基于專利分析的新能源整車智能熱管理技術發展現狀研究

【歡迎引用】馬天舒， 葉曉雪， 鄭銳， 等. 基于專利分析的新能源整車智能熱管理技術發展現狀研究[J]. 汽車文摘， 2024（XX）： 1-11（待定）.

【Cite this paper】MA T S， YE X X， ZHENG R， et al. Research on Intelligent Thermal Management Technology for New Energy Vehicles Based on Patent Analysis[J]. Automotive Digest （Chinese）， 2024（XX）： 1-11（待定）.

【摘要】整車智能熱管理在新能源汽車技術進步中扮演著關鍵角色，但與燃油車相比，新能源車的熱管理系統更為復雜，對電池、電機和充電系統均提出了更為苛刻的要求。為了探究現階段新能源汽車整車智能熱管理領域的專利布局和研發重點，本文從宏觀和微觀的角度對我國新能源整車智能熱管理技術的專利進行了系統分析，梳理了熱管理模塊、熱管理架構等方面的關鍵技術點，并剖析了技術方案的發展方向。分析結果表明，隨著熱泵空調、液冷技術以及熱管理集成化等技術的持續演進，熱管理系統將趨向更高的精度和效率，整車智能熱管理技術正迎來新的浪潮。

關鍵詞：新能源汽車；整車智能熱管理；專利分析

中圖分類號：U463.4；G255.53"""" 文獻標識碼：A"""" DOI：10.19822/j.cnki.1671-6329.20240071

Research on Intelligent Thermal Management Technology for New Energy Vehicles Based on Patent Analysis

Ma Tianshu1， Ye Xiaoxue1， Zheng Rui2， Wang Liangliang1， Wang Jing1

（1.China Automotive Technology and Research Center Co.，Ltd.， Tianjin 300300; 2.Dongfeng Commercial Vehicle Co.，Ltd.， Wuhan 430056）

【Abstract】The intelligent thermal management of the entire vehicle plays a key role in the technological progress of new energy vehicles. However， compared with fuel vehicles， the thermal management system of new energy vehicles is more complex and imposes stricter requirements on batteries， motors， and charging systems. To explore the current patent layout and research and development focus in the field of intelligent thermal management for new energy vehicles， this article systematically analyzes the patents of China's new energy vehicle intelligent thermal management technology from both macro and micro perspectives. It sorts out key technical points in thermal management modules and thermal management architectures， and dissects the development direction of technical solutions. The analysis results indicate that with the continuous evolution of technologies such as heat pump air conditioning， liquid cooling technology， and integrated thermal management， the thermal management system will tend towards higher precision and efficiency. Intelligent thermal management technology for the entire vehicle is ushering in a new wave.

Key words： New Energy Vehicles， VehicleIntelligent Thermal Management， Patent Analysis

0引言

隨著全球環保意識的不斷提升和能源問題的不斷加劇，新能源汽車已成為全球汽車工業轉型、走向綠色發展的核心趨勢，同時也是中國汽車產業實現高品質發展的戰略舉措[[參考文獻

[]王從飛， 曹鋒， 李明佳， 等. 碳中和背景下新能源汽車熱管理系統研究現狀及發展趨勢[J].科學通報， 2021， 66（32）： 4112-4128.]]。然而，新能源汽車在運行過程中，電池、電機、充電系統等關鍵部件的熱管理問題尤為關鍵，直接影響到車輛的性能和安全，因此對整車智能熱管理系統提出了更加精細、嚴格的要求。

