CO2熱泵的新能源汽車市場機遇淺析

“碳中和”是全球未來40年最大賽道，加上這輪汽車電氣化浪潮，新能源汽車熱管理技術(shù)將發(fā)生根本變化，更高的技術(shù)門檻，疊加國產(chǎn)替代，助推CO2熱泵在新能汽車空調(diào)領(lǐng)域的應用成為重要的細分行業(yè)風口。本文將分析“為什么是熱泵?”“為什么是CO2熱泵?”這兩個核心問題。

一、 熱泵將解決新能源汽車的低溫續(xù)航里程痛點

新能源汽車在低溫條件下續(xù)航里程大幅衰減。根據(jù)懂車帝、中國汽研、新能源汽車國家大數(shù)據(jù)聯(lián)盟在2022年5月聯(lián)合發(fā)布的《2022新能源車主續(xù)航里程分析報告》，低溫溫度是影響新能源汽車實際續(xù)航里程的主要因素，在北方城市寒冷的1月，低溫導致實際續(xù)航里程衰減達到三分之一，車輛實際續(xù)航里程可信度僅在65%左右。

注：車輛實際續(xù)航里程可信度:將車輛在不同行駛狀態(tài)下的實際可行駛總里程，與標定續(xù)航里程做比值?？尚哦仍浇咏?00%，實際可行駛總里程可靠性越好。

(一) 低溫續(xù)航里程是消費者最大關(guān)切

消費者對新能源汽車低溫續(xù)航里程表現(xiàn)出極大關(guān)切，并且對續(xù)航里程衰減的容忍度非常低。根據(jù)J.D.POWER(君迪)與懂車帝在2021年12月聯(lián)合發(fā)布的《冬季新能源汽車用戶聯(lián)合調(diào)研》，消費者對于新能源汽車在冬季的續(xù)航能力都存在極大的擔憂情緒，且新能源車主的續(xù)航焦慮明顯更高。在4330個受訪者中，40%的新能源車主、27%的新能源潛在購車用戶表示存在極大的續(xù)航焦慮。關(guān)于對續(xù)航里程衰減的容忍度，近半數(shù)消費者表示只能接受續(xù)航里程在低溫環(huán)境下比平時減少10%。其中，新能源車主47%，新能源潛在購車用戶50%。

(二) 空調(diào)制熱是低溫續(xù)航里程衰減的最主要原因

新能源汽車低溫續(xù)航里程衰減的原因主要包括如下三點：

第一，鋰離子電池化學特性使然。現(xiàn)階段鋰離子動力電池的工作原理主要為通過鋰離子在正負極之前的移動來進行充放電。但在氣溫過低的情況下鋰離子移動速度會變緩，這會導致放電時容易損耗，續(xù)航降低。

第二，電池包加熱耗電。為保障低溫條件下的動力輸出，新能源汽車往往配有電池包加熱系統(tǒng)，在工作中會消耗一部分電池電量，減少續(xù)航。

第三，空調(diào)制熱耗電。傳統(tǒng)燃油車冬季的制熱主要是靠發(fā)動機的熱量，而新能源汽車目前則需要正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)。通過PTC電阻的熱效應產(chǎn)生熱量，雖然結(jié)構(gòu)簡單且制熱效果好，但是能耗過大是嚴重缺陷。

前面兩點雖然對續(xù)航里程有一定的影響，但不會特別嚴重，新能源汽車冬季續(xù)航里程大幅衰減的最主要原因是空調(diào)制熱耗電。此外，低溫環(huán)境下空調(diào)制熱差且容易起霧更使得新能源車主在冬季苦不堪言。

(三) 低溫續(xù)航里程衰減的最佳對策——熱泵

熱泵空調(diào)的用電功率要比PTC加熱的用電功率少一倍之多，是解決新能源汽車低溫續(xù)航里程衰減的最優(yōu)對策。基于榮威EI5的熱泵和高壓PTC空調(diào)制熱的對比實驗，熱泵總用電功率占比為12.73%，普通高壓PTC總用電功率占比為25.56%。根據(jù)榮威EI5官方數(shù)據(jù)，在室外溫度零下7攝氏度時，車內(nèi)設(shè)置20攝氏度的情況下，熱泵空調(diào)相對于傳統(tǒng)的空調(diào)續(xù)航可以增加約15公里。

