2018年中國熱管理系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析【圖】

    汽車熱管理系統(tǒng)是調節(jié)汽車座艙環(huán)境（溫度、濕度等） 以及汽車零部件工作環(huán)境的重要部件。 汽車熱管理系統(tǒng)是從系統(tǒng)集成和整體角度出發(fā)，采用綜合手段控制和優(yōu)化車內(nèi)熱量傳遞和利用的系統(tǒng)。汽車熱管理系統(tǒng)的主要功能是調節(jié)座艙環(huán)境（空調系統(tǒng)）和保障車輛各部件（驅動系統(tǒng)：發(fā)動機或電池系統(tǒng)等）在適宜的溫度下工作，通過制冷、制熱和熱量內(nèi)部傳導綜合提升能源利用效率。 對于目前的燃油車，最主要的兩個熱管理系統(tǒng)分別是發(fā)動機冷卻系統(tǒng)和汽車空調系統(tǒng)。

汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)示意圖

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汽車空調系統(tǒng)結構圖

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    行業(yè)導入期（20 世紀 60~80 年代末）： 與國外企業(yè)相比，我國汽車空調行業(yè)起步較晚，20 世紀 70 年代初仍是空白。 1969 年，長春第一汽車集團公司成功研制了第一臺汽車空調裝置，開創(chuàng)了中國自行設計、獨立制造汽車空調裝置的先河。自此，我國汽車空調行業(yè)開啟導入期，這一階段汽車空調主要依賴 CKD 組裝。行業(yè)成長期（20 世紀 90 年代~21 世紀初）： 80 年代末期，國內(nèi)企業(yè)看到了汽車空調的發(fā)展前景，陸續(xù)從國外引進技術和生產(chǎn)設備，爭上汽車空調項目。 國內(nèi)掀起了汽車空調熱，大規(guī)模重組由此出現(xiàn)。 1999 年，全國汽車空調年產(chǎn)量約 70 萬臺，已形成門類齊全的汽車空調生產(chǎn)體系，基本能夠滿足汽車工業(yè)生產(chǎn)的要求，汽車空調行業(yè)處于快速成長階段。行業(yè)成熟期（21 世紀初~2015 年）： 新世紀以來，隨著汽車保有量和產(chǎn)銷量的提高，國內(nèi)汽車空調市場規(guī)模進一步擴大。 2015 年中國汽車空調產(chǎn)量為 3100 萬臺，市場規(guī)模為 182億元，相比 2011 年復合增長率分別達到 14.64%和 13.94%。由于銅、鋁等原材料的價格上漲，汽車空調成本上升、利潤空間下降。同時，整車廠商對汽車空調公司提出了更加嚴格的要求，一批競爭力低的企業(yè)被淘汰，行業(yè)集中度提高，進入成熟階段。行業(yè)變革期（2016 年以來）：到 2020 年、 2025 年、 2030 年實現(xiàn)新能源汽車滲透率分別達到 7%、 15%、以及 40%，預計到 2020 年、 2025 年、 2030 年，銷量有望超過 200 萬輛、 500 萬輛、 1500萬輛。 該規(guī)劃必然會推動與之相關的汽車熱管理生產(chǎn)配套產(chǎn)業(yè)的轉型升級。與傳統(tǒng)燃油汽車相比， 新能源汽車的空調系統(tǒng)對技術要求更高，單車價值量更大。汽車空調行業(yè)既面臨機遇，又需要面對挑戰(zhàn)。

    新能源汽車與傳統(tǒng)汽車熱管理系統(tǒng)的組成部分不同。 由于傳統(tǒng)汽車和新能源汽車動力部件不同，兩者熱管理系統(tǒng)也存在差異。傳統(tǒng)汽車，熱管理系統(tǒng)分為兩大部分： 1）發(fā)動機熱管理系統(tǒng)，調節(jié)發(fā)動機的工作溫度； 2）汽車空調系統(tǒng)，調節(jié)乘員的駕駛環(huán)境。新能源汽車，熱管理系統(tǒng)分為三個部分： 1）空調熱管理系統(tǒng)，主要調節(jié)車內(nèi)乘坐環(huán)境； 2）電機/電控冷卻系 統(tǒng) ，調 節(jié)電 動 機及 控制 器 的工 作溫 度 ； 3 ）電 池 熱管 理系 統(tǒng) BTMS（BatteryThermalManagement System），調節(jié)電池工作溫度。

