电动车热泵空调系统研发加速，未来深度替代市场广阔.pdf

- 1 - 敬请参阅最后一页特别声明 市场数据 (人民币） 市场优化平均市盈率 18.90 国金汽车和汽车零部件指数 2496.59 沪深 300 指数 3173.64 上证指数 2598.85 深证成指 7504.72 中小板综指 7543.86 相关报告 1. 补贴退坡引发销量结构剧变 ， 高续航高能量密度趋势促成新能源车热管理快速增长-新能源车热管理行业点评， 2018.8.21 2. EV热管理有望成为新的增长点 -三花智控公司深度研究， 2018.4.9 3. 热管理将成为新能源汽车下一个风口 -新能源车热管理行业深度研究， 2018.3.19 4. 新能源汽车热管理成为增长重点 -银轮股份公司深度研究， 2018.3.11 张帅 分析师 SAC 执业编号： S1130511030009 (8621)61038279 zhangshuai gjzq 电动车热泵空调系统研发加速 未来深度替代市场广阔 行业观点 热泵空调是纯电动汽车制热 有效 解决方案。 在动力电池没有突破性进展的情况下要保证低能耗制热，热泵空调是为数不多的可行技术 ， 效能系数 比 PTC加热高出 2-3 倍 ， 可以 有效延长 20%以上的 续航里程 。 当前 电装、法雷奥、翰昂、马勒等国际 热管理巨头均已 推出 车载热泵空调系统且有多款车型问世，国内零部件企业也已形成供应体系。 热泵空调在电动汽车领域深度替代趋势已经显现。 国外搭载技术已经过5 年验证，日产 Leaf、丰田普锐斯 、宝马 i3、大众电动高尔夫均已量产装车； 国产电动汽车完成热泵装载从 0 到 1 的突破，荣威 Ei5、荣威MARVEL X、长安 CS75 PHEV 等三款车型覆盖纯电和混动 。 热泵系统单车价值高，渗透加速，预计 2025 年市场规模达 150 亿元。 单车价值 3300 元左右，比传统空调高出 1000 元。 2017 年电动车空调国内市场规模为 18.3 亿元，预计到 2020 年翻三倍达到 54 亿元；全球市场规模 2017 年为 40.6 亿元，预计 2020年达到 117 亿元。 以 2020 年热泵系统 10%的替代率计算则有超过 16 亿空间 ， 2025 年30%渗透率市场空间将近 150 亿元。 另外 在家用方面地源、水源、空气源热泵的市场空间更大，但电动车用热泵对于汽零企业是一个全新的增量市场，可为提前布局的企业提供更多增长的确定性。 投资建议 热泵空调作为热管理行业的先进技术，其优秀的节能性、更高的单车价值将配合电动汽车的高速增长为提前布局的标的带来增 长的确定性 。 当前我们保持预期并持续推荐该板块。 三花智控继续加码热泵空调，已形成完整热泵解决方案 。 联合海尔在杭州组建空气源热泵技术联合实验室，同时加盟电动车 CO2热泵空调系统开发技术联盟，将与东风汽车等多家公司共同研发 CO2热泵空调 应用 ； 银轮股份新能源热泵系统在改装的江铃 E400 上成功运行 ， 蒸发器、冷凝器、换热器、暖芯、 PTC、电子水泵等核心部件全部自制 ； 中鼎股份 收购德国 TFH， 积极布局新能源车冷却系统 管路总成， 向系统供应商转型。 股票名称 收盘价 EPS PE 2017 2018 2019 2017 2018 2019 三花智控 11.62 0.58 0.59 0.71 31 20 16 银轮股份 7.06 0.36 0.47 0.56 27 15 13 中鼎股份 * 9.40 0.91 1.06 1.24 20 9 8 来源： *Wind 一致预测 ，国金证券研究所 风险提示 新能源汽车发展不及预期 ； 热泵空调渗透速度不达预期 ； 原材料成本波动； 传统汽车业务下滑拖累整体净利润 。 2403280232013600399943974796171030180130180430180731国金行业 沪深 300 2018年 10月 28 日 新能源与汽车研究中心 汽车和汽车零部件 行业研究 买入 （ 维持评级 ） ) 行业深度研究 证券研究报告 行业深度研究 - 2 - 敬请参阅最后一页特别声明 内容目录 一、总论 .4 二、热泵空调关键技术与零部件 .5 2.1 热泵空调系统原理 .5 2.2 制热模式下热泵空调可使能量效率大幅提升 .5 2.3 低温制热效率有限问题已有多种解决方案 .7 2.4 四大核心零部件：电动压缩机、电子膨胀阀、四通换向阀、换热器 .7 三、系统方案与零部件供应已成体系， CO2挑战传统冷媒 .9 3.1 国际一级供应商已推出较完善的系统解决方案 .9 3.2 国内供应商全覆盖零部件 . 