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新能源车空调与汽车HVAC漫谈

原标题:新能源车空调与汽车HVAC漫谈

文/周彦武 佐思产研研究总监

HVAC:是英文HeatingVentilatingAirConditioning的缩写,即采暖,通风与空调;指安装在仪表板下具有加热、通风、空气调节功能的单元,包括进气单元,鼓风单元,空气净化单元,制热单元,制冷单元,分发单元。包含鼓风机总成、加热器芯体、蒸发器芯体、混合风门、模式风门、压缩机等主要部件。2017年全球汽车HVAC市场规模大约为450亿美元。

2016-2017年全球五大汽车HVAC厂家收入排名(亿美元

2016 2017(预估)
DENSO 125.6 129.5
VALEO 50.6 58.5
HANON 49.6 48.2
MAHLE 47.1 48.5
CALSONIC 22.5 23.0
SANDEN 18.4 19.2

全球HVAC产业集中度很高,前五大市场占有率达68%。这其中HANON是韩国企业,在2013年中期收购了伟世通的HVAC业务,德国MAHLE的HVAC业务则来自两大收购,一是自2010年开始陆续收购Behr工业,二是在2015年7月以7.3亿美元收购德尔福的HVAC业务。CALSONIC则是日产的控股子公司。

2016年全球轻型车空调压缩机主要厂家市场占有率

汽车空调的核心部件是压缩机,全球市场集中度极高,前五大市场占有率达84%。韩国企业一向以大规模投资制造规模效益为策略,HANON预计到2020年其市场占有率可达18%。HANON目前压缩机产能为1300万部,其中欧洲区域产能320万部,韩国本土产能630万部,中国区产能350万部。未来将加大中国区产能扩展,预计到2020年达500万部。中国上市公司奥特佳(AOTECAR)目前全球第四,2016年出货量为758万部。

汽车空调压缩机分三类,分别是发动机带动的皮带机械式,面向弱混(Mild-HEV)的皮带与电动机驱动兼顾的混合式,还有面对纯电动车的电动压缩机。

2016年汽车空调电子压缩机主要厂家市场占有率

2016年全球汽车空调电子压缩机出货量大约204万台,日本电装市场占有率超过50%,中国的奥特佳出货量14.25万台,市场占有率7%,排名全球第四,中国第一。上海海立出货量8.1万台,全球排名第五,中国第二。

汽车空调压缩机下游配套客户

中国汽车厂家对应的压缩机厂家

华域与三电合资的华域三电汽车空调是目前国内最大的汽车空调压缩机厂家,2016年出货量大约820万台,是上海大众、上海通用、一汽大众、长城轿车核心供应商,南京的本土厂家奥特佳紧随其后,2016年出货量达758万台,主要客户包括上汽通用五菱、东风日产、长安汽车、吉利汽车、奇瑞、比亚迪、江淮、东风神龙。日系厂家则主要由电装提供压缩机。

汽车HVAC下游配套客户

汽车Condensers / Cooling Modules下游配套客户

对新能源汽车来说,空调是除去行驶系统外最耗电的系统,空调系统用电功率连续存在,启动初期消耗功率更大,夏季由于空调系统的运行,续航历程减少大约20-30%,冬季如果采用PTC加热,续航里程将减少大约30-40%。

对于制冷,主要努力方向为提高压缩机效率。

电动汽车空调的制冷系统与传统汽车基本相同,主要由一体化压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器和储液干燥器等五大部件组成。另外,还增加了电气系统的空调驱动器。使用泵气效率较高的涡旋式压缩机是电动汽车空调的一个共同特点,与其他诸多类型的空调压缩机(如斜盘式、曲柄连杆式、叶片式等压缩机)相比,涡旋式压缩机具有振动小、噪声低、使用寿命长、重量轻、转速高、效率高、外形尺寸小等多个优点,更符合电动汽车的空调使用要求。

在压缩机整个工作过程过程中,所有工作腔均由外向内逐渐变小且处于不同的压缩状况,从而保证涡旋式压缩机能连续不断地吸气、压缩和排气。虽然涡旋式压缩机每次排出制冷剂的气量较小,其排出量为27~30立方cm3,但由于其动涡盘可作高达9000~13000r/min的公转,所以它的总排量足够大,能满足车辆空调制冷的需求,当然压缩机的功耗也较大,可达4~7kW。

驱动电动汽车空调压缩机运转的是三相永磁同步电动机,而向空调三相电动机供电的则应是三相高压交流电。电动汽车的电池只能提供直流电,为此必须要将电池直流电转换为交流电,这个任务就由变频器承担,由它产生向空调压缩机和三相永磁同步电动机供电的交流电源。要提高压缩机自身的效率已经没太多可挖掘的空间了,永磁电机效率也达到了95%以上,没有多少提升空间。主要就是提高变频器效率和优化控制策略。变频器的核心部件一般是6个IGBT管,这也是变频器中最昂贵的部件,基本上被日本厂家和英飞凌垄断。下一步则是SiC,效率可以提高大约10%,日本已经拥有非常成熟的技术,三菱和丰田都有相关产品用在新能源车上,国内目前连小功率IGBT都不够成熟。控制策略方面就是尽量减少空调的频繁启动,根据温度来控制压缩机转速。不仅需要车内温度传感器,还需要车外温度传感器和日光传感器,甚至车内湿度传感器。

