0、摘要
中国汽车工业从 2001 年加入 WTO 之后已经发展了 20 多年，也在向“四化”进行转型和升级，汽车 空调产业也在向汽车热管理进行转型，产业发展也从快速增长向波动性多样性稳定增长演进。尤其在国家 推进“双碳”政策目标的新形势下，产业也将面临包括技术创新、产品创新、制造创新的多重挑战，本文对于 行业已经发生的变化进行了回顾，对未来变化趋势进行了剖析，有助于洞悉技术发展趋势及其对行业的影 响。需要我们从用户需求、法规标准、技术开发及技术应用成本几个方面重新进行考量和寻找有效的技术 对策。通过法规标准和市场拉动的双轮驱动，在整车厂和车辆热管理系统厂商的合作和共同努力下，积极 探索支撑产业发展的技术实现路径，做好产品开发和品质提升，促进汽车热管理产业的健康、有序、高效 发展。
从 2001 年加入 WTO 以来，中国汽车产量从 153 万辆发展到 2020 年的 2523 万辆，经过了 20 多年的快速发展，开始进入波动的、多样的发展阶 段。2020 年中国政府提出 2030 前碳达峰、2060 前碳中和的“双碳”政策目标［1］，国务院办公厅也发 布了《新能源汽车产业发展规划( 2021—2035) 》的规划纲要［2］，汽车行业也在积极制定应对策略，努 力向绿色制造、高质量发展的产业转型和升级。汽车热管理产业随着新能源汽车的发展也成为汽 车行业持续和重点关注的焦点，技术上在向“智能 化、高效化、电动化、舒适化、环保化、安全化”进行演进［3］。
1 、汽车热管理行业的现状和未来变化趋势
汽车热管理产业是汽车大产业上的一个支撑产业。据中国汽车工业协会发布的数据显示，2021 年，中国汽车行业在新冠疫情下还是取得了不错的成绩。汽车总产量 2608．2 万辆，销量 2627．5 万辆， 分别同比 2020 年提升了 3．4%和 3．8%。
笔者对 2021 年细分车型数据进行了结构性分析( 表 1) ，可以看到: 1) 乘用车为正增长，商用车为负增长，商用车中主要是货车产量在下降; 2) 乘用车中各车型产量都是正增长; 3) 2020 年乘商比 为 3．9 ∶ 1，而 2021 年乘商比达到 4．5 ∶ 1，乘用车的产量贡献占比增加了。
从表 2 对产能利用率的统计分析可以看出: 2020 年中国汽车工业的产能利用率为 52．5%，仍低于主要发达国家的产能利用率，汽车产能利用率 的提升也将有助于汽车热管理产业的规模扩大。
为了显性分析中国汽车行业的隐形变化规律，笔者采用销量奇点分析法，对 2000—2021 年销 量数据进行奇点化处理。图 1 所 示 为 2000— 2021 年中国汽车销量的奇点分析结果。
从图 1 可以看到，汽车行业在 2010 年出现了增速第一个拐点，2016 年出现第二个拐点，2016 年 之后开始出现波动性、多样性变化，并且面临很大 的不确定性，其中既有新能源汽车产业发展、政府 政策导向和宏观经济调控、交通出行工具的结构性转型带来的，还有国际政治博弈和贸易保护等带来的。
2021 年中国汽车热管理产业已经发展到 2 618．2万套，与 2020 年相比增加了 5．09%，产业规 模在 656．8 亿元，其中新能源汽车热管理 2020 年新增 119．69 亿元左右。
中国新能源汽车市场在 2021 年继续增长，新能源汽车销售总量达到 352．1 万辆，比 2020 年增 长 157．5%，在全球新能源市场占比超过 44%，成为全球单一最大新能源汽车市场。
新能源汽车市场从 2012 年到 2021 年的发展 呈现 了 3 个 台 阶，2012—2014 年 平 均 渗 透 率 0．15%、2015—2017 年平均渗透率 1． 96%、2018— 2020 年平均渗透率 4．85%，2021 年达到 12．66%， 已经进入市场驱动的增长通道。
