“最強輔助”熱管理：立足新能源智能車量價齊升，受益AI算力等場景前景廣闊 | CMC
熱管理是一個非常廣泛的概念，可以運用於各類場景，今天我們聚焦工業熱管理領域的核心場景乘用車熱管理，及熱管理賽道領先玩家們積極拓展的新興場景AI算力中心、儲能、人型機器人等，觀察這一具有極強橫向領域拓展能力的零部件如何在工業系統的穩定和能效發揮中扮演即爲重要的作用
Part 1新能源智能車熱管理：受益於乘用車結構調整及單車價值提升，乘用車車熱管理市場持續增長
熱管理是用於調節零部件工作溫度和座艙溫度環境的零部件的總稱，其通過散熱、加熱等手段，確保各個核心零部件處於合適的工作溫度範圍以及乘客保持舒適溫度，以實現汽車的功能安全，延長使用壽命，因此熱管理系統是整車中的重要部件
以新能源車電池熱管理板塊爲例，下圖可以非常直觀的感受爲什麼熱管理至關重要。鋰電池的低溫衰減和高溫失效特性比較嚴重，20-35攝氏度是電池的高效工作區間，好的熱管理系統可以確保電池的功能安全、性能及壽命，大幅提高電動車的續航里程。
汽車熱管理系統主要零部件包括各類閥（熱力膨脹閥、電子膨脹閥、電磁閥、多通水閥等）、泵（機械水泵、電子油/水泵等）、熱交換器（前端模塊、空調箱、電池冷卻器、電池水冷板）、壓縮機以及管路系統等，並按需應用於發動機、變速箱、電池、電機電控和空調系統等部位。
燃油車的熱管理主要包含汽車空調系統、發動機冷卻系統和傳動冷卻系統三個主要系統，新能源車的熱管理包含座艙熱管理（空調系統）、電機電控冷卻、電池熱管理和其他系統熱管理四個主要系統。
熱管理系統顧名思義，主要解決的問題就兩個，一個是加熱，一個是製冷，燃油車的熱管理邏輯比較直接，在制熱方面，燃油車主要利用發動機的熱量，將其轉化爲熱水儲存在儲液罐裡面，通過HVAC單元模塊等進行供熱。而新能源車加熱主要採用PTC電阻技術（想象一下冬天南方家庭用的小太陽），目前也在往熱泵技術遷移（類似於空調的工作原理，熱泵採用二氧化碳冷媒，吸收二氧化碳釋放到水裡，然後壓縮機把低壓冷媒壓縮後，就可以排出高溫高壓的冷媒氣體，最後給到空調製熱器來實現供暖）。而製冷方面主要採用冷卻板+冷卻液的方式來實現，熱泵技術同樣可以用於製冷。
新能源車的熱管理髮展經歷了幾個階段。第一階段的新能源車熱管理四大系統間相對獨立，電池、電機電控和空調系統迴路彼此分離，各自有一套完整的溫控和管路系統。第二階段的熱管理開始逐步走向集成化，利用多通道閥門或管路，將電池、電機電控和空調系統中部分或全部迴路實現循環聯通。集成化的優點是可以根據各部件的溫度需求進行熱量統籌管理，以減少能耗。但系統集成度高，控制難度也就相應加大。下圖是一個典型四通閥集成方案（小鵬P7），實現電機電控冷卻迴路和電池冷卻迴路兩個子系統的聯通。在電池包不需要進行加熱時，電機電控迴路熱量通過前端模塊的電機散熱器總成實現散熱，熱量就直接流出，而電池需要加熱時，冷卻液將電機電控的熱量帶出，並流經電池包冷卻迴路；若熱量還是不足，還可以通過PTC進行輔助加熱，實現節能。
第三階段是以熱泵爲核心，以多通閥閥島爲集成系統實現的智能化熱管理方案，熱泵熱管理系統是一套由空調壓縮機、冷凝器、膨脹閥、氣液分離器、儲液器等組成複雜系統。熱泵的工作原理是，首先來自蒸發器氣態製冷劑氣體以低溫低壓的狀態進入壓縮機，壓縮後成爲高溫高壓的氣體，隨後進入車外冷凝器冷卻之後成爲中溫高壓液態製冷劑，空氣吹過冷凝器就可以把剛釋放出的熱量帶到車外，隨後液態製冷劑通過膨脹閥（膨脹閥可以控制液體的流速然後減壓）變成低溫低壓的液態製冷劑。然後液體通過蒸發器，並在蒸發器內吸熱蒸發成低溫低壓的氣態製冷劑，在這個過程中給車內空氣降溫形成製冷循環。而制熱循環則是與之相反的“逆卡諾循環”。智能化的熱管理方案除了能效較高的熱泵系統，還需要搭配多通閥閥島和核心的管路設計，特斯拉Model Y首次搭載了熱泵空調系統，在結構上採用高度集成的八通閥（章魚哥）模塊，對系統多個熱管理系統進行集成，並實現多個熱管理工作模式的切換。