11 3.3 CO2制冷剂有望成为热泵最佳选择 .13 四、热泵系统应用：国外技术成熟，国内上汽领先 .15 4.1 国外应用多款车型，捷豹 i-Pace 接力成熟热泵技术 .15 4.2 国内应用上汽突破从 0到 1， MARVEL X再续 Ei5 热泵优势 .16 4.3 搭载车型逐渐增多，热泵系统渗透加速，市场巨大 .17 五、投资机会 .19 六、风险提示 .20 图表目录 图表 1：热泵核心零件厂商 .4 图表 2：新能源车空调系统市场规模（亿元） .4 图表 3：新能源车载热泵零部件市场空间预测（亿元） .4 图表 4：热泵系统原理图 .5 图表 5： PTC 风暖加热器 .6 图表 6： PTC 水暖加热器 .6 图表 7：奔驰 SL 头颈暖风系统 .6 图表 8：奔驰 SL 头颈暖风系统原理 .6 图表 9：加热功耗与里程关系曲线 .7 图表 10：三种典型配置 .7 图表 11：格力双级增焓热泵系统 .7 图表 12：格力双极增焓压缩机 .7 图表 13：热泵空调结构 .8 图表 14：热泵系统关键零部件 .8 图表 15：丰田普锐斯 Prime PHEV 搭载电装热泵技术 .9 图表 16：法雷奥 HFO-1234yf 热泵系统 .9 图表 17：法雷奥电动压缩机 .9 图表 18：翰昂热泵系统 .10 行业深度研究 - 3 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表 19：翰昂电动压缩机 .10 图表 20：马勒 MEET 概念车 .10 图表 21：博世热泵方案 . 11 图表 22：三花智控热泵零部件 . 11 图表 23：江铃 E400 .12 图表 24：奥特佳电动涡旋压缩机 E66A.12 图表 25：电动压 缩机市场份额 .12 图表 26：制冷剂环保与安全性能比较 .13 图表 27： CO2与 HFO-1234yf 空调系统综合比较 .13 图表 28：三花智控适用 CO2制冷剂产品 .14 图表 29：法雷奥 CO2热泵空调 .14 图表 30：搭载热泵空调车型 .15 图表 31：宝马 i3 .15 图表 32：雷诺 Zoe 热泵方案 .15 图表 33：奥迪 R8 热泵空调 .15 图表 34：大众 e-Golf 热 泵 .15 图表 35：大众 e-Golf 热泵方案 .15 图表 36：捷豹 i-pace 轿跑 SUV .16 图表 37：荣威光之翼 MARVEL X .16 图表 38：荣威 Ei5 .16 图表 39：长安 CS75 PHEV 9 月上市 .17 图表 40：我国搭载热泵车型销量预测（万辆） .17 图表 41：新能源车空调系统市场规模（亿元） .18 图表 42：新能源车载热泵零部件市场空间预测（亿元） .18 图表 43：重点关注公司 .19 行业深度研究 - 4 - 敬请参阅最后一页特别声明 一、总论 热泵 空调 是一种可以将低位热源的热能强制转移到高位热源的空调装置 ，在冬季制热工况下 COP 可达 2-4， 能效 多倍于 当今普遍使用的 PTC 加热 ，可以 有效延长 20%以上的 续航里程 。且限制其使用的低温 结霜问题 也已有多种解决方案， 是目前为数不多适用于电动汽车制热的有效技术。 核心零 件 包括 四通换向阀、电动压缩机、电子膨胀阀、换热器 等，国内厂商已完成零部件全覆盖 ，主要包括三花智控、银轮股份 、奥特佳 。 图表 1： 热泵核心零件厂商 零件 厂商 电动压缩机 奥特佳、翰昂、三电、松下、重庆建设 四通换向阀 三花、 不二工机、 TGK、 Egelhof、 宁波松鹰 电子膨胀阀 换热器 银轮、 贝洱 、松芝、电装、康奈克、德尔福 来源： 公开信息， 国金证券研究所 热泵空调成为车载空调新趋势。 