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新能源汽车热管理行业深度研究报告

时间:2019-09-21 13:08  来源:未知   作者:admin   点击:

  汽车热管理系统是从系统集成和整体角度出发,统筹热量与发动机及整车之间的关系,采用综合手段控制和优化热量传递的系统。根据行车工况和环境条件,自动调节冷却强度以保证被冷却对象工作在最佳温度范围,从而优化整车的环保性能和节能效果,同时改善汽车运行安全性和驾驶舒适性等。广义汽车热管理主要包括发动机冷却系统、空调系统、电池热管理系统等。

  内燃机车辆的热管理策略成熟而稳定,功能上将其分为动力舱热系统和座舱热系统两大部分组成,发动机循环、空调循环、中冷循环三大循环。发动机冷循环总体较为简单,包括发动机散热器节温器、水泵;空调循环主要零部件为冷凝器、压缩机、膨胀阀等;增压中冷系统的作用是提高发动机进气量以提升发动机的动力特性,问题是增压器增压后的空气的温度很高直接进入发动机会加速发动机内润滑油的老化,需要中冷器降低进气的温度,其主要零部件包括增压器中冷器。

  新能源新增电池、电机及电子部件等冷却需求,相当于传统汽车热管理加上三电热管理,同时意味着新能源的热管理策略更为复杂,要求更高:

  1.汽车空调:1)传统燃油车空调系统发动机驱动压缩机工作,而电动车只能采用电动压缩机;2)燃油车制冷过程空调与发动机相对独立,而电动车的三电冷却系统联系紧密,一般电池冷却系统空调系统共用冷源;3)燃油车制热过程是通过发动机作为热源,采用水泵驱动水循环制热,电动车目前多采用PTC加热(热敏电阻),未来趋势是能效更高的热泵空调系统。

  2.电池热管理:动力电池最佳工作温度范围约20-30℃,低温时电池容量较低,充放电性能差;高温时电池循环寿命会缩短,过高温度工作甚至会出现爆炸等安全问题。多个电池单体通过串并联方式组成电池组,在充放电时产生的热量相互影响。动力电池组保持在合理的温度范围内工作需要复杂的电池热管理系统。

  3.电机及功率件热管理:电动车的电机及电控等功率件工作时散热需求较高,通常需要主动冷却,这一类部件往往也只需要冷却装置。

  传统汽车空调系统一般由制冷系统、供暖系统、通风系统、控制系统组成,主要部件包括压缩机、求三星i9000rom多少冷凝器、贮液器、膨胀阀、蒸发器、风扇和管路等。新能源汽车与传统汽车空调系统热管理在驱动力和制热源两方面存在较大差别。

  新能源汽车空调的制冷系统中,由于纯电动汽车没有发动机,压缩机需要靠电力驱动。该系统的基本原理为:电池组的直流电通过逆变器为空调驱动电动机供电,空调电动机带动压缩机旋转,从而形成制冷循环。电动压缩机制冷空调系统对于传统汽车空调系统的改变较小,在结构上只是将压缩机的驱动动力源由发动机变为驱动电动机。

  动力方式不同导致电动压缩机需采用涡旋式,价值量有大幅提升。传统的利用皮带传递发动机功率的开启式压缩机型式已不再可取:1)传统燃油车具备传统发送机所必须的外部动力源;2)新能源车的动力电池让效率更高、集成度更高的涡旋压缩机具备发挥空间。电动涡旋压缩机采用封闭式结构,电驱动与涡旋泵体安装在一个壳体内,结构紧凑,方便且可靠性高,广泛适应于。其固定排量下的效率和噪音均为各类型中最优,但其输出冷量尚显不足,未来增强压力是涡旋压缩机的主要发展方向。同时,电动涡旋压缩机比传统压缩机多出了驱动电机、控制器等结构,使得单车价值从400-600元提升至1500元。

  目前新能源汽车空调制热主要是采用电加热设备,如PTC电加热器(PTC是指正温度系数热敏电阻)。PTC热敏电阻是一种典型具有温度敏感性的半导体电阻,它的电阻随湿度变化而急剧变化,当外界温度降低,PTC电阻值随之减小,发热量会相应增加。流经加热器表面的冷空气被加热后送入车内以实现制热。

  热泵式空调是最理想汽车控温方式。汽车用高效电动空调(热泵)压缩机技术将有效解决新能源汽车没有发动机余热的情况下,汽车空调的制热功能,该项技术将大幅提升能效比。其本质就是热量在不同空间之间的运输,可实现制冷和采暖的功能,换向四通阀和双向膨胀阀是冷热一体化的关键部件。2013款的雷诺Zoe纯电动汽车和2013年以后的日产LEAF就使用了来自日本电装Denso的热泵空调系统。另外还有本田EV电动汽车、宝马I3纯电动汽车也采用了热泵空调系统。