但是新冠肺炎疫情的延续和芯片短缺，给汽车行业还是带来一定的冲击，根据中国汽车工业协会在 2022 年 1 月预测，2022 年中国汽车销量将 继续提升 5．4%以上，至 2 750 万辆左右［4］。政府推出补贴政策延后和购置税减免、汽车下乡等政策， 将会进一步促进新能源汽车的产销。预计 2022 年新能源汽车产销量会达到 500 万辆，渗透率 18% 左右，新能源汽车热管理系统新增产值在 226． 68 亿元左右。
汽车热管理行业也在发生整合和并购，2020 年上海电气集团下属海立电器收购了马瑞利集团 下属 CK 热系统业务，2021 年海信集团收购了日本 三电的热系统业务，德国马勒收购了日本京滨的 热系统业务。
2 、新能源汽车带来的机遇和挑战
2021 年 2 月 20 日工业和信息化部组织制定 的 GB 19578—2021《乘用车燃料消耗量限值》强制性国家标准［5］由国家市场监督管理总局、国家标 准化管理委员会批准发布，于 2021 年 7 月 1 日起 正式实施。2025 年乘用车的平均油耗目标要达成 4．0 升/百公里。
新能源汽车的发展给整车热管理产业带来了 发展的机遇。新能源汽车热管理系统在原来传动动力空调的基础上增加了电池热管理模块、电机电控热管理、能量流智能控制及智能运维保障三个领域，包括电动压缩机、电子水泵、电池冷却器、 电子膨胀阀、膨胀水壶、温度传感器、高压 PTC 水 加热器、回路阀件、电池冷板等零部件及水回路集成及控制。
作为系统供应商，都希望依托现有的技术储 备和优势，推出平台化的产品和解决方案，并通过供应链的整合、研发资源的优化、先进制造经验的共享，最大化地发挥协同效应。以电气核心功率器件为例，博格华纳的专利封装技术不仅做到了双面散热的高功率密度，而且还实现了硅和碳化硅技术的无缝切换。
联合电子在三合一电驱动系统中对电机采用扁线电机，二代分离式电机是分布式绕组永磁同步电机，采用高可靠性的扁线技术，与普通绕线电 机相比，采用两端激光焊接的工艺，满足了高功率 高扭矩密度的要求，电机效率从 95%提升到 97%， 设计得更小更轻，而且基于电磁多目标设计优化， 降低了电机的噪声。
汽车电动化的市场需求也在推动技术进步， 800 伏高压纯电汽车产品从研发到量产，就是满足市场对于 15 min 快充技术的要求。快充技术的应用可以缓解里程焦虑和对电池的过度依赖。15 min 快充的技术基础是 4C 的充电技术，今后还会向 8C 的充电技术发展。高电压化也会成为一个发展的趋势。比利时索尔维公司还在与客户一起研发长效、安全和免维护的多合一电驱动系统的热管理系统，该系统基于索尔维的特种氟流体 GaldenⒸ PFPE 的精确控制而实现，在提升系统安全性 和集成度的同时，减少了系统的维护成本。电动 化的趋势将使电动汽车的电气部件设计进一步向 提高电压等级、降低封装空间和重量、以及承受长 期高温工况的方向发展。高阻燃性、耐高压电性、 耐腐蚀性都是高压材料所需要具备的保障安全的 基本性能。
对于纯电动汽车而言，用户的里程焦虑和电池热失控起火爆炸一直是行业的焦点问题，热管理系统效率和电池热管理性能的高低，直接影响车辆续航里程和电池安全性。因此，需要从两方 面入手: 1) 通过研究整车能量流管理技术、优化空调系统控制算法，从而降低热系统功耗、提升热系统效率; 2) 通过基于安全考虑的电池包及模组的 冗余换热设计，精细化标定电池热管理控制参数， 实现电池温度的精确控制。
整车系统有多个热管系统在车上应用，不光 要解决单个热系统高效运行问题，还要解决多个 热系统之间高效协同问题，以及解决整车热量回收 和再利用问题，达成整车全能量效率最高的目标。
3、 汽车热系统发展和技术路径
