自動駕駛車輛決策與規(guī)劃研究綜述

#01背

景相較于傳統(tǒng)燃油車熱管理的對象為發(fā)動機(jī)、變速箱和空調(diào)等系統(tǒng)，新能源汽車的熱管理新增了動力電池、電驅(qū)動等熱管理對象。從內(nèi)燃機(jī)到電動車零部件的變化燃油車熱管理系統(tǒng)主要包括空調(diào)制冷系統(tǒng)，和以發(fā)動機(jī)為熱源的座艙暖風(fēng)系統(tǒng)。其主要零部件包括機(jī)械式空調(diào)壓縮機(jī)、膨脹閥、蒸發(fā)器、冷凝器、以及發(fā)動機(jī)暖風(fēng)系統(tǒng)等。

傳統(tǒng)燃油車汽車熱管理系統(tǒng)新能源汽車(電動汽車)包括座艙、電池、電機(jī)電控?zé)峁芾?。座艙熱管理系統(tǒng)包括空調(diào)冷風(fēng)、熱泵暖風(fēng)或PTC暖風(fēng)，具有加熱和制冷需求，主要零部件包括電動壓縮機(jī)、電子膨脹閥、蒸發(fā)器、冷凝器、熱交換器、PTC或者熱泵冷凝器等。新能源汽車熱管理系統(tǒng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈中游主要包括空調(diào)熱管理系統(tǒng)、電機(jī)電控冷卻系統(tǒng)以及電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)等模塊或者總成，由上游水泵、冷凝器等零部件組裝而成，為下游整車提供功能安全和使用壽命的保障。新能源熱管理系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈中產(chǎn)品更復(fù)雜：由于其熱管理系統(tǒng)的覆蓋范圍、實(shí)現(xiàn)方式相較傳統(tǒng)燃油汽車發(fā)生了較大改變，其對于零部件節(jié)能性、安全性等方面的要求相對更高。上游零部件中新增了Chiller、PCT加熱器、四通閥等零部件，中游熱管理系統(tǒng)中的熱泵空調(diào)系統(tǒng)、電池冷卻系統(tǒng)使得系統(tǒng)復(fù)雜程度進(jìn)一步上升。新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)品名圖例作用電池、電機(jī)、電子設(shè)備等熱管理系統(tǒng)電子/電磁膨脹閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量電池、電機(jī)、電子設(shè)備等熱管理系統(tǒng)冷卻板內(nèi)充冷卻液，用于電池冷卻電池、電機(jī)、電子設(shè)備等熱管理系統(tǒng)電池冷卻器電池系統(tǒng)換熱電池、電機(jī)、電子設(shè)備等熱管理系統(tǒng)電子水泵、水閥用于電池及電子設(shè)備水冷卻減速器冷卻系統(tǒng)油冷器、油泵電機(jī)和減速器冷卻系統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)電動壓縮機(jī)產(chǎn)生高壓氣體空調(diào)系統(tǒng)PTC/熱泵通過加熱或熱交換產(chǎn)生熱量空調(diào)系統(tǒng)膨脹閥控制制冷劑流量空調(diào)系統(tǒng)貯液器貯存制冷、過濾雜質(zhì)與吸收水分空調(diào)系統(tǒng)冷凝器將冷卻劑從氣態(tài)變成液態(tài)，將其熱量釋放出來至周圍空氣中空調(diào)系統(tǒng)蒸發(fā)器讓低溫低壓制冷劑吸收空氣中熱量關(guān)鍵部件解析小結(jié)：新能源汽車熱管理系統(tǒng)部件趨于多樣化和電氣化，復(fù)雜性更高，帶來新增市場機(jī)會。#02新能源汽車的整車熱管理系統(tǒng)新能源車汽車整車熱管理系統(tǒng)=電池?zé)峁芾?汽車空調(diào)系統(tǒng)+電驅(qū)動及電子功率件冷卻系統(tǒng)。電池?zé)峁芾恚鹤鳛楹诵牟考?，電池的溫度是影響其安全及性能的關(guān)鍵因素（最佳工況溫度在20-35℃），過高或過低（低于0℃）對電池的壽命存在負(fù)面影響。在電池充放電過程中，溫度過低可能造成電池容量和功率的急劇衰減以及電池短路；溫度過高則可能造成電池分解、腐蝕、起火、甚至爆炸。動力電池系統(tǒng)需配合復(fù)雜的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)維持工況溫度，為電動車完全新增部分。汽車空調(diào)：不論是新能源車還是燃油車，都致力于滿足終端消費(fèi)者的日益上升舒適性需求，汽車駕駛艙的熱管理技術(shù)也變得尤為重要。對于制冷，新能源車與傳統(tǒng)車原理相近，差異在兩點(diǎn)，一是傳統(tǒng)車壓縮機(jī)可由發(fā)動機(jī)驅(qū)動，而電動車由于動力源變?yōu)殡姵匦枋褂秒妱訅嚎s機(jī)；二是聯(lián)結(jié)方案上，傳統(tǒng)車動力系統(tǒng)與空調(diào)制冷過程較獨(dú)立，而電動車電池與空調(diào)冷卻系統(tǒng)通常聯(lián)結(jié)。對于制熱，傳統(tǒng)車空調(diào)系統(tǒng)加熱借助發(fā)動機(jī)的余熱，電動車需借助PTC加熱（冬季使用續(xù)航受較大影響），未來制熱效率更高的熱泵系統(tǒng)是趨勢。電驅(qū)動及電子功率件熱管理：在新能源車高電壓電流運(yùn)作環(huán)境、智能駕駛技術(shù)日益復(fù)雜背景下，電機(jī)電控及電子功率件等耐受溫度低的部件對散熱要求高，需額外添設(shè)冷卻裝置。電動汽車在冬季續(xù)行里程變短是目前實(shí)際應(yīng)用中的最大問題。尤其是在北方氣溫低于零度的情況下，續(xù)航里程大幅降低，直接影響車輛的使用。