前言
由于800V高电压平台成为电车发展的趋势,电车用电加热技术更迭升级,薄膜电加热技术前景广阔｡文章通过电阻丝､正温度系数热敏电阻(PTC)､厚膜､薄膜四种车用电加热技术路线的比较,针对头部车用电加热器供应商的市场调研,指出薄膜电加热技术的发展潜力与发展瓶颈｡目前PTC加热技术市场成熟度高,薄膜厚膜加热技术属于新技术,但随着800V高电压平台成为行业未来趋势,薄膜厚膜加热技术的优势凸显,完全有成为下一个主流加热技术的可能｡
随着全球范围内对可持续能源和环保的高度关注,电动汽车作为绿色出行的代表受到重视,得益于国家政策的推动扶持,新能源汽车市场进入规模化发展阶段,需求持续释放[1]｡由于冬季供热的需求,电动汽车低温续航问题成为制约新能源电动汽车发展的关键因素,在环境温度为0℃以下时,正温度系数热敏电阻(PositiveTemperatureCoefficient,PTC)加热器的百公里耗电量为热泵空调系统的2.5倍以上,使用热泵空调系统能够节约60%以上的电量[2]｡然而普通热泵系统加热在低温环境下工作时,难以满足乘员舱的采暖需求,因此,目前车企们选择用电加热器作为辅助热泵系统正常运行的手段[3]｡新能源汽车销量的快速增长显示出电加热技术日益扩大的市场｡800V高压快充架构提升补能效率,让新能源电动车充电补能无限接近燃油车的加油体验,新能源电动车的市场势头更加强劲｡本文通过对车用电阻丝､PTC､薄膜､厚膜四种电加热技术路线的分析对比,基于现有车用电加热器头部供应商发布的专利的调研与800V高电压行业趋势,给出了车用薄膜电加热技术的可行性与优化潜力｡
01
电车用电加热技术应用场景与特性分析
电车用电加热器应用场景
电车用电加热器在电池温度管理､车内空调系统､驾驶员座椅加热和挡风玻璃加热等方面发挥重要作用｡由于电阻丝暖风系统能耗较高,过于影响电动车续航里程,在2017年以伟巴斯特为代表的薄膜加热技术进入市场之前,PTC电加热器占据电车用电加热器的大部分市场｡
在电池温度管理方面,加热技术如表1所示｡外部加热技术目前主要有三种思路:加热膜､PTC电加热器和液体循环加热｡由于加热膜和PTC这两种方式对电池的加热并不均匀,往往距离热敏电阻丝较近的地方会升温很快,而距离较远的地方则迟迟热不起来｡如今随着针对电动汽车全新设计的平台不断落地,越来越多的车企选择了液冷循环这种方式来控制电池包的温度｡内部加热技术主要有高频脉冲加热和全气候电池自热,两种加热方式加热速率更快,能耗更低,但技术可靠性有待验证｡
PTC电加热器的工作原理及特性
PTC加热器采用PTC陶瓷发热元件,PTC陶瓷发热元件是以钛酸钡为基,掺杂其他多晶陶瓷材料制成的[4]｡PTC热敏电阻加电后自热升温使阻值进入跃变区,电流随着电压增加而降低,此时功率恒定,PTC电加热器达到热量平衡,最终保持在一个稳定的温度[5]，所以PTC电加热器具有功率自限性｡
当电压越高,PTC电压效应越明显｡根据目前PTC的行业标准,一般出厂检验的耐压测试都是500V电压进行,所以PTC电加热器存在电压击穿的潜在风险[6]｡
薄膜电加热器工作原理及特性
薄膜电加热器利用真空蒸镀在基板表面形成薄膜,在光刻下制成电路图型[7]｡膜厚精确可控制在5~2.5nm,电阻体只限于低方块电阻率材料NiCr和TaN｡线条清晰度精细,分辨率为2.52~25μm｡导体是均质材料,引线键合性较好｡
厚膜电加热器工作原理及特性
厚膜加热器采用厚膜印刷工艺,是指用丝网印刷技术把电阻材料印刷在导热绝缘层上,然后放入烧结炉烧结成型,再用激光雕刻技术修正热敏电阻阻值[8]｡厚膜的厚度为2~25μm,通过使用几种不同方块电阻率的浆料来获得宽范围的电阻值｡线条清晰度不好,分辨率为125~250μm｡线条厚膜印刷工艺制备的导体是非均质的,引线键合受到浆料中杂质的影响｡
02
车用电加热器市场调研
通过对头部电车用加热器供应商或者知名汽车零部件供应商的市场调研分析,可得到电车用电加热器的市场形势与未来发展方向｡
对马勒公司2014—2022年发布的电加热器相关专利进行调研,其主要采取PTC电加热技术路线,发布的专利中通过对电加热器结构的优化,加热模块的改进,印制电路板(PrintedCircuitBoard,PCB)与加热元件的连接件的设计来提高PTC加热器的制热性能,并于2022年发布了一篇厚膜加热技术相关专利｡其最新推出的高压PTC加热器采用优化设计的新型散热翅片,内置电子设备对加热器PTC元件的电阻进行不断的分析,产品更加安全,其不可选配800V快速充电｡
