現(xiàn)在國內(nèi)和國際上的動力電池熱管理技術(shù)都還處在起步階段，而且整個行業(yè)內(nèi)的熱管理企業(yè)，他們的技術(shù)、成本、規(guī)模、配套、價格各異。

 

       新能源汽車中，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的主要目標(biāo)是：確保電池組能在最佳溫度范圍內(nèi)工作。電池?zé)峁芾碇福和ㄟ^冷卻或加熱的方式，對電池系統(tǒng)進行溫度控制。和傳統(tǒng)汽車的熱管理系統(tǒng)不同，在新能源汽車背景下，電池?zé)峁芾砼c電機電控?zé)峁芾�、其他設(shè)備冷卻系統(tǒng)，共同構(gòu)成了熱管理系統(tǒng)。

新能源汽車熱管理系統(tǒng)圖解

 

       和燃油車相比，新能源汽車中新增的鋰離子電池部分是整車的動力源。鋰離子電池一般由多個單體電池通過串并聯(lián)方式形成電池模組，模組再組成電池組。鋰電池工作的本質(zhì)是化學(xué)能和電能之間的轉(zhuǎn)換。這是一種電化學(xué)反應(yīng)，對工作環(huán)境溫度有很高的要求。

 

       動力電池的熱管理系統(tǒng)，通過冷卻或者加熱方式對電池系統(tǒng)進行溫度控制。電池溫度控制對電池的性能有很大的影響，具體表現(xiàn)：

 

       -電池溫度較高時進行有效散熱，防止產(chǎn)生熱失效事件。

 

       -電池溫度較低時進行預(yù)熱，提升電池溫度，確保低溫下的充電、放電性能和安全性。

 

       -減少電池組內(nèi)的溫度差異，不出現(xiàn)過熱的現(xiàn)象，防止高溫位置處的電池過快衰減，降低電池組整體壽命。

燃油車與電動車熱管理系統(tǒng)對比

 

       來說，15℃~35℃是最佳溫度，可以實現(xiàn)電池最佳功率輸出和輸入。同時，電池的容量和循環(huán)壽命都可以達(dá)到比較好的狀態(tài)。

溫度與放電容量和電池壽命的關(guān)系

 

       溫度過低時，電池壽命延長但電池容量急劇下降；溫度過高時，電池容量增加緩慢，而電池壽命則會降低至原來的百分之二十。由此，電池在低溫區(qū)和高溫區(qū)需進行限功率使用。否則，電池的壽命和充放電的容量會受到很大的沖擊，影響汽車駕駛體驗。

 

       電池?zé)峁芾肀举|(zhì)上分為兩部分：一部分是對電池在放電狀態(tài)下進行冷卻，另一部分是對電池充電或靜置狀態(tài)下加熱和保溫。正常情況下，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)對電池溫度的控制具體表現(xiàn)在三方面：

 

       - 電池溫度較高時進行有效散熱，防止產(chǎn)生熱失控事件。

 

       - 電池溫度較低時進行預(yù)熱，提升電池溫度，確保低溫下的充電、放電性能和安全性。

 

       - 減少電池組內(nèi)的溫度差異，不出現(xiàn)過熱的現(xiàn)象。

 

       電池加熱、冷卻兩種類型下又包括多種實現(xiàn)方式。常見的電池冷卻方式分為自然冷卻，風(fēng)冷（主動+被動）、主動液冷（板式+獨立回路），主動直冷四種。

       四種冷卻方式在降溫效率，升溫效率方面性能各有優(yōu)劣，其構(gòu)成的材料成本和系統(tǒng)操作復(fù)雜性也完全不同。

 

       - 自然冷卻：沒有額外的裝置進行換熱，完全靠周圍環(huán)境來 平衡電池包的熱量。其最大的優(yōu)點就是結(jié)構(gòu)簡單，成本低。當(dāng)然缺點就是散熱性能較弱。

 

       - 主動風(fēng)冷、被動風(fēng)冷: 利用空氣流動換熱，成本低，系統(tǒng)簡單，但同時系統(tǒng)密封性差，導(dǎo)致升溫效率低，同時無法有效均衡溫度。

 

       - 直冷方案直接在電池附近相變，降溫效果最好，但無法通過相變材料加熱，且對系統(tǒng)控制的要求比較高。

 

       - 液冷系統(tǒng)通過制冷和換熱兩條回路在滿足功能型需求上有一定優(yōu)勢，但同時有成本高、系統(tǒng)復(fù)雜等劣勢。

 

       常見的電池加熱方式分為電加熱和水加熱。其中電加熱主要通過加熱膜、加熱鋁板、熱泵和PTC，水加熱主要利用發(fā)動機、電機、電控、逆變器等的輔熱來對電池進行加熱和保溫。PTC分為風(fēng)暖和水暖，水暖效果更加，成本也較高。熱泵和PTC相比，優(yōu)點在于更高的系統(tǒng)集中率和熱效率，但是熱泵的研發(fā)難度較高，目前國內(nèi)只有上汽榮威等兩款車型采用熱泵技術(shù)為電池加熱。動力電池的熱管理又和整車的空調(diào)系統(tǒng)息息相關(guān)，很多的液冷系統(tǒng)跟整車的空調(diào)壓縮機共用。普通加熱系統(tǒng)常用的有兩種方式，一種是和空調(diào)共用PTC，一種是單獨的PTC或者熱泵來給電池供熱。