此外，熱泵系統(tǒng)還將能夠通過實現(xiàn)能量回收，減少電量消耗。例如，現(xiàn)代汽車集團發(fā)布的最新熱泵系統(tǒng)，不僅能夠回收驅(qū)動電機、車載充電器和逆變器散發(fā)的廢熱，還可從電池組和慢速充電器中回收更多的余熱。捕獲的能量可提高供暖，通風和空調(diào)系統(tǒng)的效率，最大程度地減少電池的電量消耗。

二、 CO2熱泵空調(diào)方案是汽車空調(diào)的發(fā)展趨勢

(一) 制冷劑替代趨勢

我國汽車空調(diào)制冷劑目前主要采用的是HFC-134a。但是，HFC-134a具有很高的溫室效應，其GWP值高達1430(聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的評估)，近期將逐漸被替代。歐盟已于2017年1月1日起禁止所有新生產(chǎn)的汽車采用GWP值高于150的制冷劑。美國已宣布自2024年1月1日起禁用HFC-134a。目前，我國仍未禁用HFC-134a，但是HFC-134a已列入《基加利修正案》管控物質(zhì)清單，我國未來禁用HFC-134a也只是時間問題。

目前在全球范圍內(nèi)對汽車空調(diào)系統(tǒng)替代制冷劑的研究主要集中在CO2和HFO-1234yf兩種制冷劑上。美國環(huán)保部通過其SNAP(重大新替代物政策表)在2011年接受HFO-1234yf為汽車空調(diào)制冷劑;在2012年接受CO2為汽車空調(diào)制冷劑。美國杜邦公司和霍尼韋爾公司聯(lián)合開發(fā)出了HFO-1234yf，替代HFC-134a在汽車空調(diào)制冷劑方面的應用，并得到了美國通用汽車公司的積極響應。但是，戴姆勒-奔馳汽車公司公開質(zhì)疑HFO-1234yf的安全性，包括其可燃燒性和燃燒后生成物的毒性，并宣布不會采用HFO-1234yf為制冷劑，將以CO2為制冷劑開發(fā)汽車空調(diào)系統(tǒng)，并在2016年實現(xiàn)CO2汽車空調(diào)系統(tǒng)的批量投產(chǎn)。德國的寶馬汽車公司和大眾汽車公司也分別宣布將開發(fā)并采用以CO2為制冷劑的汽車空調(diào)系統(tǒng)。

(二) CO2和HFO-1234yf兩種制冷劑及空調(diào)系統(tǒng)對比

1. 環(huán)保指標的對比

制冷劑的環(huán)保性能主要有臭氧消耗潛能值ODP和全球變暖潛能值GWP兩個指標。臭氧消耗潛能方面，CO2和HFO-1234yf都不會破壞臭氧層，ODP值均為零。GWP指的是在100年的時間周期內(nèi)，相應溫室氣體的溫室效應對應于相同效應的二氧化碳的質(zhì)量，所以二氧化碳的GWP值理所當然地為1。根據(jù)杜邦和霍尼韋爾公司確認的HFO-1234yf的相關(guān)參數(shù)，其GWP值為4。

此外，目前在工業(yè)上獲取CO2的方法主要是收集在生產(chǎn)其他工業(yè)產(chǎn)品過程中產(chǎn)生的CO2副產(chǎn)品。CO2的提純可以采用物理吸附的方法，具有工藝過程簡單、能耗低、適應能力強、自動化程度高、技術(shù)先進、經(jīng)濟合理等優(yōu)點。因此在將CO2用作制冷劑的同時還減少了CO2的排放。而HFO-1234yf的生產(chǎn)則較為復雜，根據(jù)已公開的專利， HFO-1234yf生產(chǎn)需要以CFC、HCFC或者HFC類物質(zhì)為原料，并利用高溫和催化劑進行化學合成和分解。在副產(chǎn)物中可能有HF、HCl和CFC類物質(zhì)生成，需要嚴格對副產(chǎn)品進行無害化處理，有潛在的環(huán)保風險。