新能源汽车热管理范围延伸到了乘员舱、电 池、电机电控、ADAS 智能系统及充电线充电站桩等周边设备，针对新能源汽车热管理在低温下的制热不足、效率低下引起的行驶里程缩减、电池过热及安全预警和控制等一系列技术问题，主要在电动化、高效化、智能化、环保化、舒适化和安全化 等 6 个方向进行场景化技术开发和设计优化［6］。
电动化主要是制冷制热循环驱动电动压缩机、电子水泵、电子加热器、电子膨胀阀的技术开发。高效化主要是从能量全效率角度出发进行电 机电控及电池的余热回收和再利用、热泵制热循环设计、热量储存和释放、快速大热流密度导热等 方面技术的开发，热泵系统重点在制冷制热回路 架构开发和高效制冷剂的组合开发，包括从两换 热器回路到三换热器回路、带中间换热器的补气 增焓回路、双级压缩回路的迭代升级，制冷剂的选择包括 Ｒ744、Ｒ1234yf、Ｒ290、Ｒ410A、Ｒ32 等，全能量效率优化以电池能量利用率作为全效率计算和优化的基准目标，技术开发主要在电机电控余热 回收和再利用的水回路架构、制冷剂回路的电子 化精确控制回路、冷却液回路和制冷剂回路的热 交换器应用、方向盘和座椅的局部加热、场景化的 分区能量分配和分区温度控制、热量储存和释放 ( 蓄冷蓄热技术) 、远程标定等。智能化是针对乘员舱内温湿度精确控制、电池冷热温度控制、智能识别乘员和电池热负荷需求变化和智能响应以及物理操作器的人机界面( 包括语音识别、手势识别 等) 、远程预冷预热控制、远程标定和远程故障诊 断等方面进行技术开发。环保化主要是从再循环材料、低 GWP 制冷剂的使用和替代( 应对欧盟对 汽车热管理用制冷剂 GWP 值小于 150 的法规要 求) 。舒适化主要是从解决乘员舱的空气质量( 包 括空气 TVOC、PM2．5、二氧化碳浓度、杀菌消毒) 、 热舒适性( 包括快速降温、快速制热、模式切换) 、 声舒适性( 包括气动噪音和机械振动) 等方面提升用户感知质量进行技术开发。新冠肺炎疫情发生后，个人用户和公众对杀菌消毒、空气异味、污染 颗粒物等的要求明显增强，车辆厂和热管理企业 都已经在探讨各种现有空气处理技术的复合应用 和产品推广。声舒适性会在新能源汽车领域得到 更多的关注，因为热管理系统的气动噪音和振动 已经变得更加突出，做得不好就会成为用户的最 大抱怨点。安全化主要针对电池热失控预警和控 制进行的技术开发，电池热失控已经成为电池热管理的安全考虑重点，热失控的关键要素识别、热 失控的测试和探测、热失控预警和控制的系统性 架构模型和执行系统都会成为电池包及电动车企 业关注焦点和开发重点。2021 年电池热管理技术领域已经引入主动冷却技术，包括空气强制冷却、 冷却 液 强 制 冷 却、制 冷 剂 强 制 冷 却、热 管 技 术、 PCM 相变技术等，冷却介质入口温度按照电池发 热量的变化受到更严格控制，极大地降低了电池 热失控的风险，同时也使得电池在最合适的温度 范围内工作。
整车企业对热管理系统的重视程度也越来越高。一是由于热管理系统的重要度和成本比重都在上升，主机厂必须加以重视。对传统燃油车来说，热管理系统服务的是整车的次要性能，燃油车仅需要考虑热安全和热害等，而热害也只出现在极限工况。而新能源汽车热管理涉及到快充、续航这类每次出行都会遇到的问题，如果不在热管理上下功夫，整车核心性能会受到重大影响。二 是因为新能源汽车热管理系统的复杂程度增加了 很多。原来只要考虑发动机冷却、乘员舱空调，但 现在加上新能源汽车三电系统，集成难度大幅增 加。中汽研 每 年 更 新 的《EV-TEST ( 电 动 汽 车 测 评) 管理规则》，主要关注了车主的两大痛点——— 高低温充电时间和续驶里程，而这两个关连电动 汽车核心性能的问题刚好和热管理系统直接相 关。热管理系统既要保证高低温快充时间不超 标，也要保证高低温续航里程衰减不过大。