  热泵空调系统制热能效比远高于PTC加热,大幅提升冬天电动汽车的电池续航能力。PTC电加热不受环境温度的影响,即使在零下20多度的寒冷环境中也可以稳定工作,但会使电池续航里程减少18~30%,且节能效果极差。而热泵空调能够有效解决节能问题,根据雷诺ZOE搭载的Denso电装生产的热泵空调显示说明,Denso电装旗下的热泵空调系统使用1kW的电力即可以产生3kW的制冷效果和2kW的制热效果,即制冷效果仅需传统空调的三分之一能耗,制热效果仅需传统空调的二分之一能耗便能产生相同的效果。

  国外的畅销新能源车型大多以热泵为主,国内加快推进热泵技术的研发,龙头厂商已经开始将热泵运用于量产车中。1)国外新能源汽车以热泵为主。随着技术升级主流车型由早期的PTC加热技术升级为热泵,如2013年以后由PTC升级为热泵,2015年起亚Soul也增加了热泵;2)国内供应商加快热泵技术开发。银轮股份热泵系统在改装的江铃E400上整车试验成功;奥特佳电动涡旋式压缩机国内市占率30%,曾发布补气增焓低温热泵系统;格力2018年也发布了搭载双极增焓技术的车载热泵系统;3)龙头厂商率先应用热泵技术。荣威EI5为首款采用热泵技术的自主车型(2018年销量2.6万),在室外-7℃,车内设置20℃时,热泵空调相对于传统空调续航可以增加15Km,明显降低了功耗;荣威光之翼MARVELX也搭载了全工况热泵空调系统,依靠吸收环境热能和电能转化的双重能量升温。在-7℃环境下,高效的热泵空调相较其他空调要节能37.5%,可使续航里程提升15-30%;此外PHEV车型中长安CS75也开始装配热泵空调技术。

  新能源汽车使用热泵空调为行业趋势。热泵空调有着远高于PTC的制热能效,具有较强的应用前景。技术成长初期,热泵空调存在着高成本和低温低效率的问题。但国外车型搭载热泵空调经验已超过5年,随着空调管路设计的优化、压缩机能效的提升、更优良的制冷剂(如CO2)的应用与成本下降,未来热泵空调应用于电动车型上的前景广阔。国内政策上也获得了相应的支持,在2018版的《战略性新兴产业分类》中,新能源热泵空调是新能源汽车零配件制造产业的重要组成部分,未来将会作为重要的发展方向。

  新能源车相较于传统汽车最核心的改变在于动力系统。不同于传统汽车使用的内燃机动力总成,新能源车使用的动力电池系统具备完全不同于传统汽车动力总成的特点。应用于不同类型车上的动力电池功能相异,因此在动力、储能和充电次数上都有不同的需求。

  动力电池对工作环境的温度有一定要求,因此热管理系统对电池寿命和性能有重要作用。动力电池其在充电、放电时因内部反应所产生的热量导致电池温度升高,电池内部温度和电池模块间的温度均匀性影响着电池使用性能和循环寿命,尤其对汽车功率需求或恶劣工况下,对电池性能稳定要求更高。

  满足新能源汽车动力性需求的同时,还要尽量减轻整车重量,安装维护方便等。以磷酸铁锂电池为例,电池的充放电特性受温度的影响很大,温度越低,电池的充放电特性越陡,并且电池的可用充放电容量越小。

  电池热管理系统根据冷却介质可以分为风冷、液冷和相变材料(PCM)冷却;而根据是否进行主动管理又可以分为主动式和被动式两种。其中,冷却液与电芯直接接触的液冷方式则称为直冷。相较而言,空气冷却成本有优势,但是散热性能较差,且容易带来局部温差;液冷散热效果好,但是成本和技术上要求较高;相变材料是未来非常具有发展潜力的一种冷却方式,但是目前仍处于技术研发阶段。

  相较而言,空气冷却成本有优势,但是散热性能较差,且容易带来局部温差;液冷散热效果好,但是成本和技术上要求较高;相变材料是未来非常具有发展潜力的一种冷却方式,但是目前仍处于技术研发阶段。

  总体来看,新能源车型中多采用了自然冷却,占比达到了53%,其主要原因是2017年新能源车主要由A00构成;风冷占比25%,全部是BEV车型;液冷占比22%,PCM因为尚处研发阶段而尚未市场化。