傳統(tǒng)車和新能源汽車熱管理系統(tǒng)組成

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    汽車電動化帶來熱管理的幾個主要變化：（1） 電池熱管理系統(tǒng)：需同時兼具冷卻和制熱功能。 與傳統(tǒng)燃油汽車相比，純電動車不再以發(fā)動機和變速箱作為動力系統(tǒng)核心， 取而代之的是電池、電機及電控系統(tǒng)。相應地，純電動汽車熱管理系統(tǒng)的核心對象轉移到了電池、電機和電控，尤其以電池熱管理最為關鍵。對于傳統(tǒng)發(fā)動機一般僅有冷卻需求，而電池熱管理系統(tǒng)不僅有冷卻，還包括制熱的需求。 由于純電動車無發(fā)動機，其常用的液冷方式制冷系統(tǒng)需要采用電動壓縮機替換傳統(tǒng)壓縮機；制熱方面，電動車目前多采用 PTC（熱敏電阻）進行加熱。（2）新能源汽車空調系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃油車空調的不同： ①制冷驅動力不同： 新能源汽車空調系統(tǒng)與傳統(tǒng)空調系統(tǒng)的動力類型不同，需要通過電動系統(tǒng)驅動電動壓縮機制冷； 傳統(tǒng)空調系統(tǒng)則以發(fā)動機帶動普通壓縮機進行制冷。 ②制熱熱源不同：新能源汽車空調一般通過電熱器來實現(xiàn)座艙供暖，如 PTC 加熱器或熱泵； 而傳統(tǒng)汽車空調則是利用發(fā)動機余熱制熱。（3）新能源汽車熱管理集成度更高。 燃油車的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)和空調冷卻系統(tǒng)相對獨立， 其發(fā)動機采用的是普通的水冷系統(tǒng)，空調采用壓縮機冷卻系統(tǒng)。而新能源汽車的熱管理集成度則要求更高，比如， 新能源汽車的電池冷卻系統(tǒng)一般兼顧空調系統(tǒng)的冷卻， 且電池的冷卻液與空調的制冷劑會在 Chiller 進行熱交換。 在對空間有要求的乘用車車型上，電池熱管理系統(tǒng)和空調熱管理系統(tǒng)往往共用電動壓縮機和 PTC 加熱器。

新能源汽車電池熱管理原理和結構示意圖

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燃油發(fā)動機熱管理系統(tǒng)原理和結構示意圖

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新能源汽車空調系統(tǒng) PTC 工作原理

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燃油汽車空調系統(tǒng)工作原理

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    市場空間： 單車價值提升，下游需求放量，規(guī)模超 500 億

    相比于傳統(tǒng)燃油發(fā)動機熱管理系統(tǒng)，電動熱管理系統(tǒng)更復雜和高端，部件數(shù)量增加。 傳統(tǒng)燃油發(fā)動機熱管理一般采用結構簡單且技術成熟的水冷卻系統(tǒng)。 相比而言，電動系統(tǒng)的熱管理更為復雜，零部件數(shù)量更多且高端。以液冷技術為例， 在電池熱管理系統(tǒng)中， 冷卻系統(tǒng)核心部件包括電動壓縮機、電池冷卻板、 冷卻器、 電子膨脹閥等，同時新增了 PTC 加熱器對電池進行加熱控制。在電機電控熱管理中，則新增了散熱器、電子風扇、電子水泵等部件進行冷卻管理。 因此，電動車零部件數(shù)量明顯增多。

    壓縮機升級為電動，制熱新增加熱器， 新能源汽車空調系統(tǒng)價值量提升。 傳統(tǒng)燃油汽車空調系統(tǒng)制冷主要依靠壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器等，制冷的核心部件是壓縮機，制熱的關鍵部件則是暖風水箱。 新能源汽車的空調系統(tǒng)依靠電動壓縮機驅動制冷系統(tǒng)，基本原理是： 電池組的直流電通過逆變器為空調驅動電動機供電，空調電動機帶動壓縮機旋轉，從而形成制冷循環(huán)。 因此，空調電動壓縮機比傳統(tǒng)壓縮機，需要增配電機和控制器，現(xiàn)在市場上新能源乘用車空調電動壓縮機單價約 1300-1400 元，傳統(tǒng)空調壓縮機單價僅為 500 元左右。此外，新能源汽車空調系統(tǒng)新增制熱關鍵零部件， 主要是 PTC 加熱器或熱泵， 單價都在1500 元以上，價值量明顯提升。