新能源的制暖更加关键,燃油汽车空调系统的暖风热源主要由发动机冷却液提供,几乎不消耗功率,非常高效,而电动车就麻烦了。目前主要有两个技术方案。一个是PTC,一个是热泵。

PTC是一种直热式电阻材料,通电时将会产生热量,可供空调制热。一般电动车空调内部有8条PTC发热元件,由空调驱动器将蓄电池高压电源向每条元件供电,功率可达300~600W,用于对冷空气或冷却液的加热。PTC电阻是一种具有正温度敏感性的典型半导体电阻。刚对元件通电时,其电阻会随着温度的升高而呈现缓慢下降的趋势,也就是其常温下的发热量较低。而当温度超过“居里温度”时,它的电阻值会随着温度的升高呈阶跃性的增高,在狭窄温度范围内,如达到250℃温度时,其电阻值会急剧增加几个至十几个数量级,即电阻变得极大,这就是所谓非线性PTC效应。吹出气体的温度最高可达85℃,完全可满足空调制热的要求,如果高于85℃,则PTC电阻变得极大,实际表现为自动停止工作。作为加热用的陶瓷 PTC元件,具有自动恒温的特性可省去一套复杂的温控线路,其工作电压可高达1000V,可由电动压缩机变频器供电。

前期的制热装置采用PTC发热条,直接将冷空气加热为热空气,再用风机吹出热气的方式。这种方式效率最高,但是1000V高压进入驾驶舱,可能造成电路短路或漏电,比较危险。现在的制热多采取水为介质,将水加热后送到空调风道的散热器,再经风机吹向车厢内或风窗玻璃,用以提高车厢内温度和除去风窗玻璃的霜雾。这种做法不仅增加成本,效率也降低了,但是保证了安全,是目前的主流。

PTC方式,功耗很高,极端情况下,会让续航里程减少一半。于是热泵型出现了。

上图为热泵型制热系统原理图,还是比较简单的,有些系统不用四通阀,可能是可靠性不高(也有人认为是效率低),可以用增加两个电磁阀,再增加热交换器来解决。热泵型效率比PTC提高不少,但是也有几个明显缺点。首先是设计方面,需要对全车的HVAC系统重新设计,国内没有这个能力,也不想费那么多精力。其次是低温运行时效率较低,零下15度以下效率特别低,还好中国除了东北,大部分地区没有这么冷。

要解决低温问题,需要更高效的直流涡旋压缩机,更精准更节能的硅电子膨胀阀,更高效的过冷式平行流冷凝器,改善微通道蒸发结构。这一切都会变成成本。最后,在热泵工况下,系统从融霜模式转为制热模式时,风道内换热器上的冷凝水将迅速蒸发,在风窗玻璃上结霜,影响驾驶的安全性。需要设计除霜系统。

不过通常在测试续航里程式都不会开空调,因此使用热泵型的电动车在数据上看不到丝毫优势,但热泵型增加成本不少,又不能在数字上炫耀,加上寒带地区只有挪威比较喜欢电动车,所以热泵型使用车型不多。只有日产的聆风、现代的Ioniq、宝马i3(选装)、大众e-golf(选装)雷诺ZOE。特斯拉采用了PTC。

未来如果二氧化碳制冷剂取代氟利昂,热泵型效率会进一步增加,同时二氧化碳制冷剂更环保。早在1869年美国人就利用二氧化碳作为制冷剂制造了一台制冰机,由此拉开了二氧化碳作为制冷工质的百年运用之路。在氟利昂等人工合成制冷工质还没开发出来之前,二氧化碳虽然不是早期制冷剂的唯一选择,但其在早期食品行业和民用建筑空调等领域占据了主要地位。然而,人工合成制冷剂出现后,二氧化碳则被迅速冷落而退守一角。自蒙特利尔议定书签订来,关于CFCs和HCFCs替代物的广泛研究一直没有间断。虽然目前新的替代工质已经开始商业化生产,但人们发现新的替代工质并不能满足“长期”替代物的要求,大部分新工质都有较高的温室效应指数或者其它显性及潜在缺陷。因此,天然工质的应用仍是人们的首要关注点,特别是对二氧化碳的有些应用。

二氧化碳作为制冷剂具有高密度、低粘度,流动损失小、传热效果良好等优点,并且通过对传热作用的强化,可以弥补其循环不高的缺点。同时二氧化碳的环境性表现优良、费用低易获取、稳定性好、有利于减小制冷装置体积。当然,采用二氧化碳为制冷剂也有相应的高要求,二氧化碳相对较高的临界压力和低的临界温度也给它做制冷剂带来了许多难题。无论亚临界循环还是跨临界循环,二氧化碳制冷系统的运行压力都将高于传统的制冷空调系统,这必然会给系统及部件的设计带来许多新的挑战。

不过国内对二氧化碳制冷尚处在实验室研究阶段,虽然中国生产了全球80%的空调,但技术很落后。欧美则已经有小批量商业化。

电动车还有一项与燃油车最大不同,就是电池对温度变化很敏感。低温下(一般是0-5度),一般是不允许给锂电池充电的,锂电池充电是锂离子从正极脱出经过电解液迁移嵌入负极材料的过程。在低温环境下,化学反应活性降低,同时锂离子迁移变慢。在负极表面的锂离子还没有嵌入到负极中已经先还原成金属锂并在负极表面沉淀析出形成锂枝晶,即所谓的“析锂”。锂结晶沉积会刺穿隔膜造成电池内短路进而引起电池鼓包。也充不进去电。同时低温也会导致锂离子电池效率急速下降。

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