车热管理技术的最大突破来自于热泵技术的进一步普及和推广。

何为热泵技术？

新能源车的热泵技术是解决纯电动车冬季续行里程变短的有效方案。利用空调的“逆卡诺”循环，热泵可将车外低温空气中的热量，“泵”至相对高温的乘座室内。冬季使用热泵空调制热，与使用传统PTC制热相比，可降低60%的能耗，增加约25%左右的续行里程。

传统空调的制冷原理，是利用制冷剂的物态变化，由气态变液态会散发热量，而由液态变气态则会吸热的原理。用于车内制热的“逆卡诺”循环与传统空调的制冷原理相反，利用一个“四通电磁换向阀”，即可实现制冷循环或制热循环，使车内得到冷气或热气。空调制冷剂在循环中，利用了高温高压气体在冷凝器里液化成高压液体过程中，会释放出大量热量，这就是热泵放热的原理。冬天利用换向阀可改变空调制冷剂的流向，此时使蒸发器在反向循环中充当冷凝器放热，形成“热源”。此时只消耗小部分电能，就能将外界大量热量，搬运“泵”进纯电动汽车内，成为热泵。不过，热泵在低温环境下制热效果还有待提升。

目前，热泵系统从两换热器回路架构到三换热器回路架构、带中间换热器的补气增焓回路架构、双级压缩回路都有热管理系统供应商在进行开发，部分厂家已经通过台架测试并且装车，实现了部分量产。

图片来源：知乎

如奥迪e-tron、大众 iD3、理想汽车ONE、小鹏P4、上汽乘用车ei5和Marvel X、一汽轿车B30EV、比亚迪的汉、蔚兰汽车ET7、广汽Aion LX、长安汽车C211EV4、特斯拉model Y等，36%的电动车已经采用热泵技术，预计2026年会达到60%以上。

同时，零部件集成度也在不断提升，超级水壶和8通阀的导入，空调ECU被整合到整车ECU架构中。主动冷却和主动加热技术已经成为电池热管理的主流技术选择，并且在74%的新能源汽车上采用液冷技术，中高级轿车已经全面采用液冷技术。

“octovalve（八向阀）” ——特斯拉Model Y的HVAC系统核心

图片来源于网络

热泵系统的技术难点

目前，新能源汽车热管理系统仍亟需解决热泵系统应用的技术难点如下：

1）热泵系统需要针对不同应用场景进一步优化与简化。热泵技术的应用也在和电池能量密度有强相关性，每kWh电池成本下降速度与热泵每kW成本下降速度在进行比赛，也决定了热泵技术的应用推广速度和深度。目前提出的热泵系统回路控制元件仍显较多，系统控制仍较复杂，系统可靠性不高；

2）电动零部件集成化和模块化需进一步提高。如电子膨胀阀和电池冷却器的集成化、四通换向阀及系统可靠性和耐久性等；

3）热泵工况下系统性能进一步提升。尤其是在-30℃北方使用场景下，R134a/R1234yf系统性能急剧降低，制热量不够、功耗增加，同时车室外换热器在低温工况如（2℃/1℃环境温度）下严重结霜、系统性能恶化等问题；

4）热泵系统成本需进一步降低。新能源汽车热泵系统由于其复杂性和更多零部件，使得其成本相对于常规热管理系统不具备优势。一方面需要进一步加大热泵系统推广力度，以摊薄设计和开发成本，另一方面通过技术改进（如系统优化、低成本替代材料等）和集成化设计与制造来降低成本；

5）CO2热泵系统的研发不够。在环保和热泵等发展趋势下，CO2热泵系统具有天然的制热性能优势，在业界受到越来越多的重视，但其中仍有很多技术问题亟需解决，如制冷和制热性能的平衡考虑、系统高压安全问题、系统关键零部件设计与匹配、制造系统升级转换和改造、售后维修服务系统改造升级等。

大众ID.4二氧化碳热泵系统解析

图片来源：中信证券

热泵技术难点的解决方案

对于第二节中所述新能源汽车热管理技术难点，国内外主要汽车热管理竞争厂商都在做解决方案和产品开发。

在热泵系统方面，国外有宝马、特斯拉和大众等已在电动汽车产品上应用，国内也有一汽奔腾B30EV、上汽荣威Ei5和荣威 Marvel X、小鹏汽车P5都已应用热泵空调系统。

日本三电还开发了使用CO2的热泵系统用压缩机，装配到奔驰车型上。

国内比亚迪开发和生产了使用R410A的热泵产品，能够满足-40℃极寒环境的整车制热需要，COP在-10℃时达到3.5，近期，又在研发R290热泵空调。

上海加冷松芝开发的三换热器乘用车R134a热泵空调可以满足环境温度-20℃的使用，COP在-10℃达到1.8，并已成功应用在江淮汽车全系新能源车型上和上汽通用五菱mini EV。此外，还开发和量产了带中间换热器和补气増焓制冷回路的超低温R410A大巴热泵空调，可以满足环境温度-30℃的使用，COP在-20℃达到1.48。

特斯拉在热泵系统开发上，采用了空气回路、制冷剂回路、冷却液回路耦合的系统，将电机电控余热回收和再利用加入到热泵系统中，并在Model Y上进行量产应用。

值得一提的是，特斯拉引入了在非效率区运行电动压缩机和无刷风机的辅助制热模式，可以在不增加零部件的情况下充分利用已有零部件进行辅助制热，大幅提高了制热能力和制热能效，又可以有效地降低系统构件成本。