    新能源汽車熱管理系統(tǒng)單車價值量顯著提高。傳統(tǒng)燃油車熱管理單車價值量約為 3200 元，而純電動乘用車（EV） 的熱管理系統(tǒng)單車價值約為 6700 元， 單車價值量顯著提高，新增約 3500 元。此外，插電混合乘用車（PHEV）由于同時搭載燃油系統(tǒng)和電動系統(tǒng)，其熱管理系統(tǒng)較為復雜，價值量更高，預計可達 7000 元左右。 PHEV 乘用車電池包容量一般在 20kWh 以下，遠低于 EV 乘用車電池包容量（40kWh 左右），且考慮 PHEV 乘用車不用 PTC 加熱器，預計 PHEV 乘用車電池系統(tǒng)熱管理比 EV 電池熱管理系統(tǒng)單車價值少 2500 元左右。 相比于EV 乘用車， PHEV 乘用車還需給發(fā)動機冷卻， 該部分價值預計為 3100 元左右。因此， 綜合來看， 相比于 EV 乘用車， PHEV 乘用車熱管理單車價值預計高 600 元左右，可達 7300 元。目前我國新能源純電動乘用中小微型（A0/A00 級） 產(chǎn)銷量占比較高， 2017 年小微型新能源乘用車產(chǎn)量占比約 60%。 總體車型偏低端、電池能量密度偏低， 續(xù)航里程低，電池冷卻方式多以風冷為主， 而非液冷， A0/A00 電動車的電池熱管理系統(tǒng)單車平均價值量偏低，預計 A0/A00 純電動乘用車的冷卻系統(tǒng)的單車價值在 3500 元左右。

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    預計 2025 年市場空間超 500 億

    全球新能源汽車進入高速發(fā)展期。 過去十年，全球新能源汽車完成了從 0 到 1%的滲透，已進入快速發(fā)展期。 在國內(nèi)，新能源汽車被列為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，從直接的補貼政策到市場化驅動的雙積分政策，新能源汽車一直以來受到相關政府部門的堅定支持。在海外， 特斯拉作為引領者，推動汽車行業(yè)向電動化、智能化發(fā)展，傳統(tǒng)主流車企由過去的觀望和謹慎，紛紛加大投入， 積極布局電動汽車戰(zhàn)略，全球新能源汽車已經(jīng)進入高速發(fā)展期。預計 2025 年全球新能源汽車乘用車銷量達到 1100 萬輛， 比 2017 年翻 9 倍。 2017 年全球新能源汽車銷量為 117.4 萬輛，同比增長 59.1%，預計 2018-2020 年銷量分別為176、 268 和 404 萬輛，同比增速分別為 50.1%、 52.1%和 53.0%；長周期看，預計 2025 年和2030 年全球新能源汽車銷量有望分別達到 1100 萬輛和 2700 萬輛。其中， 2025 年中國新能源乘用車銷量有望超過 400 萬輛。 2016 年中國新能源乘用車汽車銷量為 32.3 萬輛， 2017 銷量為 55.6 萬輛，同比增長 72.1%；預計 2020 年將達到 166 萬輛，比 2016 年翻 5 倍，實現(xiàn)中國新能源汽車“十三五”規(guī)劃的目標；到 2025 年，預計國內(nèi)新能源汽車產(chǎn)量將超過 414 萬輛， 2020-2025 年 CAGR 為 20%。新能源汽車熱管理市場空間巨大，預計到 2025 年有望超過 600 億。 作為新能源汽車的重要組成部分，熱管理系統(tǒng)在整車需求量快速增長、單車價值量提升的雙重驅動下，未來新能源汽車熱管理系統(tǒng)的市場規(guī)模將迎來迅速增長，市場空間巨大。（1）全球市場：預計 2018年、 2020 年、 2025 年新能源乘用車熱管理系統(tǒng)的市場空間分別為 97 億、 220 億、 578 億，其中 2017-2020 年 CAGR 約為 52%。（2）國內(nèi)市場：預計 2018 年、 2020 年、 2025 年新能源乘用車熱管理系統(tǒng)的市場空間分別為 32 億、 78 億、 203 億，其中 2017-2020 年 CAGR 約為 57%。

全球新能源汽車熱管理系統(tǒng)市場規(guī)模及預測（單位：億元）

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    行業(yè)趨勢： 電池熱管理是核心， 空調技術壁壘提高

    電池熱管理是核心，熱管理重要性提升

    電池熱管理系統(tǒng)對新能源汽車動力系統(tǒng)及整車的影響程度提高。 動力電池是新能源汽車的核心，動力電池的最佳工作溫度區(qū)間一般在 20-35℃的狹小窗口下， 溫度高低直接影響電池系統(tǒng)的壽命、性能以及安全。溫度過高時，動力電池系統(tǒng)的電池性能和循環(huán)壽命下降，嚴重時甚至導致燃燒、爆炸等后果；溫度過低會影響電池的充放電性能和使用壽命。因此， 與傳統(tǒng)燃油車一般只需對發(fā)動機制冷管理不同，電動車熱管理系統(tǒng)需要同時具備對電池進行冷卻、加熱的功能， 其在動力系統(tǒng)及整車中的重要程度顯著上升。