因此，在環(huán)保方面進行對比的結(jié)果是采用CO2制冷劑更值得信賴。

2. 空調(diào)性能的比較

空調(diào)的性能包括制冷性能和制熱性能兩個方面。在新能源汽車上，空調(diào)系統(tǒng)將會采用熱泵制熱，因此也要考慮制冷劑的制熱性能。

制冷性能方面，HFO-1234yf不需要對原R134a系統(tǒng)做改動就可以正常工作但制冷性能略低。CO2空調(diào)系統(tǒng)則必須進行全新的設(shè)計，并且只有重新設(shè)計后才能達到R134a系統(tǒng)的制冷性能。

制熱性能方面，HFO-1234yf的熱泵性能與R134a接近，不會超過R134a系統(tǒng)。仍然具有在低溫環(huán)境下系統(tǒng)的制熱能力和性能系數(shù)迅速下降的問題，在低溫環(huán)境下主要依靠PTC進行加熱。而CO2則是目前空調(diào)制冷行業(yè)公認最適用于熱泵制熱的制冷劑。在環(huán)境溫度-20℃，車內(nèi)溫度20℃的工況下，CO2熱泵系統(tǒng)制熱性能仍然良好。

綜合以上情況，CO2的熱泵制熱性能明顯優(yōu)于HFO-1234yf。同時，CO2在空調(diào)制冷系統(tǒng)重新設(shè)計后制冷性能可以達到HFO-1234yf水平。

3. 應用成本的比較

(1) 制冷劑成本的比較

目前R134a在國內(nèi)市場銷售價在每噸4萬元人民幣左右浮動，每輛車使用制冷劑的成本在20元人民幣左右。CO2售價通常在每噸600元人民幣左右，每輛車的制冷劑成本約為0.3元人民幣。HFO-1234yf因為有商業(yè)價值的生產(chǎn)工藝方法都已被杜邦和霍尼韋爾公司申請了專利保護，導致其價格高達到每噸70萬元人民幣，每輛車使用的制冷劑成本約為400元人民幣左右。

通過對比，CO2制冷劑相較HFO-1234yf具有突出的成本優(yōu)勢。

(2) 空調(diào)系統(tǒng)零部件成本的比較

HFO-1234yf基本可以沿用R134a系統(tǒng)，所以各總成的成本變化不明顯。CO2壓縮機與R134a系統(tǒng)壓縮機相比，在設(shè)計方面，其排量小可以縮小壓縮機的體積，減少材料用量;而壓力高又導致需要增加高壓區(qū)域的材料厚度以提升耐壓能力。在壓縮機生產(chǎn)方面，新的制造裝備和模具會導致初期投資增加。若批量生產(chǎn)，則排量減小帶來的成本降低應該會超過耐壓能力提升的成本增加，同時攤薄初期投資增加。因此，CO2壓縮機批量生產(chǎn)后成本可以降低至R134a同等水平。CO2系統(tǒng)的蒸發(fā)器和冷凝器僅是扁管和集管的形式變化，成本基本不變。CO2的制冷管與R134a制冷管有很大的區(qū)別，根據(jù)康迪泰克公司公布的信息，硬管的成本將降低，高壓軟管的成本將上升。綜合下來，CO2的制冷管成本將與R134a持平。

綜上所述，批量生產(chǎn)后的CO2空調(diào)系統(tǒng)的成本應該與R134a和HFO-1234yf系統(tǒng)差別不大。

(3) 系統(tǒng)開發(fā)成本的比較

CO2和HFO-1234yf的系統(tǒng)開發(fā)成本有比較大的差異。HFO-1234yf可以完全采用R134a已經(jīng)成熟的技術(shù)，而CO2系統(tǒng)則需要完全地重新設(shè)計。