搭载车型逐步增加，国外搭载技术已经过 5 年验证，日产 Leaf、丰田普锐斯等销量极佳。 近期捷豹 i-pace 也将搭载热泵空调系统。 国产电动汽车完成热泵装载从 0 到 1 的突破，荣威 Ei5、荣威MARVEL X、长安 CS75 PHEV 等三款车型覆盖纯电 和 混动 ，其中荣威 Ei5 年底销量有望突破 3 万。 到 2020 年热泵渗透率可达 10%，2025 年可达 30%。 单车价值为 3300 元左右，比传统空调高出 1000 元。 2017 年电动车空调国内市场规模为 18.3 亿元，预计到 2020 年翻三倍达到 54 亿元；全球市场规模 2017 年为 40.6 亿元，预计 2020年达到 117亿元。 以 2020 年热泵系统 10 %的替代率计算则有超过 16 亿空间 ， 2025 年30%渗透率市场空间将近 150 亿元。 另外 在家用方面地源、水源、空气源热泵的市场空间更大，但电动车用热泵对于汽零企业是一个全新的增量市场，可为提前布局的企业提供更多增长的确定性。 图表 2：新能源车空调系统市场规模（亿元） 图表 3：新能源车载热泵零部件市场空间预测（亿元） 来源：中汽协，国金证券研究所 来源：中汽协，国金证券研究所 国际一级供应商 电装、法雷奥、翰昂、马勒 、博世 等早已推出系统解决方案， 电装深耕日系车企，热泵 至少 装配三款车型，技术成熟经验丰富 ； 法雷奥推出新型制冷剂 HFO-1234yf 热泵系统；翰昂系统及零部件全产业链供应； 博世拥有 成熟的 电动整车热管理系统方案。 国内供应商 加码热泵空调， 动作不断。 三花智控完成除压缩机外零部件全覆盖 ，且在 CO2 制冷剂布局超前 ； 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 ； 格力日前 也 发布 了 搭载双极增焓技术的车载热泵系统 。 行业深度研究 - 5 - 敬请参阅最后一页特别声明 二、热泵空调关键技术与零部件 2.1 热泵空调系统原理 热泵是一种 可以 将低 位 热源的热能 强制 转移到高位热源的 空调 装置， 类似可以将低处的水泵到高处 的“水泵” 。 使用四通换向阀 可以使 热泵空调的蒸发器和冷凝器 功能互相对换， 改变热量转移方向 ，从而达到夏天制冷冬天制热的效果。 这样相对宝贵的电能在制热的过程中 可以仅作为热量的“搬运工”，而不是自身转换成低品位的热能。 热泵空调 的工作原理 基于“逆卡诺循环” ， 如下图所示 ， 制热模式下 1.蒸发器从环境中吸取 热量 进入 热泵系统， 2.低压工质 被压缩 升温 ， 3.高温高压工质在冷凝器中与舱内空气换热 ， 4.加热后的空气被送入车厢内， 5.高压工质经膨胀阀成为低温低压气体完成循环 。 图表 4：热泵系统原理图 来源： Nissan，国金证券研究所 2.2 制热模式下热泵空调可使能量效率大幅提升 传统汽车 空调的制热采用发动机冷却液作为热源， 结构简单且无额外经济付出 。 电动汽车 则因 缺乏 现成 热源 而 多采用 PTC 材料 进行 电加热 ， 但能耗巨大， 这将大大缩减 续航里程。 PTC 指 正温度系数热敏电阻 ，电阻 与温 度 正相关 ，当外界温度降低，PTC 电阻值随之减小， 通电 发热量会相应增加。 但 PTC 方案能耗巨大，在寒冷的冬天打开暖风空调，电池续航减少三成甚至一半，目前大多数电动车并未考虑极寒条件下应用的场景，所以短期内 PTC 方案成为了大多数电动车的首选。 目前 PTC 加热器有两中方案：风暖和水暖， 差异在于，采暖风时冷风是和 PTC 散热片 直接换热，还是和流有被加热冷冻液的换热器换热 。随着液冷方案的普及，液体加热器也必然将成为主流。 行业深度研究 - 6 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表 5： PTC 风暖加热器 图表 6： PTC 水暖加热器 来源： BorgWarner， 国金证券研究所 来源： Eberspcher， 国金证券研究所 一般电动汽车的 PTC 功率大致在 1-6kw，完成除霜功能按面积大小需要功率在 2-3kw左右， PTC 水加热则需要 4-6kw左右，例如蔚来 ES8采用了前置 5.5kw 后置 3.7kw 的双 PTC 组合。 