動(dòng)力電池?zé)峁芾硎袌?chǎng)分析

新能源汽車(chē)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^(guò)冷卻或加熱的方式，對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行溫度控制。和傳統(tǒng)汽車(chē)的熱管理系統(tǒng)不同，在新能源汽車(chē)背景下，電池?zé)峁芾砼c電機(jī)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(chē)熱管理系統(tǒng)圖解

和燃油車(chē)相比，新能源汽車(chē)中新增的鋰離子電池部分是整車(chē)的動(dòng)力源。鋰離子電池一般由多個(gè)單體電池通過(guò)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(duì)工作環(huán)境溫度有很高的要求。

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

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

-電池溫度較低時(shí)進(jìn)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(guò)熱的現(xiàn)象，防止高溫位置處的電池過(guò)快衰減，降低電池組整體壽命。

燃油車(chē)與電動(dòng)車(chē)熱管理系統(tǒng)對(duì)比

一般來(lái)說(shuō)，15℃~35℃是最佳溫度，可以實(shí)現(xiàn)電池最佳功率輸出和輸入。同時(shí)，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(guò)低時(shí)，電池壽命延長(zhǎng)但電池容量急劇下降；溫度過(guò)高時(shí)，電池容量增加緩慢，而電池壽命則會(huì)降低至原來(lái)的百分之二十。由此，電池在低溫區(qū)和高溫區(qū)需進(jìn)行限功率使用。否則，電池的壽命和充放電的容量會(huì)受到很大的沖擊，影響汽車(chē)駕駛體驗(yàn)。

電池?zé)峁芾肀举|(zhì)上分為兩部分：一部分是對(duì)電池在放電狀態(tài)下進(jìn)行冷卻，另一部分是對(duì)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(duì)電池溫度的控制具體表現(xiàn)在三方面：

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

-電池溫度較低時(shí)進(jìn)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(guò)熱的現(xiàn)象。

電池加熱、冷卻兩種類(lèi)型下又包括多種實(shí)現(xiàn)方式。常見(jiàn)的電池冷卻方式分為自然冷卻，風(fēng)冷（主動(dòng)+被動(dòng)）、主動(dòng)液冷（板式+獨(dú)立回路），主動(dòng)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(méi)有額外的裝置進(jìn)行換熱，完全靠周?chē)h(huán)境來(lái) 平衡電池包的熱量。其最大的優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。當(dāng)然缺點(diǎn)就是散熱性能較弱。

-主動(dòng)風(fēng)冷、被動(dòng)風(fēng)冷:利用空氣流動(dòng)換熱，成本低，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，但同時(shí)系統(tǒng)密封性差，導(dǎo)致升溫效率低，同時(shí)無(wú)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(wú)法通過(guò)相變材料加熱，且對(duì)系統(tǒng)控制的要求比較高。

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

常見(jiàn)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(guò)加熱膜、加熱鋁板、熱泵和PTC，水加熱主要利用發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、電控、逆變器等的輔熱來(lái)對(duì)電池進(jìn)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(diǎn)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(guó)內(nèi)只有上汽榮威等兩款車(chē)型采用熱泵技術(shù)為電池加熱。動(dòng)力電池的熱管理又和整車(chē)的空調(diào)系統(tǒng)息息相關(guān)，很多的液冷系統(tǒng)跟整車(chē)的空調(diào)壓縮機(jī)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(dú)的PTC或者熱泵來(lái)給電池供熱。

幾種常見(jiàn)的電池加熱方式

新能源汽車(chē)熱管理單車(chē)價(jià)值量較傳統(tǒng)汽車(chē)有大幅提升。相比傳統(tǒng)汽車(chē)，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)為新增加的系統(tǒng)，將帶來(lái)全新的增量未來(lái)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(jī)愛(ài)配合汽車(chē)自帶的蒸發(fā)器為電池降溫，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，單車(chē)價(jià)值量較低，僅需加熱器（PTC/熱泵）等價(jià)值較高的零件。