蓄電池在低溫環(huán)境下，充放電能力會嚴(yán)重降低，導(dǎo)致續(xù)行里程大幅縮水。若對蓄電池進(jìn)行加熱，使蓄電池維持在最佳工作溫度區(qū)間，就可以使車輛續(xù)航里程得到提升。影響續(xù)行里程變化量最大的因素是行駛車速和環(huán)境溫度，當(dāng)車輛行駛時速大于60km后，速度越高耗能越高。當(dāng)環(huán)境溫度處于零度以下時，溫度越低耗能越高，當(dāng)氣溫在-10°C時，車輛續(xù)行里程相對于氣溫22°C時會降低近一半。其中很大一部分原因是在車內(nèi)加熱消耗了較多的電能?，F(xiàn)代純電動汽車的熱管理系統(tǒng)非常重要。很多車都十分重視熱管理，尤其在冬季，相對于普通的純電動汽車，優(yōu)秀的熱管理系統(tǒng)的可增加15%~18%的續(xù)行里程。PTC結(jié)構(gòu)簡單、成本低，是目前汽車市場主流的制熱部件，但其存在能耗高的先天缺陷。熱泵雖然存在一定的技術(shù)壁壘，但是常溫下能效比（COP）超過2，理論能耗僅為PTC的一半左右，但是以R134a為冷媒的熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的制熱效果較差，仍需PTC輔熱。_熱泵空調(diào)PTC加熱工作機(jī)制車外吸熱運(yùn)入車內(nèi)半導(dǎo)體加熱主要零件電動壓縮機(jī)，四通/八通閥、換熱器電動水泵、PTC加熱器、貯液罐、暖風(fēng)芯體特點(diǎn)節(jié)能但在低溫環(huán)境下制熱條件差，需要PTC加熱輔助溫度使用范圍廣、耗電價格高低代表應(yīng)用特斯拉ModelYOctovalve系統(tǒng)Model3熱泵空調(diào)和PTC加熱的差異目前使用最廣的制冷劑為R134a，更環(huán)保R1234yf冷媒的熱泵可兼容現(xiàn)有熱泵主要零件，技術(shù)替代成本低，但美國杜邦和霍尼韋爾的專利仍在保護(hù)期，成本較高。R744（二氧化碳）冷媒熱泵在低溫情況下的制熱效果更優(yōu)，但需要對系統(tǒng)進(jìn)行耐高壓的重新設(shè)計，技術(shù)替代成本較高，這也是限制該技術(shù)量產(chǎn)上車的主要桎梏。但受R744極低成本的驅(qū)動，目前業(yè)內(nèi)已有部分企業(yè)開始布局該冷媒，未來極可能成為主流技術(shù)方向。CO2作為一種較新型的空調(diào)制冷劑，由于其化學(xué)性質(zhì)與傳統(tǒng)制冷存在較大的差別，因此其運(yùn)行條件也與傳統(tǒng)制冷劑存在較大差異，對管路要求將會更嚴(yán)格：耐高壓：R744（二氧化碳）冷媒運(yùn)行壓力、溫度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)制冷劑；耐高溫：R744（二氧化碳）冷媒連接結(jié)構(gòu)扣壓時很可能形變開裂；耐油：R744（二氧化碳）冷媒與水等介質(zhì)接觸后容易形成腐蝕性；低滲透：R744（二氧化碳）冷媒容易與潤滑油、橡膠等相互作用，降低管路可靠性。目前，滿足CO2管路要求的集中度較低，外資/合資企業(yè)市場份額較大。小結(jié)：因能耗問題熱泵空調(diào)將逐漸替代PTC，未來熱泵冷媒可能以CO2為主。#03集成式熱管理系統(tǒng)新能源汽車熱管基本上分為三個階段，現(xiàn)階段基本處于1和2的階段，大部分新能源汽車電池、電驅(qū)和座艙是單獨(dú)的系統(tǒng)。少部分車企已經(jīng)進(jìn)入到了通過核心部件將三電和座艙打通，實(shí)現(xiàn)整車一體化熱管理。第1階段：分散式熱管理電池、電機(jī)電控和空調(diào)系統(tǒng)回路彼此獨(dú)立，各自有一套完整的溫控和管路系統(tǒng)。但能量利用不充分，同時系統(tǒng)管路復(fù)雜，零部件多，制造和維護(hù)費(fèi)時。第2階段：集成式熱管理利用多通道閥門或管路，將電池、電機(jī)電控和空調(diào)系統(tǒng)中某些或全部回路均連通，形成一個循環(huán)回路。熱管理控制器根據(jù)各部件的溫控需求，統(tǒng)籌熱量管理，減少能量的浪費(fèi)。但系統(tǒng)集成度高，控制復(fù)雜，控制難度較大。第3階段：智能化熱管理熱管理系統(tǒng)功能一體化、結(jié)構(gòu)模塊化、控制智能化，實(shí)現(xiàn)整車能耗最低和能量最優(yōu)分配的終極目標(biāo)。HeatPump（熱泵）作為未來主流的集成式熱管理的核心部件，其原理為：其運(yùn)行方式就像空調(diào)系統(tǒng)，但是在運(yùn)行順序上卻是截然相反。一套系統(tǒng)由空調(diào)壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、氣液分離器、儲液器等組成。當(dāng)氣體以低溫、低壓的狀態(tài)進(jìn)入壓縮機(jī)，然后壓縮氣體制冷劑，成為高溫、高壓的氣體，隨后進(jìn)入冷凝器，冷凝器開始冷卻，使其成為液態(tài)，當(dāng)空氣吹過冷凝器，進(jìn)入機(jī)艙以加熱機(jī)艙，這樣就可以把熱量帶走，離開冷凝器的高溫高壓液體并不會產(chǎn)生過多的熱量，隨后液體通過膨脹閥（膨脹閥可以控制液體的流速），極大的降低了液體的壓力。液體通過蒸發(fā)器流動，外部空氣吹過蒸發(fā)器并對其進(jìn)行加熱，液體吸收了熱量并轉(zhuǎn)化為氣體，隨后循環(huán)重復(fù)進(jìn)行。熱泵系統(tǒng)由于實(shí)現(xiàn)集成式熱管理需要一個核心部件---閥島，接下來將會圍繞閥島來闡述當(dāng)前主流熱管理系統(tǒng)：車型閥島實(shí)物圖原理原理圖理想ONE三通閥