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溫度對鋰電池充放電次數(shù)的影響

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溫度對鋰電池電量的影響

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    電動車量變到質變，液冷技術趨勢已現(xiàn)，技術壁壘加大

    動力電池熱管理系統(tǒng)主要技術路線分三類：風冷、液冷和相變材料冷卻。 在動力電池熱管理中，冷卻系統(tǒng)最為重要。 目前，動力電池冷卻方案按照傳熱介質的不同，主要分為三類，分別是：風冷、液冷和相變材料冷卻。

電池冷卻技術分類

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    1） 風冷，是應用最早的冷卻技術。 風冷是以低溫空氣為介質，利用熱的對流，降低電池溫度的一種散熱方式，分為自然冷卻和強制冷卻（利用風機等）。自然冷卻技術在早期的商用車應用較多，主要是在電池包一端加裝散熱風扇，另一端留出通風孔，使空氣在電芯的縫隙間加速流動，帶走電芯工作時產(chǎn)生的高熱量。稍微復雜的風冷系統(tǒng)則是配合汽車自帶的蒸發(fā)器為電池降溫。風冷在早期的電動乘用車應用廣泛，如 Nissan Leaf、 KIA Soul EV 等，在目前的電動客車、電動物流車中也被廣泛采納。國內(nèi)風冷技術與國外水平基本相當，能夠在低成本的情況下，達到良好的散熱性能。

    2）液冷，是目前電池熱管理的優(yōu)選方案。 液冷技術是基于液體熱交換的冷卻技術，可與車輛的冷卻系統(tǒng)整合在一起，冷卻、加熱速度快，但是液冷系統(tǒng)更復雜、重量大、維修和保養(yǎng)難度高。液冷包括冷卻液冷卻和制冷劑冷卻兩種方式，前者目前在電動乘用車得到了廣泛應用，后者又稱“直冷”，利用制冷劑(R134a 等)蒸發(fā)潛熱的原理，在整車或電池系統(tǒng)中建立空調系統(tǒng)，完成電池系統(tǒng)冷卻。部分豪華車型應用直冷系統(tǒng)進行電池冷卻，如奧迪 A6PHEV、寶馬 i3、奔馳 S400 等。

冷卻液液冷技術原理

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制冷劑液冷技術原理

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    3）相變材料熱管理具有良好前景，但尚需進一步開發(fā)。 相變材料（PCM， Phase ChangeMaterial）是指隨溫度變化而改變物質狀態(tài)并能提供潛熱的物質。在電池放電時， PCM 吸收熱量，發(fā)生相變，并將能量以相變潛熱的形式儲存下來，在電池充電或不工作時， PCM 將熱量排放到環(huán)境中去。相變材料熱管理方式不需要復雜結構設計、不需要耗費額外能量，在寒冷天氣下也可以為電池保溫，具有良好的前景，但要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還需進一步的研究和開發(fā)。

相變材料冷卻技術原理

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    長續(xù)航需求驅動電池包容量增加，熱管理技術要求提升，液冷技術趨勢明顯。 從政策導向和主機廠需求來看，未來動力電池的發(fā)展目標是高續(xù)航、長壽命和大功率快充。相應地，必須建立更高效的熱管理系統(tǒng)滿足需求，風冷由于冷卻能力不強只能在小型功率且良好工況下使用，而液冷效果更適用于大型功率或者復雜工況。具體到車型，高端電動車更多采用液冷技術，而經(jīng)濟型電動車主要采用風冷方式；聚焦單家車企，江淮、比亞迪等車企的車型演進體現(xiàn)了明顯的從風冷到液冷的技術趨向。電池熱管理行業(yè)的技術壁壘在提升。相比于風冷，液冷系統(tǒng)新增了電動壓縮機、電池冷卻板、冷卻器等核心部件，結構相對復雜，設計、維修和保養(yǎng)難度更大，對廠商的技術要求更高。因此，伴隨著電池包容量增大、冷卻技術由風冷向液冷轉變的趨勢， 電池熱管理行業(yè)的技術壁壘將會提高。

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    PTC 制熱耗電降低續(xù)航里程， 熱泵技術是未來主流