整車(chē)價(jià)值量拆分圖

新能源汽車(chē)整套的電池液冷和加熱系統(tǒng)單車(chē)價(jià)值約為5000元以上相比傳統(tǒng)汽車(chē)的熱管理系統(tǒng)成本增加約80%。新增成本主要來(lái)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(chē)電動(dòng)化、智能化的大趨勢(shì)快速放量，新增的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)將使單車(chē)的價(jià)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(chē)液冷比例會(huì)隨著新能源車(chē)型結(jié)構(gòu)優(yōu)化快速增加。在乘用車(chē)市場(chǎng)結(jié)構(gòu)中，A00和A0級(jí)別是目前的主流車(chē)型，這個(gè)級(jí)別的車(chē)型一般為純電動(dòng)，由于其主要用于代步，車(chē)輛最高速度一般為100km/h-120km/h，所以對(duì)液冷系統(tǒng)的需求有限，很難成為液冷市場(chǎng)的目標(biāo)市場(chǎng)。

新能源乘用車(chē)市場(chǎng)結(jié)構(gòu)及液冷加熱比例預(yù)測(cè)

但隨著補(bǔ)貼退坡，和新能源市場(chǎng)的進(jìn)一步推廣，新能源乘用車(chē)的市場(chǎng)結(jié)構(gòu)將會(huì)逐漸趨向于傳統(tǒng)乘用車(chē)，即A00和A0級(jí)別的車(chē)型比例會(huì)下降，而其他車(chē)型比例將上升。隨著A00級(jí)別的份額下降，液冷系統(tǒng)的比例將迅速擴(kuò)大。

新能源汽車(chē)熱管理未來(lái)前景廣闊，2025年國(guó)內(nèi)市場(chǎng)超400億，電池?zé)峁芾磉_(dá)200億。按照國(guó)內(nèi)空調(diào)和電池?zé)峁芾淼膯诬?chē)價(jià)格和未來(lái)的滲透率來(lái)測(cè)算，NE預(yù)測(cè)2020年、2025年國(guó)內(nèi)的新能源汽車(chē)銷(xiāo)量按積極因素預(yù)測(cè)，有望達(dá)到200萬(wàn)和500萬(wàn)輛，相對(duì)應(yīng)的汽車(chē)熱管理市場(chǎng)空間分別105億、405億；電池?zé)峁芾硎袌?chǎng)分別為80億、204億。也就是說(shuō)，未來(lái)新能源汽車(chē)的電池?zé)峁芾韺⑦_(dá)到和傳統(tǒng)汽車(chē)空調(diào)一樣的整車(chē)熱管理份額。

多種方式單價(jià)及滲透率

國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)熱管理系統(tǒng)市場(chǎng)空間預(yù)測(cè)

國(guó)外新能源汽車(chē)熱管理系統(tǒng)市場(chǎng)空間預(yù)測(cè)

整體來(lái)看，未來(lái)的熱管理冷卻將以液冷為主，加熱方式前期會(huì)以PTC為主，過(guò)渡期使用小功率PTC+熱泵的形式，后期以熱泵為主。隨著動(dòng)力電池Pack的性能和換熱需求的提升，對(duì)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(guò)渡，同時(shí)對(duì)加熱的效率和能耗也相對(duì)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(shì)做雙向的博弈。

不同液冷板和加熱方式對(duì)比

-液冷EV市場(chǎng)：當(dāng)前階段在售車(chē)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(huì)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(huì)逐漸下降。目前正處于評(píng)估階段的吹脹式冷板有可能切入市場(chǎng)與沖壓式冷板競(jìng)爭(zhēng)，托盤(pán)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(huì)有一定優(yōu)勢(shì)。

-液冷PHEV市場(chǎng)：PHEV市場(chǎng)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(duì)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(guò)程中的熱能，所以對(duì)換熱能力優(yōu)化的需求有限。

-加熱市場(chǎng)：目前新能源汽車(chē)還未大批量的銷(xiāo)售到北方市場(chǎng)，而對(duì)于北方低溫區(qū)域，傳統(tǒng)的空調(diào)已經(jīng)不適用；電動(dòng)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(chē)輛啟動(dòng)和冷充電的時(shí)候能耗很高，冬天開(kāi)空調(diào)后也會(huì)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?yàn)槠鋬r(jià)格適中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，只用在電動(dòng)空調(diào)的基礎(chǔ)上再增加閥體和板換同空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行并聯(lián)即可實(shí)現(xiàn)。未來(lái)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。