熱管理系統在新能源汽車中的核心功能是保障車輛各關鍵部件維持在理想的溫度范圍內運作，通過系統軟件并結合多個信息對整車所產生的熱量進行統一管理，實現對熱量高效利用的同時讓整車獲得更佳的續航能力。其中，智能化主要體現在高度集成化的設計、多源信息的綜合運用、智能控制策略的應用以及系統的功能一體化和結構模塊化等方面，不僅提高了能效和續航能力，還增強了用戶的駕駛體驗和車輛的安全性能。整車智能熱管理系統主要內容包括：（1）通過對電池包的溫度管理，確保充放電過程中的效能與安全性；（2）通過對電動機的溫度控制，避免由于高溫而導致的性能衰減或損壞；（3）通過對電子控制單元的散熱處理，維護電子零件的穩定性與可靠性。為了達成以上目標，新能源整車智能熱管理系統運用了眾多技術手段，比如使用尖端傳感器實時跟蹤關鍵部件的溫度，利用復雜算法對數據進行分析以預測熱行為并適時調整。熱管理系統還可以集成可調節冷卻液流量、熱交換器管理以及智能控制加熱和制冷裝置等高級功能，以應對多樣的工作狀態和環境變化[[[] 詹振飛， 毛青， 孫博文. 汽車熱管理系統的未來之路[C]//重慶汽車工程學會.重慶汽車工程學會2023年論文匯編， 2024： 4. ]]。

本文通過對新能源汽車的整車智能熱管理系統進行專利分析，詳細探討了其專利布局和研發的重點。通過對核心技術專利的深入剖析，旨在向國內研發團隊和企業提供信息，為其在技術開發和戰略部署上提供參考。

1 整車智能熱管理技術專利申請趨勢分析

本文使用的專利檢索數據庫為中國汽車技術研究中心有限公司自主研發的全球汽車專利大數據平臺，專利選取范圍以公開日為入口，自2004年7月1日起，截至2023年6月30日，對近20年的中國專利數據進行了統計分析。

新能源整車智能熱管理技術的中國專利申請-公開趨勢見圖1。截至2023年6月30日，我國新能源整車智能熱管理技術相關專利申請量為21 273件。雖然相關研發起步較早，但直到2008年，隨著《新能源汽車生產準入管理規則》[[[] 汪前元， 張全紅. 汽車大考—

《新能源汽車生產準入規則》對我國汽車行業發展的影響及應對策略[J]. 中國外資， 2008（1）： 12-14.]]正式開始實施，我國新能源汽車才進入了全新的發展階段，整車智能熱管理技術的專利申請量也進入了第一次快速發展階段；2015年，國家對純電動汽車補貼力度的進一步加大，國內外各大整車集團，如大眾、豐田、通用、寶馬等紛紛發布新能源戰略規劃，新能源整車智能熱管理技術專利申請量進入第二次發展期，并在2018年達到頂峰；2020年專利申請量雖略有下降，但新能源整車智能熱管理在液體溫控、仿真建模、座艙熱管理等方面還存在很多需要改進的技術和需要提升的性能指標，在當前大力發展汽車集成化、智能化背景下有望迎來進一步發展。

2 整車智能熱管理技術創新主體分析

圖2顯示了我國新能源整車智能熱管理技術專利申請前10位申請人的分布情況。其中，整車企業有8家，僅有現代和福特22家國外企業，說明我國新能源整車智能熱管理技術發展勢頭迅猛，經過多年的努力，在整車智能熱管理相關技術方面占據主導地位。國內企業中，比亞迪以624件位居第一，吉利、一汽緊隨其后。零部件企業華霆動力和寧德時代排名靠前，專利布局均集中在電池溫度控制領域。

3 整車智能熱管理技術重要技術分支專利分析

3.1 各分支專利申請情況

本文將新能源整車智能熱管理技術分為整車熱管理架構、座艙熱管理模塊、動力系統熱管理模塊以及非純電動汽車溫控方案4個技術分支。其中，整車熱管理架構是指車輛在運行過程中對熱量的控制和管理系統，目前多采用液體溫控方案，實現對電池、電機等核心部件的更好的冷卻效果。座艙熱管理模塊是指對座艙內溫度的控制，目前普遍使用的為正溫度系數（Positive Temperature Coefficient， PTC）空調和熱泵空調系統，在提高續駛里程的同時，還能提升座艙的舒適性。動力系統熱管理模塊具體包括電池溫度控制、電機溫度控制和充電系統溫度控制，非純電動汽車溫控方案則以混動汽車和增程式汽車的溫控方案為主[[[] 陳永紅， 何林鍵. 新能源汽車動力電池熱管理技術淺析[J].時代汽車， 2023（19）： 76-78.]]。