無GCU（發(fā)電機(jī)控制器）、ISG（啟動發(fā)電一體機(jī)）作為增程混動的代表，這類車型除了需要對純電動車型中涉及到的電池、座艙、驅(qū)動進(jìn)行熱管理外，對于增程器總成及控制系統(tǒng)同樣要采取有效的熱管理手段。其中增程器總成中的發(fā)動機(jī)采用傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的制冷方式，發(fā)動機(jī)散熱系統(tǒng)則與驅(qū)動電機(jī)并聯(lián)。子系統(tǒng)之間通過精準(zhǔn)控制三通閥的on/off，以實(shí)現(xiàn)增程器總成、動力電池、座艙空調(diào)和驅(qū)動系統(tǒng)間的熱量傳遞和利用。

小鵬P7四通閥

當(dāng)動力電池?zé)o需加熱需求時，電機(jī)電控?zé)峁芾砘芈吠ㄟ^電機(jī)散熱器總成將熱量散出當(dāng)動力電池有加熱需求時，通過控制電子四通閥將電機(jī)電控?zé)峁芾砘芈分械睦鋮s液循環(huán)至動力電池回路中，以此將電機(jī)回路中產(chǎn)生的熱量帶至電池包以供其加熱

BYD海豚六通閥

比亞迪一體化熱管理系統(tǒng)通過熱泵、六通閥等部件，實(shí)現(xiàn)了刀片電池、電驅(qū)和座艙三者間的熱量互通，將冷媒直接送到刀片電池和駕駛艙，將熱量在刀片電池、電驅(qū)系統(tǒng)和座艙三者間進(jìn)行循環(huán)。

特斯拉ModelY八通閥OctovalveEpisodeOctovalve=Octovae（八音階）+Valve

（閥）特斯拉ModelY首次搭載了熱泵空調(diào)系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)上采用高度集成的八通閥模塊，對系統(tǒng)多個熱管理系統(tǒng)進(jìn)行集成，同時實(shí)現(xiàn)不同熱管理系統(tǒng)工作模式的靈活切換。八通閥（閥體集成技術(shù)）和多功能熱泵技術(shù)（15種工況）是特斯拉兩大集成化技術(shù)壁壘。同時其空調(diào)系統(tǒng)采用了熱泵+PTC輔助的方式進(jìn)行制熱。這里的PTC輔助制熱系統(tǒng)采用單獨(dú)12V蓄電池供電，其功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)空調(diào)PTC加熱的功率，在省電的同時還