以当前主流的续航300km 平均带电量 35kw 为例，以平均 30km/h 的城市车速行驶和2kw 的 PTC 加热，续航里程将缩减为 191km，减少 36%。 图表 7：奔驰 SL 头颈暖风系统 图表 8：奔驰 SL 头颈暖风系统 原理 来源：奔驰，国金证券研究所 来源：奔驰，国金证券研究所 一般可以用 所转换热量与输入能量之间的比值 COP（能效比） 来衡量 空调器性能的好坏， COP 越高说明空调的转化效率越高、越节能。 PTC 制热的COP 仅为 1，而热泵 制热时 的最低理论 COP 也高于 1，在实际中一般可以达到 2-4，即相同能耗下产生的热量是 PTC 的 2-4 倍。 = 1，其中 为 高温 温度， 为 低温 温度 仍以续航 300km带电 35kw的典型电动车为例， 使用热泵空调将 加热功率下降至 1kw， 则续航 里程减少为 233km， 远高于 PTC 制冷的 192km。 可见 在动力电池没有突破性进展的情况下要保证低能耗制热，热泵空调是为数不多的有效技术。 行业深度研究 - 7 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表 9： 加热功耗与里程关系曲线 图表 10： 三种典型配置 仅 PTC 仅 热泵 热泵 +PTC 原续航里程 300km 300km 300km 平均加热 能耗 2kw 1kw 1.5kw 续航里程 192km 233km 210km 续航时间 6.4h 7.8h 7h 里程变化 -36% -22% -30% 来源：国金证券研究所 来源：国金证券研究所 2.3 低温制热效率有限问题已有多种解决方案 当前热泵空调 还存在的主要难点是 室外换热器的结霜问题 ， 在环境温度低于 0且小于湿空气露点温度时换热器表面在短时间内就会被霜层 覆盖从而降低冷却液与空气间的换热系数，这样无法充分利用热源致使实际 COP较低，因此 实际装车往往会配备辅助 PTC 加热器 。 格力日前发布了其搭载双极增焓技术的车载热泵系统 ，能在 -3054可靠运行，在测试中空调耗电量 可 降低 60% ， 整车续航里程提升 13%。 奥特佳此前也发布过其补气增焓低温热泵系统 ， 应用了蒸汽喷射式涡旋压缩机 、补气增焓换热模块等技术，通过压缩机中间补气降低压缩机的排气温度，实现低温环 境下的高效制热 ， 可以在 -20环境温度下提供 4-5KW 制热能力，保持 2.0 以上的系统运行 COP。 松芝股份采用 小管径铜管铝翅片结构的室外换热器 ，有效解决了微通道换热器在热泵模式下容易结霜的问题，实现了热泵系统在低温环境下的长时间工作， 10 、 -15下系统制热能效比 COP 分别达到 1.66 与 1.4，已应用于北汽福田等客车厂整车的新能源汽车低温变频热泵空调系统。 图表 11：格力双级增焓热泵系统 图表 12：格力双极增焓压缩机 来源：格力，国金证券研究所 来源：格力，国金证券研究所 2.4 四大 核心 零部件 ：电动压缩机、电子膨胀阀、四通换向阀、换热器 热泵空调系统的结构相对复杂， 关键零部件有四通换向阀、电动压缩机、电子膨胀阀、换热器、气液分离器、电子阀等 ，其他零部件则与传统汽车空调差别不大。 01002003004000 0.5 1 1.5 2 2.5 3续航里程（km）加热功率（ kw） 行业深度研究 - 8 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表 13：热泵空调结构 来源：电动汽车空调 热泵冷暖双模式是未来，国金证券研究所 电动压缩机 是电动机与压缩机的一体化产品 ，两者共用同一主轴，由于电动涡旋压缩机具有结构紧凑、可靠性高、排液连续等特点是电动汽车压缩机的最佳选择。 电动压缩机价值在 1600 元左右，占热泵空调价值 40%以上，因此竞争相对激烈，国内电动压缩机以奥特佳为首。 四通换向阀是热泵空调运转的核心 ，由电磁先导阀和四通主阀通过导向毛细管连接构成，控制冷却液的流向从而转换制冷制热模式，结构复杂容易损坏。目前三花智控是国内外一流的阀体供应商，市场份额国内 35%、国外 20%。 