從表1可以看出，動力系統熱管理模塊的專利申請量最大，占比高達73.83%，說明申請人在該領域的研發投入最大，這可能是因為“三電”系統是新能源汽車最核心的部件，對動力系統的熱管理直接影響著整車智能熱管理的能效。其次為整車熱管理架構，占比12.67%，說明企業也在積極開展針對此領域的研究，推動整車熱管理架構的集成化和智能化研究，將是今后電動汽車的研發熱點。座艙熱管理模塊和非純電動汽車溫控方案的占比較少，均不足10%；其原因可能與熱泵空調的高成本以及開發難度大有關，阻礙了其在電動汽車上的發展，而混動汽車和增程式汽車與純電動汽車的熱管理架構類似，申請人并未在該領域過多的進行單獨的專利布局。

3.2 動力系統熱管理模塊專利分析

新能源汽車的動力系統核心為“三電”系統，因此對動力系統的熱管理也圍繞著“三電”系統的溫度控制展開。其中動力電池的最佳工作溫度應維持在25～40℃之間，因此它既需要適當的保溫措施，又需配備有效的散熱方案來保持其溫度穩定。同樣地，電機的運行效率和壽命也受到溫度影響，高溫環境可能會縮短其使用期限[[[] 馬浩然， 李佳輝， 畢崟. 新能源汽車熱管理研究綜述[J]. 汽車實用技術， 2023， 48 （8）： 1-9. ]]。

3.2.1 電池溫度控制

如圖3所示，電池溫度控制領域的中國專利申請整體處于穩定上升區間，隨著2016年以及2019年新能源汽車的22次在政策與市場端的雙重刺激，該領域的專利布局也呈現出相應的陡增態勢。電池溫度控制領域的專利申請中，純機械結構的發明構思逐漸增多，涉及實現方法、軟件、策略的技術方案占比略少；但隨著電動控制技術的飛速發展，涉及控制方法類的發明專利申請量有望進一步提高。

申請人TOP10中，比亞迪處于絕對龍頭企業地位。供應商企業中，華霆動力技術優勢凸顯。傳統供應商企業寧德時代、蜂巢、國軒高科、億緯動力在該領域的專利布局較為突出。國內整車企業北汽新能源、吉利、一汽在本領域具有優勢專利地位；國外僅有福特一家企業上榜，位居第10。

在電池溫度控制領域，冷卻技術主要劃分為風冷、液冷和直冷3種類型。風冷技術通過自然風或車輛空調系統中的冷風在電池表面流動來實現散熱目的；液冷技術則依靠一套獨立的冷卻系統，利用冷卻液來調節動力電池的溫度，這種方法目前被廣泛采用；而直冷系統則簡化了過程，無需使用冷卻管道，而是直接應用制冷劑對電池進行冷卻處理[[[] 叢昊天， 秦妍， 陳聰， 等. 電動汽車動力電池熱管理系統設計[J].制冷與空調， 2024， 24（6）： 34-42.]]。例如，賽力斯專利CN116353287A[[[] 孔鵬， 鄭登磊， 文浩懿， 等. 電動汽車熱泵空調系統控制方法、裝置、設備及存儲介質： CN116353287A[P]. 2023-04-13.]]在熱泵制熱時，利用第一預設安全閾值且冷卻液初始溫度較低判斷室外換熱器表面是否結霜，開啟電機加熱冷卻液措施快速加熱冷卻液溫度，以防止熱泵制熱時出現室外換熱器表面結霜，并通過不同結霜溫度值對應的電機加熱功率快速加熱冷卻液溫度，當達到第二預設安全閾值或冷卻液加熱后溫度較高時，退出電機加熱，由此可提前預防室外換熱器表面結霜，適用于怠速以及行駛過程中，保證了系統的正常運行。北汽新能源專利CN219286504U[[[] 薛志強， 黃榮， 袁文靜. 電池包和車輛： CN219286504U[P]. 2022-08-23.]]的電池包能夠利用液冷板直接對電池配電盒內的電器組件進行降溫，使電池配電盒的溫度能夠控制在均衡的范圍內，從而使電池包的整體安全性更高，電池包的性能更好。