整體而言相較於燃油車，新能源智能車的熱管理呈現出集成化、大功率管理的趨勢，同時由於複雜性提升，對零部件核心要求也相應上升。首先在集成化方面，上述發展歷程就是多熱管理系統集成以提升能效的主流進程，在大功率管理上，一方面受益於電動車高壓化的進程，另一方面隨着混動車型比例上升對大功率熱管理需求也在上升，混動車的熱管理子系統集成了純電車的三電熱管理和燃油車的發動機熱管理，複雜度更高，散熱需求更大，顯著帶動其熱管理系統功率需求提升。然後在對零部件的核心要求上，熱管理集成商和熱管理零部件廠商需要在各項性能指標要求中找到平衡以滿足客戶需求。核心的性能指標包括EMC及NVH等。EMC（電磁兼容性）的迭代源於新能源汽車的三電系統帶來了更多的電磁干擾，比如高壓部件的集成化會帶來更嚴重的電磁干擾，集成化的車輛元件倒逼熱管理子系統的EMC要求上升，導致主機廠對EMC要求更高；同時對於新能源汽車,由於沒有發動機的掩蔽,熱管理系統的振動噪聲會凸顯，所以對NVH（噪音、振動、聲振粗糙度）的要求也格外嚴格。需求的推升和產品性能的迭代帶動熱管理單車價值的不斷提升，2024年，燃油車單車價值約2200元，新能源車單車價值量約>7000元，後續也將持續突破。
中國汽車大盤整體穩定，結構性向新能源車側重，新能源車滲透率的提升帶動新能源車總量提升，2024年4月上半月新能源乘用車在汽車大盤滲透率已經突破50%，提前完成國家規劃目標，預計到2030年國內新能源車新能源化率達到65%，2024年起，受益於里程焦慮和二三線城市下沉，混動車銷量將大幅提升，到2030年預計銷量達875萬輛。受益於乘用車銷量的結構調整和單車價值的不斷提升，整車熱管理的市場規模在持續擴大中，2024年中國乘用車熱管理市場規模1022億元，2030年預計達到2229億元。
Part 2 場景橫向拓展前景廣闊，AI數據中心冷卻賽道長坡厚雪
由於熱管理零部件的通用性和汽車領域相對激烈的競爭，汽車領域熱管理廠商向其他工業領域橫向拓展以發展第二第三曲線在邏輯上也就順理成章。美國傳統熱管理公司摩丁製造從乘用車往數字及能源熱管理領域的轉型驗證了這條道路的可行性。摩丁製造於1916年成立，從1925年開始做車用冷卻器，最早是福特汽車唯一的冷卻器供應鏈，1970年到1990年都主攻乘用車散熱市場，但從2004年開始全面轉向數字與能源熱管理領域，目前摩丁製造業務部門分包括“性能技術”（Performance Technologies）和“氣候解決方案”（Climate Solutions）兩大類，2024財年收入佔比分別爲57%/43%，其中“性能技術”部門負責汽車和工業等領域的液冷和風冷系統產品，“氣候解決方案”部門負責換熱器、商用暖通空調和數據中心液冷系統。近年來伴隨隨着AI大模型快速發展，摩丁製造液冷+數據中心等新興業務收入佔比已達1/3以上，是市場關注的公司後續增長引擎。
液體的冷卻能力是空氣的1000-3000倍，液冷技術以其高效的散熱能力，能非常有效地降低數據中心的PUE。目前液冷有冷板、浸沒、噴淋三種方式，未來隨着伴隨AI發展，機櫃密度與功率不斷提升，浸沒式液冷是長期發展方向。
數據中心熱管理系統將極大程度受益於AI技術的發展。首先是單機算力要求增加，隨着NLP領域的突破，AI能力出現拐點，逐步從預測推斷走向內容生成。未來多模態數據成爲大模型訓練主要數據，對於算力需求是文本數據的百倍，大模型算力需求6個月翻一番的趨勢，預計至少持續到2030年。其次是由於算力需求的指數增加，算力平臺從單機走向集羣。超大規模集羣的建設對集羣熱管理提出了更高的要求。