在关键电动压缩机和控制阀等零部件研发 上，国内零部件企业还需要提升研究深度。
整车热管理除了满足舒适性要求外，车内空 气的健康已经逐渐成为终端用户关注的一个焦 点，新冠疫情催化了用户需求。因此，整车热管理 系统也会更加注重提升车内空气品质，不仅仅是 过滤除尘、去除异味、降低 VOC，还包括杀菌消毒 等功能［7］。医疗卫生领域的健康技术与汽车领域 技术融合是未来汽车热管理技术发展的一个跨界 新趋势。长安汽车已经明确要打造“健康汽车”的 品牌标签。
目前主机厂的大部分区域控制系统还是要靠 系统供应商去实现，由于区域控制系统已经影响 到整车性能和整车成本，所以今后会出现一种趋 势———主机厂会试图掌握热管理控制系统的主导 权，把热管理系统的智能控制集成到主机厂的整 车控制器，从一个个单独的控制器渐渐上升到域 控制器。
智能控制需要软件能力，不少主机厂正在“转 型”，招募大量软件人才，原因之一也是他们意识到热管理将不光局限在机械、热力学等方面，控制 系统软硬件都要下功夫，以前的燃油车热管理系 统很少涉及到精细化控制，但现在不一样了。可 以说，现在的整车热管理和以往最大的差异之一， 就是集成化、模块化和智能化。
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。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。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，36%的电动车已经采用热泵技术，预 计 2026 年会达到 60%以上。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。
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: 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( 如前述系统优化、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。
对于上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。国内外竞争厂商在热泵空调 技术开发上基本上还是齐头并进、各有千秋，都 覆盖制冷、制热、除湿、预冷、预热以及多种混合 模式的乘员舱和电池热管理要求，在 乘 用 车 领 域国外技术商业化量产比国内略早，在 大 型 客 车领域中国厂商还是相对领先［8］。
4 、结论与展望
汽车热管理产业发展在未来五年中还是机遇 大于挑战，但需要在以下几个方面进行努力和突 破: 1) 借助政府提出的“双碳”目标引导，在整车 企业的引领下进行整车热管理系统的集成式核心 技术开发; 2) 积极推动核心零部件企业通过产学 研用的模式进行技术创新和技术突破，形成自主知识产权和商业化量产能力; 3) 重视对智能化及 大数据方面的软件开发投入和热管理的人才培 养; 4) 行业协会制定新能源汽车热管理系统能效 标准和评价准则，建立公开公正的第三方测试评 价体系; 5) 政府在未来一段时间内继续推动研发 补贴、能效补贴和专利联盟补贴的方式，疫情下要 适度延缓退坡幅度和速度，助推新能源汽车热管 理的技术进步和产业规模化提升; 6) 从产业资本 投入和税收方面支持产业链核心企业的发展，优 化产业链、提高产业集中度; 7) 发挥行业协会作 用，促进跨行业的技术交叉和复合创新，加强对核 心企业的热管理系统及零部件的技术开发能力和 产品质 量 监 督，促进高质量产品应用和高质量维护。
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