3.2.2 電機溫度控制

從圖5所示的專利申請趨勢來看，新能源汽車的電機溫度控制技術仍處于發展期。該技術自2004年開始在中國有少量專利申請，申請量于2016年進入快速上升趨勢，每年申請量保持200件左右。2022年的專利還在申請中，預計今后專利申請量會進一步增長。

在電機溫度控制領域專利申請數量前10的企業中，珠海格力電器股份有限公司位列第一，整車企業有8家，全部為國內自主整車企業，說明電機溫度控制已成為國內整車企業關注的重點技術領域，投入了較多的研發成本。從整體專利申請情況來看，企業在該領域的專利布局不多，專利申請量還有進一步上升的空間。

電機溫度控制目前主要采取的冷卻策略為主動風冷和液冷2大類。風冷方式成本較低并且易于實施，但其散熱效能存在一定限制；相比之下，液冷是目前更為流行的選擇，它通過在電機控制器的底部設計水道，并讓冷卻液在其中循環流動，有效地吸收和轉移熱量，以此降低電機控制器的工作溫度[[[] 郝劉丹，尹欣欣，范浩.電動汽車電機控制器IGBT溫度控制裝置和策略[J].汽車電器，2022（10）：12-15.]]。例如，天津大學專利CN114389405A[[[] 王曉遠，梁慧靜，李娜.帶有定轉子一體化通風冷卻結構的電動汽車永磁電機： CN114389405A[P].2021-12-17.]]的定子通風道由機殼和定子鐵心的焊口組成，焊口在定子鐵心圓周上均勻分布，不僅起到了固定定子沖片的作用，還在不影響電機電磁效果的同時，起到了通風冷卻的效果，避免了設計單獨的通風道而導致電機體積過大，并且冷卻效果較好。金龍汽車專利CN217469648U[[[] 林慶劉，黃國坪，吳秋生， 等.一種水冷電機的冷卻水道：CN217469648U[P].2022-06-24.]]采用第一水道和第二水道的組合設計方式，使得冷卻液在冷卻水道中實現分流-合流-分流的動態變化過程，符合電機的熱量分布特點，有效地提高了冷卻液的流速和換熱面積，使得冷卻液的換熱效率和換熱效果得到顯著提升，更有利于電機的散熱冷卻。

3.2.3 充電系統溫度控制

圖7顯示了充電系統溫度控制領域的專利申請態勢。該領域的專利申請量自2015年開始高速增長，在2018年申請量達到頂峰之后，近幾年呈現波動下降趨勢，未來專利申請量走勢有待進一步關注。同時，發明專利占比近幾年有所提高，隨著新能源汽車相關技術的發展，該領域技術研發投入將持續提高，專利布局也將得到進一步優化。

從申請人來看，專利申請人前10名中，洛陽正奇機械有限公司位列第一，但是專利申請量并不大。除此之外，比亞迪、一汽和通用3家整車企業上榜，其余均為供應商企業；同時，國外企業占比較高，說明中國企業在該領域的技術研發還有上升的空間。

充電過程中，連接充電樁和汽車的接口系統都會暴露于高溫環境下。因此，為了確保能夠安全地監控汽車的溫度并防止過熱，對充電槍、充電樁的接線端口以及充電樁內部的絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor， IGBT）模塊進行溫度監測非常關鍵[[[]肖偉， 姚騰飛， 呂曉榮， 等. 電動汽車充電系統建模與安全性分析研究[J]. 自動化與儀器儀表， 2024（1）： 104-107.]]。從專利來看，充電系統溫控技術在充電座、充電用線纜、充電槍、充電樁等方面均進行了專利布局，分別從結構和控制方法2個方面進行技術的改進。例如，北京理工大學專利CN219286092U[[[]丹聃， 孫繼賢， 魏名山. 一種電動汽車快速充電用液冷線纜： CN219286092U[P]. 2022-11-08.]]通過設置絕緣分隔層，將無需冷卻的導線隔開，并讓制冷液從液腔直接流過，同時對DC+與DC-電源線路進行直接冷卻，避免換熱不均的問題，同時設置在電源線路中間的回流管也能對電源線路進行二次冷卻，進一步增強對充電線纜的冷卻效果。長安汽車專利CN103427137A[[[]馮超， 陳平， 陸中奎， 等. 純電動汽車動力電池的低溫充電加熱系統及加熱方法： CN103427137A[P]. 2013-08-20.]]在充電時，如果動力電池的溫度T≤5 ℃，且溫度極低的時候只進行加熱，溫度較低時，進行邊加熱邊小電流充電；如果動力電池溫度T＞5 ℃，則退出低溫加熱，進入正常充電模式；其能縮短低溫充電加熱時間，保證動力電池的正常充電，同時不影響動力電池的使用壽命。

