新能源汽车热管理行业专题:汽车电动化进程提速热管理市场高景气

2022 年中国汽车销售 2686.4 万辆,同比增长 2.24%,维持了2021 年的正向增长局面。与此同时,新能源汽车进入发展的快车道。自 2021 年新能源汽车呈现爆发式增长,2021 年新能源车渗透率为 13.4%,2022 年渗透率高达 25.6%。中汽协数据显示,2022年中国新能源汽车销量为 688.7 万辆,同比增长 95.6%,对应渗透率为25.6%。供不应求拉动电动车行业蓬勃发展。受制于疫情以及原材料价格上升的影响,一些订单无法按时按量交付,导致国内新能源汽车呈现供不应求的局势。同时,国家政策也促进新能源汽车发展。2022 年底补贴政策退坡,“双积分”政策有望接力新能源车行业发展。新能源汽车免征车辆购置税政策延续导致的需求前置将进一步拉动新能源汽车销量。 因此我们对于新能源电动车的发展保持乐观态度。假设2023 年增长率为30%,且汽车总销量维持稳定,预计 2023 年中国新能源汽车销量为895 万辆,渗透率为33.3%,2025 年新能源汽车国内销量有望达 1396.7 万辆,渗透率超过50%。

新能源汽车较传统汽车重要性提升主要体现在以下几个方面:一是防止新能源汽车发生热失控。热失控的诱因包括机械电气诱因(电池碰撞挤压、针刺等)和电化学诱因(电池过充过放、快充、低温充电、自引发内短路等)。热失控会引起动力电池起火甚至爆炸,对乘客安全造成威胁。二是动力电池的最佳工作温度为10-30°C,对电池进行精确的热管理可以确保电池的使用寿命和延长新能源车的续航能力。三是对比燃油汽车,新能源汽车缺少空调压缩机的动力源,不能靠发动机余热给座舱提供热量,只能驱动电能进行热量的调节,这将大幅减少新能源车本身的续航里程。因此对新能源汽车的热管理成为解决新能源汽车掣肘的关键。

新能源车热管理需求较传统燃油车大幅提升。汽车热管理是通过统筹调控整车热量与环境热量,保持各部件工作在最佳温度范围,同时保障汽车运行的安全性和驾驶舒适性。新能源汽车热管理系统主要包括空调系统、电池热管理系统、电机电控总成系统。对比传统汽车,新能源车热管理新增了电池以及电机电控热管理模块。传统汽车热管理主要包括发动机、变速箱的冷却以及空调系统热管理。燃油车通过空调冷媒给座舱提供制冷,通过发动机余热为座舱制热,并通过液冷或风冷的方式冷却发动机和变速箱。新能源汽车相较于传统汽车的一大变化为动力源,新能源汽车没有发动机提供热量,空调制热通过 PTC 或热泵空调实现。新能源车新增电池、电机电控系统冷却需求,因此新能源车热管理较传统燃油车更加复杂。 新能源车热管理的复杂性带动了热管理单车价值量的提升,热管理系统的单车价值量为传统汽车的 2-3 倍。相较于传统汽车,新能源汽车价值增量主要来自于电池液冷、热泵空调、PTC 加热器等。

据测算,新能源汽车热管理系统的单车价值量为 6200-7200元,而燃油汽车仅为2500元左右。其中新能源车空调系统热管理大约为 4000 元,电池热管理为2000 元,电机电控为 1200 元,关键部件为热泵空调、液冷板、电子膨胀阀、液泵等。假设新能源车热管理系统单车均价为 7200 元,对应 2022 年国内新能源车热管理市场496 亿元、全球779亿元。预计 2025 年,国内/全球热管理市场空间分别为1006/1512 亿元,CAGR分别为26.6%/24.7%。随着新能源车渗透率的提升,热管理市场潜力巨大。

