新能源汽車熱管理技術的最大突破來自于熱泵技術的進一步普及和推廣。
01
何為熱泵技術？
新能源車的熱泵技術是解決純電動車冬季續行裡程變短的有效方案。利用空調的“逆卡諾”循環，熱泵可将車外低溫空氣中的熱量，“泵”至相對高溫的乘座室内。冬季使用熱泵空調制熱，與使用傳統PTC制熱相比，可降低60%的能耗，增加約25%左右的續行裡程。
傳統空調的制冷原理，是利用制冷劑的物态變化，由氣态變液态會散發熱量，而由液态變氣态則會吸熱的原理。用于車内制熱的“逆卡諾”循環與傳統空調的制冷原理相反，利用一個“四通電磁換向閥”，即可實作制冷循環或制熱循環，使車内得到冷氣或熱氣。空調制冷劑在循環中，利用了高溫高壓氣體在冷凝器裡液化成高壓液體過程中，會釋放出大量熱量，這就是熱泵放熱的原理。冬天利用換向閥可改變空調制冷劑的流向，此時使蒸發器在反向循環中充當冷凝器放熱，形成“熱源”。此時隻消耗小部分電能，就能将外界大量熱量，搬運“泵”進純電動汽車内，成為熱泵。不過，熱泵在低溫環境下制熱效果還有待提升。
目前，熱泵系統從兩換熱器回路架構到三換熱器回路架構、帶中間換熱器的補氣增焓回路架構、雙級壓縮回路都有熱管理系統供應商在進行開發，部分廠家已經通過台架測試并且裝車，實作了部分量産。
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如奧迪e-tron、大衆 iD3、理想汽車ONE、小鵬P4、上汽乘用車ei5和Marvel X、一汽轎車B30EV、比亞迪的漢、蔚蘭汽車ET7、廣汽Aion LX、長安汽車C211EV4、特斯拉model Y等，36%的電動車已經采用熱泵技術，預計2026年會達到60%以上。
同時，零部件內建度也在不斷提升，超級水壺和8通閥的導入，空調ECU被整合到整車ECU架構中。主動冷卻和主動加熱技術已經成為電池熱管理的主流技術選擇，并且在74%的新能源汽車上采用液冷技術，中進階轎車已經全面采用液冷技術。
“octovalve（八向閥）” ——特斯拉Model Y的HVAC系統核心
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02
熱泵系統的技術難點
目前，新能源汽車熱管理系統仍亟需解決熱泵系統應用的技術難點如下：
1）熱泵系統需要針對不同應用場景進一步優化與簡化。熱泵技術的應用也在和電池能量密度有強相關性，每kWh電池成本下降速度與熱泵每kW成本下降速度在進行比賽，也決定了熱泵技術的應用推廣速度和深度。目前提出的熱泵系統回路控制元件仍顯較多，系統控制仍較複雜，系統可靠性不高；
2）電動零部件內建化和子產品化需進一步提高。如電子膨脹閥和電池冷卻器的內建化、四通換向閥及系統可靠性和耐久性等；
3）熱泵工況下系統性能進一步提升。尤其是在-30℃北方使用場景下，R134a/R1234yf系統性能急劇降低，制熱量不夠、功耗增加，同時車室外換熱器在低溫工況如（2℃/1℃環境溫度）下嚴重結霜、系統性能惡化等問題；
4）熱泵系統成本需進一步降低。新能源汽車熱泵系統由于其複雜性和更多零部件，使得其成本相對于正常熱管理系統不具備優勢。一方面需要進一步加大熱泵系統推廣力度，以攤薄設計和開發成本，另一方面通過技術改進（如系統優化、低成本替代材料等）和內建化設計與制造來降低成本；
5）CO2熱泵系統的研發不夠。在環保和熱泵等發展趨勢下，CO2熱泵系統具有天然的制熱性能優勢，在業界受到越來越多的重視，但其中仍有很多技術問題亟需解決，如制冷和制熱性能的平衡考慮、系統高壓安全問題、系統關鍵零部件設計與比對、制造系統更新轉換和改造、售後維修服務系統改造更新等。
大衆ID.4二氧化碳熱泵系統解析
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03
熱泵技術難點的解決方案
對于第二節中所述新能源汽車熱管理技術難點，國内外主要汽車熱管理競争廠商都在做解決方案和産品開發。
在熱泵系統方面，國外有寶馬、特斯拉和大衆等已在電動汽車産品上應用，國内也有一汽奔騰B30EV、上汽榮威Ei5和榮威 Marvel X、小鵬汽車P5都已應用熱泵空調系統。
日本三電還開發了使用CO2的熱泵系統用壓縮機，裝配到奔馳車型上。
國内比亞迪開發和生産了使用R410A的熱泵産品，能夠滿足-40℃極寒環境的整車制熱需要，COP在-10℃時達到3.5，近期，又在研發R290熱泵空調。
上海加冷松芝開發的三換熱器乘用車R134a熱泵空調可以滿足環境溫度-20℃的使用，COP在-10℃達到1.8，并已成功應用在江淮汽車全系新能源車型上和上汽通用五菱mini EV。此外，還開發和量産了帶中間換熱器和補氣増焓制冷回路的超低溫R410A大巴熱泵空調，可以滿足環境溫度-30℃的使用，COP在-20℃達到1.48。
特斯拉在熱泵系統開發上，采用了空氣回路、制冷劑回路、冷卻液回路耦合的系統，将電機電控餘熱回收和再利用加入到熱泵系統中，并在Model Y上進行量産應用。
值得一提的是，特斯拉引入了在非效率區運作電動壓縮機和無刷風機的輔助制熱模式，可以在不增加零部件的情況下充分利用已有零部件進行輔助制熱，大幅提高了制熱能力和制熱能效，又可以有效地降低系統構件成本。
特斯拉ModelY熱泵系統
圖檔來源： 高工新汽車評論
綜上所述，國内外競争廠商在熱泵空調技術開發上基本上還是齊頭并進、各有千秋，都覆寫制冷、制熱、除濕、預冷、預熱以及多種混合模式的乘員艙和電池熱管理要求。不過，在乘用車領域，國外技術商業化量産比國内略早，在大型客車領域，中國廠商仍是相對領先的狀态。
文獻來源：
1、黃國強.汽車熱管理産業發展與技術路徑探索[J].制冷與空調,2022,22(03):78-83.
2、汪貴行,汪宇軒.純電動汽車“熱泵”原理及應用[J].汽車維修與保養,2022(01):42-44.