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              1. 动力电池热管理市场分析
                发布时间:2019-06-10 16:43:00


                动力电池热管理市场分析


                导言:现在国内和国际上的动力电池热管理技术都还处在起步阶段,而且整个行业内的热管理企业,他们的技术、成本、规模、配套、价格各异。为了让新能源行业从业人员以及投资机构等更好地了解电池热管理,并为他们提供供应商选择、技术路线选择或者投资对象选择的帮助,我们经过大量的调研,撰写了报告。本篇文章为报告的部分内容。


                新能源汽车中,电池热管理系统的主要目标是:确保电池组能在最佳温度范围内工作。电池热管理指:通过冷却或加热的方式,对电池系统进行温度控制。和传统汽车的热管理系统不同,在新能源汽车背景下,电池热管理与电机电控热管理、其他设备冷却系统,共同构成了热管理系统。


                新能源汽车热管理系统图解


                和燃油车相比,新能源汽车中新增的锂离子电池部分是整车的动力源。锂离子电池一般由多个单体电池通过串并联方式形成电池模组,模组再组成电池组。锂电池工作的本质是化学能和电能之间的转换。这是一种电化学反应,对工作环境温度有很高的要求。


                动力电池的热管理系统,通过冷却或者加热方式对电池系统进行温度控制。电池温度控制对电池的性能有很大的影响,具体表现:


                -电池温度较高时进行有效散热,防止产生热失效事件。

                -电池温度较低时进行预热,提升电池温度,确保低温下的充电、放电性能和安全性。

                -减少电池组内的温度差异,不出现过热的现象,防止高温位置处的电池过快衰减,降低电池组整体寿命。


                燃油车与电动车热管理系统对比


                一般来说,15℃~35℃是最佳温度,可以实现电池最佳功率输出和输入。同时,电池的容量和循环寿命都可以达到比较好的状态。


                温度与放电容量和电池寿命的关系


                温度过低时,电池寿命延长但电池容量急剧下降;温度过高时,电池容量增加缓慢,而电池寿命则会降低至原来的百分之二十。由此,电池在低温区和高温区需进行限功率使用。否则,电池的寿命和充放电的容量会受到很大的冲击,影响汽车驾驶体验。


                电池热管理本质上分为两部分:一部分是对电池在放电状态下进行冷却,另一部分是对电池充电或静置状态下加热和保温。正常情况下,电池热管理系统对电池温度的控制具体表现在三方面:


                - 电池温度较高时进行有效散热,防止产生热失控事件。

                - 电池温度较低时进行预热,提升电池温度,确保低温下的充电、放电性能和安全性。

                - 减少电池组内的温度差异,不出现过热的现象。


                电池加热、冷却两种类型下又包括多种实现方式。常见的电池冷却方式分为自然冷却,风冷(主动+被动)、主动液冷(板式+独立回路),主动直冷四种。



                四种冷却方式在降温效率,升温效率方面性能各有优劣,其构成的材料成本和系统操作复杂性也完全不同。


                - 自然冷却:没有额外的装置进行换热,完全靠周围环境来平衡电池包的热量。其最大的优点就是结构简单,成本低。当然缺点就是散热性能较弱。

                - 主动风冷、被动风冷: 利用空气流动换热,成本低,系统简单,但同时系统密封性差,导致升温效率低,同时无法有效均衡温度。

                - 直冷方案直接在电池附近相变,降温效果最好,但无法通过相变材料加热,且对系统控制的要求比较高。

                - 液冷系统通过制冷和换热两条回路在满足功能型需求上有一定优势,但同时有成本高、系统复杂等劣势。


                常见的电池加热方式分为电加热和水加热。其中电加热主要通过加热膜、加热铝板、热泵和PTC,水加热主要利用发动机、电机、电控、逆变器等的辅热来对电池进行加热和保温。PTC分为风暖和水暖,水暖效果更加,成本也较高。热泵和PTC相比,优点在于更高的系统集中率和热效率,但是热泵的研发难度较高,目前国内只有上汽荣威等两款车型采用热泵技术为电池加热。动力电池的热管理又和整车的空调系统息息相关,很多的液冷系统跟整车的空调压缩机共用。普通加热系统常用的有两种方式,一种是和空调共用PTC,一种是单独的PTC或者热泵来给电池供热。