3.3 整車熱管理架構技術專利分析

目前，整車熱管理的方式主要包括4類：自然冷卻、風冷、液冷、直冷。其中，風冷一致性差，冷卻效果難以控制，冷媒直冷技術難度較高。隨著集成式整車智能熱管理系統成為主導趨勢，液冷技術由于其較高的比熱容和更佳的冷卻效能，持續保持其在車輛熱管理領域的核心技術地位[[[] 張躍明. 純電動汽車整車熱管理系統研究[J]. 汽車測試報告， 2023（3）： 143-145.]]。

圖9為整車熱管理架構技術專利申請趨勢。從圖9可以看出，該領域專利數量前期發展緩慢，直至2015年才實現穩步快速增長。經過3年的快速增長，于2018年達到第一個申請量高峰；隨后雖然有所回落，但整體依然呈現上升趨勢，預計未來幾年將迎來快速發展。

圖10為整車熱管理架構的專利技術路線圖。對于整車熱管理架構技術整體發展而言，該領域始終以提高熱管理效率、降低能耗作為主要目標。2017年及以前的專利布局以簡單的結構優化為主，專利申請主要集中在對于整車熱管理系統的結構布置優化和液體溫控部件的結構優化設計，涉及熱管理系統控制方法的專利數量較少。近些年，隨著智能化技術的不斷發展，專利布局逐漸從單純的結構優化向熱管理系統整體改進的方向發展，在結構改進的基礎上，引入了對于熱管理系統控制策略的調整，以期實現最佳的熱管理性能。

對于整車智能熱管理系統的結構布置優化，為解決整車智能熱管理系統的現有問題，一體化整車智能熱管理新框架及策略的構想應運而生，該框架旨在開發一套既能確保乘客艙內熱舒適度，又能同時管理好驅動電機、電池和充電系統溫度的熱管理系統，這對于新能源汽車的高效與安全運作至關重要[[[] 張振華， 李志衛， 葉欣晨， 等. 整車熱管理技術研究[J]. 重型汽車， 2023（4）： 3-5.]]。例如，中通客車專利CN116613344A[[[] 王欽普， 薛守飛， 劉雷， 等. 一種燃料電池汽車集成化熱管理系統及控制方法： CN116613344A[P].2023-07-03.]]提出利用水在真空下低沸點和溴化鋰溶液在不同溫度下吸收和釋放水蒸氣來實現制冷，循環過程利用燃料電池及驅動電機等發熱部件提供的低溫熱源即可高效實現，通過利用整車廢熱制冷和高效低溫加熱，實現了整車集成化、節能化的熱管理。吉利汽車專利CN213472754U[[[]孟建華， 唐瑞， 王洋， 等. 一種熱管理系統及車輛：CN213472754U[P].2020-11-16.]]將冷凝器與發動機冷卻裝置并排設置在殼體的下部，電池散熱器與驅動系統冷卻裝置并排設置在殼體的上部，使得整個冷卻模塊總成的占用面積小，且不會出現擠壓重疊導致冷卻模塊總成的冷卻效果差，提升整個冷卻模塊總成的冷卻效果。