通过对埃贝赫2009—2022年间发布的电加热器相关专利的调研,其采取PTC电加热技术路线,发布的专利中通过对电加热器结构的优化,散热元件的构造来提高电加热器的制热性能｡其最新推出的埃贝赫第三代高电压冷却液加热器为减少对环境的热损失,用塑料代替铝制成的冷却套｡其高电压工作的电压范围为250~470V,不可选配800V快速充电｡
对东方电热与新业电子公司进行专利调研,其皆是采用PTC电加热技术｡东方电热供应的小型电动汽车PTC加热器运行的额定电压在600V以下,加热时,一般5min内4~6m2的面积,温升可达20~25℃,不可选配800V快速充电｡新业电子公司供应的电动汽车PTC电加热器的工作电压可达540V,即使环境温度达到−40℃,也能实现快速启动;加热器表面温度范围在140~250℃;不可选配800V快速充电｡
对博格华纳公司进行专利调研,其采取PTC电加热和厚膜加热技术路线,在2018—2022年间发布的专利中,大部分都是厚膜电加热技术相关专利｡博格华纳最新推出的高压液体加热器可选配800V快速充电,其厚膜加热元件的使用寿命长达15000小时,包装尺寸和重量减小,超紧凑的模块化设计,热功率密度高,低热质量和高效率,响应时间快[9]｡目前,极氪001乘员舱中已使用博格华纳研发的高压液体加热器｡根据消息,两款搭载800V和400V高压液体加热器的车型将分别于2023年底及2024年初量产｡
伟巴斯特作为最先提出薄膜加热技术的公司,在此技术领域处于超前位置｡其公司推出的800V,10kW高压电加热器采用薄膜加热技术,
于2021年在“2021中国汽车及零部件行业发展创新大奖”评选活动荣获“创新技术奖”｡产品制热效率均稳定在95%以上,可以几乎无损耗地将电能转化为热能,为车内供暖和为动力电池热管理提供热量,极大程度地改善极寒地区的电动车续航里程､电池衰减严重的问题[10]｡
PTC电加热器产品成熟度高,薄膜厚膜电加热器产品成熟度低,但薄膜厚膜电加热器产品前景广阔｡
03
800V高电压平台
中汽数据发布的《2021节能与新能源汽车发展报告》显示,新能源汽车产业电控功率密度持续提升,800V高电压平台将成为行业未来趋势｡高电压平台的推出就是为了实现高压快充,实现整车端快速补能[11]｡由于新能源电动汽车的市场不断扩大,高压快充的需求不断增大,实现800V高压平台的难点已逐渐被解决｡如表2所示,截
至2022年11月,全球范围内已经发布的800V平台车型共有15款,其中有12款已经实现量产上市｡在2022年电动汽车高压平台发展路径与产业生态构建研讨会上对新能源汽车800V车型大规模上市时间表进行调研,60%的人认为,800V车型将在2024-2025年大规模上市｡800V高压平台成为业内趋势已成为行业共识｡
04
PTC､薄膜､厚膜电加热器的对比
PTC电加热器在高电压下存在电击穿的风险,需要对PTC电加热器其进行改良与优化,才能适应800V平台的市场趋势,而薄膜厚膜电加热器在高压平台下依旧可以正常使用｡表3直观表明了PTC､薄膜､厚膜的特性对比｡
05
结论
本文对头部车用电加热器供应商的专利进行了综述与分析,得到了以下结论:
1） 目前PTC加热技术市场成熟度高,薄膜厚膜加热技术属于新技术,但随着800V高电压平台成为行业未来趋势,薄膜厚膜加热器的优势凸显｡
2） 薄膜､厚膜加热技术存在一定的瓶颈:薄膜厚膜材料缺乏功率自限性,可能出现局部“热点”,区域温度过高会导致膜材料的损坏也会造成加热不均,目前加热器温度监测装置不够优良,优化空间大｡由于应用案例少,对该新技术成熟度和应用成本需要一段时间来改善与优化｡
3） 厚膜线条清晰度､分辨率较薄膜低,薄膜加热技术更有优势｡
综上所述,通过不断研究和发展新型材料､控制技术､集成设计和降低成本等方面的技术,薄膜加热器将为电动汽车领域带来更多创新和价值,完全有成为下一个主流加热技术的可能｡
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