    新能源汽車空調制熱耗電高，續(xù)航里程有影響。 傳統(tǒng)汽車利用發(fā)動機機械能驅動壓縮器制冷，利用發(fā)動機余熱制熱，空調系統(tǒng)的運行對整車的性能影響較小。相比于傳統(tǒng)汽車，新能源汽車空調制冷和制熱都需要電池包提供能量。眾所周知，新能源汽車目前一個突出的缺點是續(xù)航里程較短，而空調系統(tǒng)持續(xù)耗電會減少汽車的續(xù)航里程，極大地影響了整車的性能。

空調制熱縮短對新能源汽車續(xù)航里程的影響

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    ①電動汽車空調制冷過程的壓縮機需要電池包提供電能。 新能源汽車空調制冷的壓縮機動力源由燃油發(fā)動機提供變成電動車自帶的電池包提供，因此采用的是電動壓縮機， 而制熱則由原先的發(fā)動機余熱提供變成由電池包提供電能轉換成熱能來提供。②傳統(tǒng)汽車空調制熱主要利用發(fā)動機余熱， 新能源汽車的制熱系統(tǒng)現(xiàn)在主要采用電加熱來實現(xiàn)。對于傳統(tǒng)汽車， 由暖風水箱吸收發(fā)動機運行中產(chǎn)生的大量熱量，再通過鼓風器和風道將暖風吹至車廂內(nèi)，以實現(xiàn)供暖。這一方面給車廂提供了制熱的效果，另一方面也降低了發(fā)動機運行的溫度。 對于新能源汽車， 采用電加熱設備制熱，其中最常用的是 PTC 加熱器。

    PTC 是一種直熱式電阻材料，具有正溫度敏感性，它的電阻隨著溫度的變化而急劇變化，外界溫度降低， PTC 的電阻也隨之減少，發(fā)熱量反而會增加。如果高于 85℃，則 PTC 電阻變得極大， PTC 會自動停止工作。

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    熱泵空調是目前最優(yōu)的新能源汽車供暖技術。 目前汽車空調供暖有兩種方式： 1） 利用發(fā)動機產(chǎn)生的熱量給車內(nèi)供暖； 2）加裝電加熱棒、加熱片（PTC）， 產(chǎn)生暖風。 新能源汽車采用電機取代發(fā)動機提供動力， 電機余熱非常少， 從而無法采用第一種方式。而第二種加裝加熱片的方式則會消耗大量電能，對車輛續(xù)航里程產(chǎn)生很大影響。為兼顧供暖效果和續(xù)航里程，新能源汽車亟需新一代空調技術，而熱泵空調是新能源汽車的最佳選擇之一。熱泵空調系統(tǒng)最高可降低三分之二電耗。 熱泵空調技術原理和制冷系統(tǒng)相似，主要由壓縮機、 蒸發(fā)器、節(jié)流元件、 冷凝器構成，但互換了蒸發(fā)器和冷凝器的位置。 熱泵空調供暖技術更為巧妙，并非依靠電能制熱，而是將車外熱量“搬運”到車內(nèi)，以提升車內(nèi)溫度： 1） 蒸發(fā)器吸收車外空氣的熱量； 2） 冷凝器將熱量釋放給車內(nèi)空氣， 從而實現(xiàn)車外熱量的向內(nèi)傳導。 與加裝加熱芯子相比， 熱泵空調最高可降低三分之二電耗，緩解電動車的“里程焦慮”現(xiàn)狀。

熱泵空調系統(tǒng)工作原理圖

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    應用層面來看， PTC 加熱器是主要加熱方式，包括 Tesla-Model-S、通用 Bolt、比亞迪宋 DM 等在內(nèi)的主流電動車使用 PTC 加熱器制熱。部分電動車也有采用熱泵空調系統(tǒng)，例如：奧迪 Q7、日產(chǎn) leaf、寶馬 i3、大眾 e-Golf、豐田 Prius 等。熱泵系統(tǒng)未來具有較大的市場發(fā)展空間， 熱泵空調系統(tǒng)處于研發(fā)應用階段， 最大的挑戰(zhàn)在于室外換熱器的結霜問題。 在環(huán)境溫度低于 0℃且小于濕空氣露點溫度時，換熱器表面在短時間內(nèi)就會被霜層堵塞，使熱泵系統(tǒng)無法工作。 但隨著技術研發(fā)的不斷深入，熱泵未來會廣泛應用于新能源汽車的空調系統(tǒng)。

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    相關報告：智研咨詢發(fā)布的《2018-2024年中國熱管理系統(tǒng)市場專項調研及投資前景分析報告》