對于熱管理系統的控制方法，純電動汽車的綜合智能熱管理系統需要配備能夠調節乘客艙和電池組溫度的加熱和制冷功能，同時需要利用電機產生的廢熱并具備去除車廂濕氣的能力[[[]呂然. 新能源汽車熱管理系統能量梯級管理策略研究[D]. c長春： 吉林大學， 2023.]]。此外，整車熱管理控制系統還需確保各種功能模式之間的順暢切換以及各零部件的正常運行。例如，清華大學專利CN116203839A[[[] 王志， 張昊， 雷諾， 等. 智能網聯新能源汽車集成式能效優化控制方法與系統：CN116203839A[P]. 2022-12-19. ]]通過數據尺度規范化與向量級聯與能量與熱管理集成控制系統的神經網絡參數更新建立能量與熱管理集成控制的神經網絡模型，生成熱管理系統和能量管理系統的控制信號，將控制信號分別傳送至熱管理系統部件和能量管理系統部件進行動作執行，解決了現有車輛的制熱管理和能力管理難以協同優化導致能量損失大的問題。長城汽車專利CN112158047A[[[] 魏文菲， 李超， 孫明， 等. 整車熱管理系統的控制方法、車輛和存儲介質： CN112158047A[P]. 2020-09-25. ]]實現了對整車熱管理系統中的多條換熱回路的協調控制，以防止整車熱管理系統出現錯誤的控制方式與切換方式，進而提升整車熱管理系統運行的安全性。

對于液體溫控部件的優化設計，專利技術主要對熱交換器、流體控制組件、蒸發器、壓縮機、水路部件等關鍵液體溫控部件進行優化設計，以盡可能小的能量間接地滿足客戶對整車系統各方面的直接需求，從而實現對整車智能熱管理系統的結構布置優化，以達到集成化、節能化的技術效果。例如，國軒高科專利CN116130831A[[[] 李軍， 陳林嵩. 集成液冷循環的模組側板結構： CN116130831A[P]. 2023-02-17.]]在傳統的模組側板結構的基礎上，將模組側板設計成帶有液冷流道的液冷側板，并且2塊液冷側板內的液冷流道通過管道相連通從而形成循環液冷流道系統，能更加高效地控制電芯的溫度，增加電芯的使用壽命和運作的穩定性。豐田專利CN108091618A[[[] 出口昌孝. 雙面冷卻器： CN108091618A[P/OL]. 2017-11-17.]]在分割流路配置有將其內部空間區劃為第一空間和第二空間的第二中板，在第二中板設置有從第二空間向第一冷卻板噴出制冷劑的第二噴嘴，第一中板和第二中板在流路寬度方向上排列，能夠實現制冷劑溫度的均勻化。

4 結束語

隨著新能源汽車行業不斷發展，新能源整車智能熱管理技術將進入又一個加速提升的新階段。在專利申請層面，整車智能熱管理系統的結構布置優化是目前專利布局最多的技術領域；在提高能量利用率和節約能量的基礎上，推動熱管理系統的集成化和智能化研究，將是今后電動汽車的研究熱點。

當前，國內專注于熱管理解決方案的新興企業正展現出強勁的發展勢頭。在新能源整車熱管理市場中，主要參與者可以劃分為2大陣營：一方是電裝、法雷奧這樣的國際大公司，它們將傳統汽車熱管理業務擴展到新能源汽車領域；另一方則是隨著電動汽車行業的快速發展而進行業務升級的零部件供應商，它們正抓住行業轉型的機遇，比如三花智控和銀輪股份等[[[] 王小林， 陳沛. 新能源技術在汽車領域的應用與發展[J]. 時代汽車， 2024（4）： 135-137.

]]。新能源整車熱管理行業的生產商正積極通過技術革新和伙伴關系的建立，努力增強新能源汽車的性能，同時對全球新能源汽車行業的可持續增長做出了顯著的貢獻。

整體來看，整車智能熱管理技術正迎來新的浪潮，其中產品的更新換代速度迅猛，熱泵空調和液冷技術將成為主流技術。此外，熱管理集成化、電池的直接冷卻與加熱、以及智能溫度控制等技術點，成為了專利申請和戰略部署的焦點。隨著這些技術的持續演進，未來的智能熱管理系統將趨向更高的精度和效率，從而進一步加速新能源汽車產業的發展。

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