幾種常見的電池加熱方式

 

       新能源汽車熱管理單車價值量較傳統(tǒng)汽車有大幅提升。相比傳統(tǒng)汽車，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)為新增加的系統(tǒng)，將帶來全新的增量未來隨著電池容量的增大，風(fēng)冷模式主要利用自然風(fēng)或者風(fēng)機愛配合汽車自帶的蒸發(fā)器為電池降溫，結(jié)構(gòu)簡單，單車價值量較低，僅需加熱器（PTC/熱泵）等價值較高的零件。

整車價值量拆分圖

 

       新能源汽車整套的電池液冷和加熱系統(tǒng)單車價值約為5000元以上相比傳統(tǒng)汽車的熱管理系統(tǒng)成本增加約80%。新增成本主要來自液冷模式下，電池中關(guān)鍵零部件：電子膨脹閥、冷卻板、電池冷卻器、電子水泵、加熱器。加上隨著汽車電動化、智能化的大趨勢快速放量，新增的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)將使單車的價值有大幅度的提升。

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)成本構(gòu)成

 

       2020年之后乘用車液冷比例會隨著新能源車型結(jié)構(gòu)優(yōu)化快速增加。在乘用車市場結(jié)構(gòu)中，A00和A0級別是目前的主流車型，這個級別的車型一般為純電動，由于其主要用于代步，車輛最高速度一般為100km/h-120km/h，所以對液冷系統(tǒng)的需求有限，很難成為液冷市場的目標(biāo)市場。

新能源乘用車市場結(jié)構(gòu)及液冷加熱比例預(yù)測

 

       但隨著補貼退坡，和新能源市場的進一步推廣，新能源乘用車的市場結(jié)構(gòu)將會逐漸趨向于傳統(tǒng)乘用車，即A00和A0級別的車型比例會下降，而其他車型比例將上升。隨著A00級別的份額下降，液冷系統(tǒng)的比例將迅速擴大。

 

       新能源汽車熱管理未來前景廣闊，2025年國內(nèi)市場超400億，電池?zé)峁芾磉_(dá)200億。按照國內(nèi)空調(diào)和電池?zé)峁芾淼膯诬噧r格和未來的滲透率來測算，NE預(yù)測2020年、2025年國內(nèi)的新能源汽車銷量按積極因素預(yù)測，有望達(dá)到200萬和500萬輛，相對應(yīng)的汽車熱管理市場空間分別105億、405億；電池?zé)峁芾硎袌龇謩e為80億、204億。也就是說，未來新能源汽車的電池?zé)峁芾韺⑦_(dá)到和傳統(tǒng)汽車空調(diào)一樣的整車熱管理份額。

多種方式單價及滲透率

國內(nèi)新能源汽車熱管理系統(tǒng)市場空間預(yù)測

國外新能源汽車熱管理系統(tǒng)市場空間預(yù)測

 

       整體來看，未來的熱管理冷卻將以液冷為主，加熱方式前期會以PTC為主，過渡期使用小功率PTC+熱泵的形式，后期以熱泵為主。隨著動力電池Pack的性能和換熱需求的提升，對冷板的各方面要求也將提升，主流產(chǎn)品將由型材式冷板向其他形式過渡，同時對加熱的效率和能耗也相對應(yīng)的提出了更高的要求，PTC和熱泵的選擇將隨著各自的技術(shù)成熟度和成本優(yōu)勢做雙向的博弈。

不同液冷板和加熱方式對比

 

       - 液冷EV市場：當(dāng)前階段在售車型的快充基本在2C以下，所以成本較低的口琴管方案在這一階段會成為主流，隨著2C以上快充的普及，口琴管很難滿足需求，所以口琴管式的份額將會逐漸下降。目前正處于評估階段的吹脹式冷板有可能切入市場與沖壓式冷板競爭，托盤與液冷板的集成可以有效降低Pack的復(fù)雜度和成本。在吹脹工藝能保證產(chǎn)品品質(zhì)的情況下，由于其成本低、重量輕會有一定優(yōu)勢。

 

       - 液冷PHEV市場：PHEV市場以沖壓式冷板為主，由于PHEV工況特性，搭載快充的可能性不高，所以對換熱能力的要求有限。目前的沖壓式冷板已經(jīng)能夠滿足PHEV放電過程中的熱能，所以對換熱能力優(yōu)化的需求有限。

 

       - 加熱市場：目前新能源汽車還未大批量的銷售到北方市場，而對于北方低溫區(qū)域，傳統(tǒng)的空調(diào)已經(jīng)不適用；電動空調(diào)使用單一的PTC加熱，其制熱效率較低，尤其是在冬天車輛啟動和冷充電的時候能耗很高，冬天開空調(diào)后也會使續(xù)駛里程大幅下降，熱泵的制熱效率高，但是成本和系統(tǒng)復(fù)雜度也更高。目前更多加熱的方式依舊是采用PTC，因為其價格適中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，只用在電動空調(diào)的基礎(chǔ)上再增加閥體和板換同空調(diào)系統(tǒng)進行并聯(lián)即可實現(xiàn)。未來隨著熱泵技術(shù)的不斷發(fā)展，效率再次提升、成本降低后，熱泵空調(diào)將成為熱管理的首選。