                几种常见的电池加热方式


                新能源汽车热管理单车价值量较传统汽车有大幅提升。相比传统汽车,电池热管理系统为新增加的系统,将带来全新的增量未来随着电池容量的增大,风冷模式主要利用自然风或者风机爱配合汽车自带的蒸发器为电池降温,结构简单,单车价值量较低,仅需加热器(PTC/热泵)等价值较高的零件。

                整车价值量拆分图


                新能源汽车整套的电池液冷和加热系统单车价值约为5000元以上相比传统汽车的热管理系统成本增加约80%。新增成本主要来自液冷模式下,电池中关键零部件:电子膨胀阀、冷却板、电池冷却器、电子水泵、加热器。加上随着汽车电动化、智能化的大趋势快速放量,新增的电池热管理系统将使单车的价值有大幅度的提升。


                电池热管理系统成本构成


                2020年之后乘用车液冷比例会随着新能源车型结构优化快速增加。在乘用车市场结构中,A00和A0级别是目前的主流车型,这个级别的车型一般为纯电动,由于其主要用于代步,车辆最高速度一般为100km/h-120km/h,所以对液冷系统的需求有限,很难成为液冷市场的目标市场。


                新能源乘用车市场结构及液冷加热比例预测


                但随着补贴退坡,和新能源市场的进一步推广,新能源乘用车的市场结构将会逐渐趋向于传统乘用车,即A00和A0级别的车型比例会下降,而其他车型比例将上升。随着A00级别的份额下降,液冷系统的比例将迅速扩大。


                新能源汽车热管理未来前景广阔,2025年国内市场超400亿,电池热管理达200亿。按照国内空调和电池热管理的单车价格和未来的渗透率来测算,NE预测2020年、2025年国内的新能源汽车销量按积极因素预测,有望达到200万和500万辆,相对应的汽车热管理市场空间分别105亿、405亿;电池热管理市场分别为80亿、204亿。也就是说,未来新能源汽车的电池热管理将达到和传统汽车空调一样的整车热管理份额。


                多种方式单价及渗透率

                国内新能源汽车热管理系统市场空间预测


                国外新能源汽车热管理系统市场空间预测


                整体来看,未来的热管理冷却将以液冷为主,加热方式前期会以PTC为主,过渡期使用小功率PTC+热泵的形式,后期以热泵为主。随着动力电池Pack的性能和换热需求的提升,对冷板的各方面要求也将提升,主流产品将由型材式冷板向其他形式过渡,同时对加热的效率和能耗也相对应的提出了更高的要求,PTC和热泵的选择将随着各自的技术成熟度和成本优势做双向的博弈。


                不同液冷板和加热方式对比


                - 液冷EV市场:当前阶段在售车型的快充基本在2C以下,所以成本较低的口琴管方案在这一阶段会成为主流,随着2C以上快充的普及,口琴管很难满足需求,所以口琴管式的份额将会逐渐下降。目前正处于评估阶段的吹胀式冷板有可能切入市场与冲压式冷板竞争,托盘与液冷板的集成可以有效降低Pack的复杂度和成本。在吹胀工艺能保证产品品质的情况下,由于其成本低、重量轻会有一定优势。


                - 液冷PHEV市场:PHEV市场以冲压式冷板为主,由于PHEV工况特性,搭载快充的可能性不高,所以对换热能力的要求有限。目前的冲压式冷板已经能够满足PHEV放电过程中的热能,所以对换热能力优化的需求有限。


                - 加热市场:目前新能源汽车还未大批量的销售到北方市场,而对于北方低温区域,传统的空调已经不适用;电动空调使用单一的PTC加热,其制热效率较低,尤其是在冬天车辆启动和冷充电的时候能耗很高,冬天开空调后也会使续驶里程大幅下降,热泵的制热效率高,但是成本和系统复杂度也更高。目前更多加热的方式依旧是采用PTC,因为其价格适中,系统结构相对简单,只用在电动空调的基础上再增加阀体和板换同空调系统进行并联即可实现。未来随着热泵技术的不断发展,效率再次提升、成本降低后,热泵空调将成为热管理的首选。


                稿件来源: NE时代
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