  风冷与液冷仍是目前主流方案,新能源乘用车因车型高低端配置差异,电池冷却方式差异较大。

  1)动力电池因倍率性能不同可以分为容量型和功率型,功率型锂电池最大充放电流比容量型更高,电池内部通过的电流大、产生的热量更高,如奥迪为电池组准备了风冷与液冷两种不同的冷却方式,因交流充电与直流充电产生的热量不同,会采用不同的冷却循环。插电混乘用车电池容量较少但单驱动系统需要的功率较大,因此动力电池应该采用功率型电池,电池一般采用液冷。

  2)电池类型与电池热稳定性直接相关,铁锂与锰酸锂热稳定性优于三元电池,因此多采用风冷。三元电池因其能量密度更高,电池内部活性更强,因此多采用液冷。

  3)车型越高端,基于基本动力要求,带电量与驱动电机的功率更大,风冷方式效率较低,难以满足热管理需要。国产车、日系车普遍采用风冷,而美系和德系车采用液冷的居多,在一些豪华品牌上直冷技术也有应用。

  电池容量进一步扩大和中高端车型中新能源占比的进一步提升将推动液冷成为最主要的冷却方式。一方面,目前新能源车中A及以上车型占比不断扩大,这些车型上多配备大容量电池,对于高效率热管理系统需求高,多使用液冷;另一方面,随着锂电池技术的进一步成熟,电池容量2025年预计可以达到800Wh/L,而新技术的出现则可能推动电池容量突破1000Wh/L的大关,电池容量的提升将会对热管理提出更大的需求。

  电池热管理单车价值将会进一步降低,推动液冷系统的广泛应用。根据大众集团的预测,电池系统在2020年成本将低于100欧元/KWh,而电池系统与电芯之间的成本差额进一步收窄,意味着热管理系统等的单车价值的降低,缩减的成本将成为液冷替代风冷的重要推动因素。

  国内市场:积分制推动新能源乘用车市场由政策主导转向消费驱动,助力行业产销高增长及产品结构升级。1)2019年上半年销量56.76万辆,同比增长64%,BEV比例进一步提高。2)车型高端化:至2019年6月,A00/A0车型占比进一步缩小,A型车占比超过50%,B、C主要为PHEV,占比保持稳定。3)单车带电量提升:2018年纯电乘用车单车带电量提升至38.5KWh,相比于2017年的27.2KWh增加了42%。

  从消费者来看,对于新能源车型也表现出了极大的认可和购买意愿,市场反应较好。德勤的消费者调查数据显示,在中国有65%的消费者希望下一辆购买的车采用新能源传动系统,且2019年相较于2018年整体都有所上升,同样在其他国家也表现出相投的态势,反映出新能源车型的消费者接受度越来越好,需求端的良好表现促使车企加码新能源,带动产业发展。

  传统车企电动化战略持续推进,造车新势力加速交车进程。合众、威马、蔚来等造车新势力陆续进入产品交付期,长城上汽等传统车企加速产品电动化进程。整车厂商加速投放电动车型,电动车型供给更加丰富,电动汽车产业化加速推进。

  竞争更趋激烈,合资车企加快推新车速度。合资品牌车企2019-2020年预计将有20多款新能源乘用车上市,包括大众通用丰田等均有新能源车推向市场。在合资车企相继推出新能源车后,新能源乘用车市场竞争将逐步激烈,未来能够成为市场旺销的新能源车有望推动相关公司估值的提升。

  海外市场:供给驱动新能源汽车放量,特斯拉Model3规模量产及大众等传统车企发力支撑行业高增速。1)2015年下半年及2016年海外共有ModelX等18款主力新能源乘用车上市,新车型上市频率较以往更密集,新上市的车型产量合计约11.6万辆,占2016年一半以上增量(较2015年)。2)2018款的日产Note增程式纯电动车型上市11个月在日本本土销量就超过10万辆,贡献了海外新能源车较多增量;特斯拉Model3全球累计订单已超50万辆,2018年Model3销量接近14万辆,支撑海外新能源车行业维持高增长。3)目前大众通用等海外传统车企均制定了新能源车发展战略,叠加欧洲各国(挪威、英国、法国等)纷纷将燃油车禁售提上日程,电动化趋势明确,未来几年车企将持续加大新能源乘用车研发投入,预计2020年后有望密集推出新车型。

  总体来看,新能源车型带来了热管理系统单车价值的大幅提升。新能源车型单车价值相对于传统车型整体由2800元上升至6800元左右,提升约4000元;插混车辆单车价值提升约1500元至4300元左右。拆解至各系统来看:

  1)传统零部件:包括压缩机、散热器、普通膨胀阀以及空调管路等零部件新能源车与传统汽车保持一致,单车价值将依然保持在1600元左右。

  2)发动机热管理:新能源汽车少了以内燃机为核心的动力总成,相较于内燃机的热管理部分减少1200元。

  3)汽车空调:整体提升约2500元左右,其中主要是压缩机部分带来的价值提升,达1500-1800元。由于动力类型不同,使用的压缩机必须采用涡旋技术,电涡旋压缩机由涡旋式压缩机、驱动电机以及控制器组成,由于电涡旋压缩机比传统压缩机多了驱动电机以及控制器,成本的增加以及结构的复杂带来了单价的明显提升,由传统压缩机的400-600元提升至电涡旋压缩机的1500-1800元左右。目前电动车主要采用PTC加热器进行采暖,冬天时严重影响续航里程,未来有望逐步应用制热能效比更高的热泵空调系统,进一步带来单车价值提升。

  4)电池热管理:整体带来1170-1470元左右的价值提升,主要集中在冷却板。

  电装是世界前五大、日本第一大的汽车零部件供应商,电装在环境保护、发动机管理、车身电子产品、驾驶控制与安全、信息和通讯等领域,成为全球主要整车生产商可信赖的合作伙伴。2018年实现收入5.36万亿日元,其中热管理1.4万亿日元,占公司总收入的26%。电装的热管理产品主要有空调系统冷却系统和压缩机等,目前公司为了热管理产品进一步发展,重组热系统业务,设立新的热力系统产品规划部门,并新建热管理业务部门。

  法雷奥是世界领先的汽车零部件供应商之一,2018年全球零部件百强排名第九。主要业务包括视觉系统、热系统、动力总成系统、舒适及驾驶辅助系统,范冰冰当面骂哭赵薇?揭明星之间的恩怨情仇,其中热系统业务内容包括空调系统发动机冷却系统以及相关的模块,空调系统2017年取得重大突破,取得了德国制造商的相关订单。2018年公司实现收入193亿欧元,其中热管理系统5亿欧元,占比公司总收入的27%。公司的热管理系统预计2021实现收入74亿美元,2016-2021复合增长率超过7%。

  翰昂专注于汽车热管理系统产业,其产品包括空调系统、压缩机、发动机冷却系统及管路在内的热管理系统全体系。翰昂是行业内仅有的两家汽车热管理解决方案全系列产品供应商之一,在热能领域的技术处于领先的地位。2017年翰昂实现收入50亿美元,比2016年下降2.1%。未来受益于电动车销量迅猛增长,翰昂热系统业务的电动压缩机产品市场份额预计将由目前的14%提升至2020年的22%,另外如PTC加热器和热泵也会得到发展。

  马勒作为活塞系统、气缸零部件、气门驱动系统、气体管理系统和液体管理系统的三大供应商之一,马勒于2015年分别购入了日本国产电机株式会社以及美国德尔福热管理业务等。并相应地成立了机电一体化事业部与汽车热管理事业部。公司2018年实现收入125.81亿欧元,其中热管理系统收入46.29亿欧元,占总收入的37%。马勒创新整体式热管理系统和相关产品与技术,大幅提升电动车续航里程。

  目前热管理系统设计主要掌握在主机厂手中,零部件领域以阀体和换热设备的外资替代率最高。我国部分以传统汽车热管理业务为主的零部件公司,如三花智控、银轮股份、奥特佳等,也在加大布局,目前大多还在部件配套的阶段,仅少数企业已开始配套系统产品。新能源汽车热管理行业正处于发展初期,国际巨头具备丰厚的技术储备,本土企业兼具贴近市场和低成本两大优势,两类企业各有机会。我们认为,本土企业有望在新能源热管理部件产品上获取较大份额,且优质企业有望成长为领先的新能源汽车热管理系统供应商。

  持续加码新能源热管理业务,单车价值量持续提升。公司客户覆盖全球一线空调系统商法雷奥与马勒等。随着电池冷却方式由风冷向液冷和直冷升级及热泵空调普及,预计新能源车热管理系统单车价值量仍有望继续提升,公司亦有望凭借产品组合优势持续提升产品价值量。未来公司新能源车业务增长点包括:优质客户持续开拓、配套车型特斯拉Model3规模量产、系统集成及新需求发掘提升单车价值量。

  募投项目投产,产能提升,新能源汽车零部件话语权仍可增强,增长潜力大。2017年共募集13亿元,于2017年9月1日到账。开工建设4个项目,均与新能源汽车相关。可以看出,募投项目投产之后将持续提升公司在新能源汽车热管理领域的话语权,例如核心零部件电子膨胀阀,投产后产能将提升4倍,提振公司业绩。