目前不同功率的數據中心採用不同的冷卻方式，當前超過80%數據中心製冷技術以風冷爲主。風冷是將空氣作爲冷媒，把服務器主板、CPU等散發出的熱量傳遞給散熱器模塊，再利用風扇或空調製冷等方式將熱量吹走。而液冷是比較新的散熱方式，通過外部冷卻水或冷凍水系統實現系統換熱。根據國家對數據中心的節能要求，全國範圍內新建數據中心要求PUE（Power Usage Effectiveness，電源利用效率）＜1.2，液體的冷卻能力是空氣的1000-3000倍，液冷技術以其高效的散熱能力，能非常有效地降低數據中心的PUE。針對AI需求的超大規模集羣會將液冷作爲首選。
目前液冷有冷板、浸沒、噴淋三種方式，冷板式類似於睡涼蓆，對原有IT基礎設施的要求和改造小，目前應用進展比較快；浸沒式液冷類似於泡涼水澡，讓發熱器件直接與液體接觸，散熱效率最高，但是技術難度相對比較大。噴淋式液冷類似領域還處於發展初期、技術突破階段。
2023年液冷在數據中心的滲透率在5%-8%左右，隨着芯片側、機櫃側和生態側的共同促進，未來3-5年液冷在數據中心的滲透率有望提升到30%。其中2021年，我國液冷服務器出貨量在整個服務器市場的佔比不到1.0%，IDC預測，2026年中國液冷服務器在整體服務器出貨量中的佔比將會超過10%，成爲增速最快的服務器子市場之一。
在其他場景中同樣需要熱管理部件的參與，如在電力轉換場景中，充電樁、槍線液冷機組、樁式液冷機組、換電站液冷系統、PCS液冷系統、冷板等熱管理系統及零部件均有廣泛應用；在風光儲氫能場景中，變壓器片散熱器、風電變壓器冷卻模塊等有所應用；在人型機器人場景中，熱管理技術與新能源車熱管理技術同源，解決電池及頭部、軀幹、四肢等執行系統的熱管理問題，同時對小型化和輕量化提出了更高的要求
Part 3 熱管理國產化的新機遇
我國汽車熱管理市場之前主要由國外廠商佔據，如日本電裝、德國馬勒、法國法雷奧等，他們依託自身在傳統汽車熱管理領域的技術和客戶資源的積累，主導燃油車熱管理市場，後續隨着電動汽車銷量的快速提升，中國主機廠開始逐步走向世界舞臺，我國也涌現出一批自主研發能力較強的熱管理零部件企業推行國產替代；2023A，中國汽車熱管理市場規模1000億，其中A股上市公司熱管理業務合計收入~600億元，A股上市公司市佔率~60%，其他400億爲非上市公司和外資廠商。2023年，中國自主品牌在中國汽車市場的市佔率實現56%，整車國產化率的領先利好配套的中國汽車零部件企業。未來國產企業的質量及成本效率會持續提升，逐步對高端熱管理市場進行替代，伴隨中國自主品牌主機廠的進一步崛起，熱管理零部件及系統市場的國產化率會進一步攀升。
結束語
我們充分意識到熱管理行業的機遇和挑戰。中國熱管理行業在中國電動車和新興場景的浪潮下，正在人才、設備、工藝方面都取得了長足的進步：在大功率與集成化的時代，我們要銳意進取、穩紮穩打，積極尋求多條創新技術路線，突破目前的能效瓶頸，應對各場景爆發對熱管理的大量需求。中國工業的彎道超車同時也給中國熱管理企業帶來了走向世界浪潮之巔的機會。我們對熱管理行業整體發展空間保持關注與信心
參考資料：
1. 中金公司研究部：開特股份：汽車熱管理產品“小巨人”，蓄勢待發向未來
2. 華西證券研究部：銀輪股份-摩丁製造對比報告
3. https://mp.weixin.qq.com/s/nUKBCgfgqbrgr5xhauxyIQ
4. https://mp.weixin.qq.com/s/u7IFnT5ZwbmdWfW0ar2b3g
5. https://mp.weixin.qq.com/s/CShPnyOcj9cKs6G3AfgE2w
6. https://mp.weixin.qq.com/s/79GZFAXpfr_UohBgRKRzmQ