【热管理专栏】解读|华为TMS集成式热管理系统解析

发布于 2021-09-26 21:36

在 4 月 18 日举行的 HI 新品发布会上，华为正式发布业界集成度最高的智能汽车热管理解决方案TMS。华为 TMS 通过一体化设计的极简架构、部件和热控制集成等创新技术，可以在满足舒适性前提下将热泵工作温度由业界的-10℃降低至-18℃，从而将新能源车续航提升 20%，同时通过个性化应用提升用户体验，助力车企打造能效最优、体验最优的热系统。此次发布的 TMS 2.0 新品将在 2022 年量产，相较已在极狐搭载的 1.0 版本集成度更高，实现能效、标定效率、体验三大提升。预计华为TMS 将加速汽车热泵系统渗透率提升，利好产业链优势厂商。

华为针对当下痛点推出业界集成度最高的智能汽车热管理解决方案

针对传统热管理系统 1）系统复杂（管路多、部件多）；2）环境适应性差（-10 度以下启动困难）；3）效率和智能化程度低、体验缺乏个性化的三大痛点。历经四年时间研究与开发，推出华为 TMS。华为 TMS 通过一体化设计、部件和控制两个集成，可以实现能效、标定效率、体验三大提升，解决了传统热管理的痛点问题。

与传统车热管理相比，新能源车有三大主要变化，即完全新增的电池热管理、整车空调系统制热变化、电驱动及电子功率件冷却。传统车热管理系统=动力系统热管理（发动机、变速箱）+驾驶舱空调系统；新能源车热管理=电池热管理+汽车空调系统+电驱动及电子功率件冷却系统。 

（1）电池热管理：电池温度是影响其安全及性能的关键因素（最佳工况温度在 20-35℃），过高或过低（低于 0℃）对电池的寿命存在负面影响。在电池充放电过程中，温度过低可能造成电池容量和功率的急剧衰减以及电池短路；温度过高则可能造成电池分解、腐蚀、起火、甚至爆炸。动力电池系统需配合复杂的电池热管理，为完全新增部分。

（2）汽车空调：对于制冷，新能源车与传统车原理相近，差异在两点，一是传统车压缩机可由发动机驱动，而电动车由于动力源变为电池需使用电动压缩机；二是联结方案上，传统车动力系统与空调制冷过程较独立，而电动车电池与空调冷却系统通常联结。对于制热，传统车空调系统加热借助发动机的余热，电动车需借助 PTC 加热（冬季使用续航受较大影响），未来制热效率更高的热泵系统是趋势。

（3）电驱动及电子功率件热管理：在新能源车高电压电流运作环境、智能驾驶技术日益复杂背景下，电机电控及电子功率件等耐受温度低的部件对散热要求高，需额外添设冷却装置。

热泵系统能有效缓释电动车采暖带来的续航问题。原理在于其功能实现为“转移热量”（由低位热源热能→高位热源）而非 PTC 加热器的“转换热量”，从而使用 1 千瓦的电力能产生 2 千万的制热效率或 3 千瓦的制冷效率。热泵系统构架与普通空调系统相似，区别在增加了可改变制冷剂流向的四通换向阀及双向流通的膨胀阀，使得能在制热/制冷模式切换，实现冬天制热夏天制冷。据 Hanon 研究，相同的环境下，热泵采暖的制热效率是 PTC 的 1.8~2.4 倍，节能效果显著，热泵将取暖造成的损失里程恢复至 40%~50%。实际运用中，-20℃温度下，热泵中电动压缩机存在无法启动的问题，并且换热器将结霜降低冷却液与空气间的换热效率，往往需要配备辅助 PTC 加热器。

而传统热泵方案系统复杂、管路众多，环境适应性差（在-10℃以下无法使用），智能化程度低（标定等工作依靠人工），严重影响了热泵系统的效率和应用。华为率先推出集成式 TMS 解决方案，可以帮助车企打造能效最优、体验最优的热系统，助力热管理行业迈向新的高度。

整体布局

由于华为尚未公开其集成式热管理系统内部结构，因此我们只能从外观去进行一个大致的推测，从图中可以看出系统属于常规架构，热管理部件通过基板完成集成，通过类似Model Y的八通阀的阀组进行水路的切换，从而满足热管理系统所需各种不同的模式。

正视方向：
后视方向：

参数解析
据官方宣称华为集成热管理系统实现了一体化设计、两个集成、三大创新，这里仅针对官方公布的信息进行简要的解析，以便于大家理解，同时也提出一些个人见解。

一体化设计 

传统热系统方案中，电驱、电池、乘员舱独立管理，协同性差，导致整体功耗偏高、体验差。华为TMS通过一体化极简架构设计，打通电驱、电池、乘员舱等领域，并降低热泵低压侧不可逆损失，实现整体能耗最优、体验最佳。

打通电驱、电池、乘员舱等领域：这里很容易理解，华为应该是通过多通阀组的方案对各个回路的模式进行切换，类似Model Y的Octovalve的功能，可以自由的串并联电池、电机、乘员舱的水回路。