电子膨胀阀 在温度 调节范围、控制精度、过热度控制以及反应速度上对比传统的热力膨胀阀都有明显优势，尤其适合作为热泵空调的主要节流零件。 同四通阀，电子膨胀阀以三花智控为首， 不二工机、 TGK、Egelhof 等国外竞争对手也有较强实力。 换热器需要冷热两用，既是冷凝器又是蒸发器 ，一般采用微通道平行流换热器。 换热器制造门槛较低，但在热泵系统中可以决定使用温度下限，国内银轮股份是热交换器的龙头。 图表 14：热泵系统关键零部件 关键零件 用途 供应厂商 电动压缩机 将气态冷媒压缩为高温高压流体，其排量决定制冷制热功率 奥特佳、翰昂、三电、松下、重庆建设 四通换向阀 通过改变制冷剂的流动通道，改变制冷剂流向 ，切换室内外换热器功能 三花 智控 、 不二工机、 TGK、Egelhof、 宁波松鹰 电子膨胀阀 使 中温高压的液体制冷剂通过其节流成为低温低压的湿蒸汽 换热器 低温低压蒸汽吸热升温，高温高压液体散热降温 银轮 股份 、 贝洱 、松芝、电装、康奈克、德尔福 来源： 公开信息， 国金证券研究所 行业深度研究 - 9 - 敬请参阅最后一页特别声明 三、系统方案与零部件供应已成体系， CO2 挑战传统冷媒 3.1 国际一级供应商已推出较完善的系统解决方案 电装、法雷奥、翰昂、马勒等国际 一级供应商占据全球 55%以上热管理市场份额，已纷纷踏足电动汽车热管理领域，各自推出自家热泵空调解决方案，多款搭载车型已经问世 。 电装 深耕日系车企， 热泵 装配 三款车型，技术成熟经验丰富。 Denso 电装是全球前四的零部件巨头， 2017 年其销售额达到 45271 亿日元，其中热管理业务占 30%。早在 2013 年就已推出 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 ，在雷诺 Zoe 和日产 Leaf上搭载，其中 Leaf 是全球销量最多的电动汽车。 2017 年电装又继续研发新型热泵搭载于丰田普锐斯 Prime PHEV 上，将工作范围扩展至 -10 ，且比原先版本节能 63%。 图表 15：丰田普锐斯 Prime PHEV 搭载电装热泵技术 来源：丰田普锐斯，国金证券研究所 法雷奥推出新型制冷剂 HFO-1234yf 热泵系统。 法雷奥 针对不同的客舱大小与空调需求研 发了多种热泵结构，使用具有超低 GWP 的 最新制冷剂HFO-1234yf。还开发了 包括水冷式冷凝器 在内的 间接热泵 ，获得 2016 年PACE 奖，在冬季条件下 可延长 高达 30的行驶里程。 图表 16： 法雷奥 HFO-1234yf 热泵系统 图表 17：法雷奥电动压缩机 来源：法雷奥，国金证券研究所 来源：法雷奥，国金证券研究所 行业深度研究 - 10 - 敬请参阅最后一页特别声明 翰昂系统及零部件全产业链供应。 翰昂前身是福特汽车与韩国万都组建的汽车空调企业，当前已成为业界仅有的两家汽车热管理解决方案全系列产品供应商之一，也是是特斯拉空调系统的供应商。 当前翰昂已为起亚秀尔供应热泵空调系统方案，在热泵基础上还使用两个乙二醇回路来收集电池与电控的热量作为额外热源，可节省 30%-40%电量。 图表 18：翰昂 热泵系统 图表 19：翰昂电动压缩机 来源： 翰昂 ，国金证券研究所 来源： 翰昂 ，国金证券研究所 马勒 MEET 概念车集成热管理技术。 马勒在其 48V 城市交通概念车 MEET中集成了自身热管理技术， 利用电机和电力电子器件产生的余热并配合马勒的冷却液热泵， 在 0下 可提升 20%的续航里程 。 图表 20：马勒 MEET 概念车 来源：马勒，国金证券研究所 博世 拥有电动整车热管理系统方案。 博世智能热管理技术 方案的核心在于使用热泵以及冷却水泵和水阀相结合的水冷循环回路， 制冷剂（绿色部分）的热泵空调系统可控 地 对冷却液 （ 黄色部分）管路进行制冷和制热 ，对电驱动 废热以及 PTC 产生的热量 加以利用，并且可以 对锂电池 组 进行温度调节 。 结合制冷剂、冷却液、空气 间 的热交换，对电驱动模块、锂电池系统、车厢内部的温度进行综合控制是博世这套基于热泵的热管理系统最突出的特点 ， 可使电动汽车在冬季城市路况条件下的续航里程增加 25%。