电池热管理是影响电池安全的关键。电池问题是新能源汽车起火的最大原因。新能源车的电池受到了外部刺激带来的压力后,变形增压或升温,并随之会发生热失控,进而引发自燃和爆炸。根据新能源汽车国家大数据联盟的数据,2019 年5 月到8月18日共发现新能源汽车安全事故 79 起;已查明着火原因的车辆中,58%车辆起火源于电池问题,19%车辆起火源于碰撞问题,还有部分车辆的起火原因源于浸水、零部件故障、使用问题等原因。

电池热管理有助于维持电池性能。新能源车电池的最适宜工作温度在10-30℃之间。低温时电池容量较低,充放电性能差;高温时电池循环寿命会缩短,过高温度工作甚至会出现爆炸等安全问题。此外,电池快充时需要对电芯提前加热,但温度太高会加剧电芯的老化,因此需要热管理系统保证电芯处于合理温度范围内。

较为常见的四种电池热管理方式为空气冷却、液体冷却、相变材料冷却、直冷。风冷技术在早期车型多有应用,由于液冷冷却均匀,液冷技术逐渐成为主流。液冷技术因其成本较高,多配备于高端车型,未来有望向低端车型下沉。风冷是以空气作为传热介质,直接让空气将电池热量经过排风风扇带走的冷却方式。风冷需尽可能增加电池间的散热片、散热槽距离,可以采用串联式或并联式通道。由于并联式可以实现均匀散热,目前大部分风冷系统采取并联方式。液体冷却技术通过液体对流换热,将电池产生的热量带走,降低电池温度。液体介质的换热系数高、热容量大、冷却速度快,对降低最高温度、提升电池组温度场一致性的效果显著,同时,热管理系统的体积也相对较小。在有热失控前兆的情况下,液冷方案可以依靠大流量的载冷介质来强制电池包散热和实现电池模块之间的热量重新分配,可以快速抑制热失控持续恶化,降低失控风险。液冷系统形式较为灵活: 可将电池单体或模块沉浸在液体中,也可在电池模块间设置冷却通道,或在电池底部采用冷却板。液冷方式对系统气密性有很高的要求。

相变材料冷却是指温度不变的情况下改变物质状态并且提供潜热物质,转变物理性质的过程,这个过程会吸收或释放大量潜热,使电池降温。然而在相变材料完全相变之后,电池的热量无法被有效带走。 直冷(制冷剂直接冷却)方式利用制冷剂(R134a 等)蒸发潜热的原理,在整车或电池系统中建立空调系统,将空调系统的蒸发器安装在电池系统中,制冷剂在蒸发器中蒸发并快速高效地将电池系统的热量带走,从完成对电池系统冷却的作业。

液冷方式在维持电池均温性方面表现优秀。保障电池包内各个电池及电池模块间的温度均匀性对电池性能至关重要。由于电池组中单体电池是互相串联的,任何一电池性能下降都会影响电池组的整体表现。温差为 5℃、10℃、15℃时,相同充电条件下电池组的电荷态分别下降 10%、15%、20%。在不同流道设计的情况下,液体冷却温度一致性较好。虽然并联流道整体温度低于串联流道,温度仅相差0.4℃。但从实际与设计角度考虑,串联流道结构规整简单更适合产品设计。数据显示,与普通风冷产品相比,液冷储能产品的电池寿命提升了 20%。然而液冷对密封要求高,如密封不好会导致液体泄漏。需求侧拉动了电池热管理向液冷技术倾斜。目前主流的高镍三元电池热稳定性更差,因此需要更高效精准的温控方案。并且随着对续航能力要求的提升,电动汽车所搭载的电池的能量密度提升。这些因素使得电池热管理由风冷技术向换热效率更高、均温性更好的液冷技术发展。 液冷系统带来整套价值量提升。液冷系统较风冷系统结构复杂,因此成本较高,为0.8-1 亿元/GWh,关键零部件包括电子膨胀阀、冷却板、电池冷却器、电子水泵、加热器等。假设新能源车电池液冷系统单价 2000 。

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