降低热泵低压侧不可逆损失：指的是通过管路的集成降低了冷媒在管道内部的流阻，相对提高了压缩机的吸气压力，这也为下面的-18°C提供了可能。

两个集成 

部件集成：华为TMS将传统热管理系统中12个部件集成为一体，采用基板替代原有的互通管路，实现热管理系统管路数量降低40%，易于安装和维护。

很好理解，这个确实是系统集成所带来的好处，唯一的问题是，集成热管理系统体积相对较大，在整车布置过程中可能需要提前占据一定的位置；另外关于维护方面，如果内部集成的部件出现问题，那么更换维修的人力成本是否会更高？这个还是要看具体的布置情况了。

控制集成：压缩机、水泵等关键部件的控制系统全部集成至EDU（Electric Drive Unit ），大幅降低部件电控故障率，同时便于系统智能化及全生命周期诊断维护。

大幅降低部件电控故障率，从可靠性的角度，分布式布置的方案由于部件控制器在内部，由供应商供应，产线质量管控分布在各个部件厂商，质量把控难以统一，集成于EDU后可以对来料、工艺过程整体把控，统一可靠性水平，确实有利于电控故障的降低；

衍生出新的疑问：分布式布置的部件电控出现问题往往直接换件进行修复，集成后的EDU如果板上部件的控制芯片出现问题，是否需要整体更换EDU？这样是否会引起维修成本的上升？

三大提升

能效提升：通过极简的水源架构以及高度集成，降低系统流阻和控制复杂度，将热泵系统最低工作温度由业界的-10℃降低至-18℃，相比传统非热泵方案能效比提升至2倍。

最低工作温度由业界的-10°C降低至-18°C。一般压缩机入口压力不低于1atm，对应的蒸发温度为：-26.4°C，同时-18°C对应的饱和压力为0.14MPa，也就意味着华为的集成式热管理系统实现了以下两个可能：

1.蒸发温差不超过8°C；
直冷方案中外部冷凝器作蒸发器时，一般在10°C以上，因此-10°C环境温度下就容易导致吸气负压，然而华为采用水源架构应该指的是类似Tesla的间接换热方案，通过液体对流换热的高换热系数和前端水箱的换热面积提升来降低蒸发温差。

2.压缩机吸气端压降不超过0.04MPa；
通过制冷剂管路集成，减少管路长度和转向数量，降低管路流阻导致不可逆损失下降，从而相对性地提升了压缩机吸气压力。

综上，理论上确实可以实现-18°C热泵运行。但是，做过热泵试验的都懂，这个工况下，常规热泵压缩机转速稍高，0.04MPa的压降就出现了，因此压缩机排气温度非常低，不开辅助加热仅依靠热泵制热是无法满足乘员舱需求的！


标定效率提升：业界首创智能自标定算法，通过自动评价、自动参数优化代替人工标定，将标定周期从传统的4个月降低至1.5个月，标定周期缩短60%。

自标定算法是通过仿真还是整车或是台架去进行并没有阐述清楚，而且1.5月的标定时间真的只够去“两冬一夏+春秋季”的路试路上的时间...感觉不是很靠谱。如果1.5个月指的是实际路试时间，那么传统主机厂一般也不太会用4个月做热管理系统的标定，这里主要还是看各个主机厂的经验和能力了。当然利用自动标定的算法代替人工的想法是很好的，对标定效率的提升是肯定的。

体验提升：通过车辆数据上报、大数据分析，实现智能热舒适性控制、智能空气管理、智能预测性维护，大幅提升用户体验。

这个提升个人感觉相对比较虚。
智能热舒适性控制
——不依赖大数据其实也可以，这个不就是自动空调算法么。。。
智能空气管理
——空气侧质量传感器？CO2传感器之类的。
智能预测性维护
——暂时没有想到如何理解，可能指的是一些冷却/加热上的性能衰减，通过传感器采集的数据与参照工况下的数据对比获得？

近期会议推荐

Agenda大会议程

时间：2021年10月21-22日

地点：江苏·溧阳

Oct.21st 08:00-17:00

08:00-09:00

大会注册

09:00-12:00

大会发言

“碳中和”时代来临，新能源汽车热管理的机遇与挑战

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邀请单位：IHS Markit

二氧化碳低温热泵空调开发研究

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  • 关键零部件匹配优化

邀请单位：上汽大众汽车有限公司

10:00-10:30

茶歇&巡展

汽车热管理挑战及相应解决方案

  • 最新热管理技术探索

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邀请单位：翰昂中国技术中心

集成化热管理探索

  • 集成化热管理控制策略浅析

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  • 从域控制的角度建立热能产生与热能收集系统

邀请单位：吉利汽车研究院

11:30-14:00

自助午餐

14:00-17:00

大会发言

热泵系统助力新能源车续航提升

  • 集成热泵系统介绍

  • 一体化设计的极简结构、部件和热控制集成等创新技术

  • 续航里程提升实现的可能

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新能源车热泵系统技术路线

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先进的热管理系统前瞻

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  • 新型制冷剂研究

邀请单位：上海交通大学

高效热泵系统：如何兼顾提升制热、制冷和除湿等模式下效率

  • 系统设计

  • 核心零部件匹配优化

邀请单位：法雷奥汽车空调湖北有限公司

18:00-20:00

围桌晚宴

Oct.22st 09:00-13:30

09:00-12:00

大会发言

CO2热泵系统电动压缩机开发

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邀请单位：管路供应商

12:00-13:30

自助午餐

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