因此，CO2系統(tǒng)開發(fā)的前期成本會比HFO-1234yf高出很多，需要批量生產(chǎn)攤薄成本。

4. 可持續(xù)發(fā)展應用的比較

CFC12和HFC134a這類化學合成制冷劑由于不同的環(huán)保原因逐漸被禁止使用，都是不可持續(xù)發(fā)展的制冷劑。那么新的化學合成制冷劑HFO-1234yf是否會因新的環(huán)保問題而被禁止使用呢?天然制冷劑CO2基本不存在上述環(huán)保風險，因為CO2原本就是自然界中大量存在的物質(zhì)，而且汽車空調(diào)行業(yè)的用量相對于CO2總體排放量比例非常小。

從可持續(xù)發(fā)展應用的角度，CO2空調(diào)系統(tǒng)明顯優(yōu)于HFO-1234yf空調(diào)系統(tǒng)。

5. 兩種制冷劑比較的結(jié)論

CO2制冷劑是我國汽車空調(diào)行業(yè)最佳的未來發(fā)展方向。環(huán)保方面，CO2較HFO-1234yf具有優(yōu)勢。性能方面，CO2在制熱方面具有顯著優(yōu)勢。成本方面，HFO-1234yf由于專利壟斷價格異常偏高，CO2需要規(guī)模化生產(chǎn)來攤薄前期開發(fā)成本。可持續(xù)發(fā)展方面，CO2是汽車空調(diào)系統(tǒng)最終必然采用的制冷劑。

三、 CO2熱泵發(fā)展迎來戰(zhàn)略機遇期

(一) 未來將有更多的新能源汽車采用CO2熱泵系統(tǒng)。

汽車空調(diào)技術(shù)的發(fā)展緊跟整車技術(shù)的發(fā)展趨勢。目前汽車整車正按照常規(guī)動力汽車→混合動力汽車→電動汽車的方向發(fā)展，CO2熱泵系統(tǒng)在節(jié)約能耗提高續(xù)航方面相較傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)具有顯著優(yōu)勢，所以熱泵系統(tǒng)必將是汽車空調(diào)系統(tǒng)長期發(fā)展的趨勢。目前已有部分新能源汽車廠商采用CO2熱泵系統(tǒng)，未來將有更多的新能源汽車采用CO2熱泵系統(tǒng)。

(二) CO2熱泵系統(tǒng)是更為終極的汽車空調(diào)解決方案

制冷劑R134a的逐步淘汰已成為必然趨勢。每次制冷劑替換都會給空調(diào)行業(yè)的發(fā)展帶來沖擊，同時也為新進企業(yè)創(chuàng)造了彎道超越的機遇。相較于HFO-1234yf，CO2熱泵系統(tǒng)是更為終極的汽車空調(diào)解決方案，也是我國汽車空調(diào)系統(tǒng)跨越西方國家專利壟斷實現(xiàn)彎道超車的絕佳機遇。

CO2(二氧化碳)熱泵是未來最佳的熱泵系統(tǒng)方案。CO2(二氧化碳)熱泵與普通熱泵的主要區(qū)別在于熱泵系統(tǒng)所使用的冷媒。目前熱泵空調(diào)使用的冷媒主要包括R-134a、R-1234yf以及R744(二氧化碳)，其中R134a會加劇溫室效應(GWP=1430)，R-1234yf環(huán)境更友好，但制冷效果弱于R-134a，而R744屬于自然產(chǎn)生的一種氣體，無毒無害，單位制冷量是R1234yf型制冷劑的9倍左右(為22600KJ/m)，可大幅提高熱泵的換熱效率。

(三) 國內(nèi)的汽車生產(chǎn)廠家應把握機遇

明確以CO2為汽車空調(diào)替代制冷劑的工作方向，各汽車空調(diào)零部件廠家積極響應盡早投入到CO2空調(diào)系統(tǒng)的開發(fā)工作中，在制冷劑替代的過程中掌握先機，獲得技術(shù)優(yōu)勢和市場優(yōu)勢。

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