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電池系統散熱部件的市場前景

電池系統散熱部件的市場前景

本文節選曉宇的《電動汽車「熱管理」,誰的新乳酪》的論述,也加入我本人的一些不同的看法。其實電池熱管理系統第一部分邀請阿普來講講實際經歷的一些坎坷是最好的了,可惜的是他也在動手把一些總結寫下來,我們期待他未來的分享。

第一部分 電池熱管理系統概覽

電動汽車熱管理行業正處於爆發與變革的前夜,爆發與變革其實是兩層意思。爆發是指的今年到明年,國內市場電動汽車,尤其是電池熱管理系統從無到有,從忽視到重視的爆發,這是我們一個能明顯看到的趨勢;而變革是另一層意思,是潛在的,是指2-3年後,由各熱管理子系統的分立式冷卻到與傳統熱管理系統集成式的冷卻所帶來的行業重構,打破現有汽車熱管理成熟供應體系市場格局所帶來的行業變革。究竟是誰的「新乳酪」,我們一起來分析。

備註:傳統的汽車企業裡面的熱管理系統其實是比較複雜的,核心還是人感受到的舒適和耗能之間的平衡。一般是體現在空調系統、發動機系統和體感溫度等平衡,這是門大學問。

電動汽車熱管理與傳統汽車熱管理的異同

要分析為什麼有「新乳酪」,我們先要分析異同。傳統汽車的熱管理架構大家都比較熟悉了,主要包括了傳統的空調熱管理系統以及傳統的動力總成的熱管理子系統;而現有的電動汽車熱管理系統在原有的基礎上還囊括了電機電控熱管理系統以及電池熱管理系統,其中又以電池熱管理系統最為關鍵,因為電池的散熱絕熱導熱直接關係到了電池的安全以及長期工況之後的一致性問題,更是各大車廠電池系統廠家考慮的重中之重。

我這裡換了一個圖,比較清晰的說明,由於電池系統成本最貴,而且需要滿足原有車輛的使用地理範圍和相應的溫度範圍,而溫度是對電池產品的壽命和性能產生直接作用的變數。因此電池系統團隊為了滿足性能、保修和安全性,都需要提出獨立的加熱和散熱的要求。所以一般電池系統都有獨立的熱管理系統。

首先根據各車型的不同,整車熱管理系統會增加或共用1個水泵,主要承擔電機,電控以及電池的液冷的需求,例如特斯拉和smart都有兩個水泵,而具體到電池熱管理系統一般需增加低溫下環境下啟動的電池加熱器,低溫散熱器(通過風扇散熱),而電池包外一般還加設了電池冷卻器,也就是我們常稱的chiller來給電池和電控高效散熱;

具體的運行工況,以電池包液冷方案為例,chiller主要用於在電池高溫或快充工況時的散熱,起到給電池快速降溫的作用;而在一般溫度情況下,可直接通過低溫散熱器散熱來滿足冷卻要求。

直冷,則是在液冷基礎上更加集成化了整車的熱管理,通過與汽車空調冷卻系統的結合,冷媒在膨脹閥節流后通過蒸發的形式帶走電池的熱量。一般設計直冷方案時,迴路會與汽車空調迴路串起來,主要器件包括了冷凝器,膨脹閥,蒸發器和壓縮機。

直冷系統能極大的提升換熱效率,同時較少的部件能提高生產的節拍,將是未來的趨勢,但同時也對汽車空調軟體控制系統和對三電系統換熱的理解提出了較高要求,所以說這其實一項既需要傳統汽車空調熱管理控制能力,也需要對三電熱管理理解的綜合技術解決方案。

液冷=》直冷也未必是一帆風順的,在未來大功率充電的形勢下,電池熱管理變成了頭等重大的事情了。

第二部分 技術發展趨勢

這部分主要是曉宇對於市場的一些考慮,很多技術方案的選擇,其實也是建立在實際的產品遇到問題,不斷地改進和優化。國內的電動汽車的技術迭代還是挺快的。這裡的技術判斷其實有一些奇怪,在補貼多的時候,用風冷;等到補貼退坡了,我們認識到要加成本去做液冷和直冷了?

所以這段論述是對比國內外的區別,而國內的技術趨勢其實是分地區分不同的車型來做。在未來補貼退坡的時候,是分不同的市場策略去做電動汽車。這個滲透率的變化,不是圍繞技術升級來考慮的,而是考慮具體不同的地區來做的。說實話,這裡的熱管理,加熱的需求反而更迫切更直觀;散熱並沒有放在那麼高的位置。

電池熱管理需求的爆發

相較於傳統的汽車空調系統市場份額已經非常成熟,新能源汽車帶來了三電系統的熱管理需求,相較於功率電子較為成熟的熱管理系統,新誕生的電池熱管理需求則是電動汽車最誘人的一塊「新乳酪」。而其實電池熱管理在國外的量產車型早已不是一件新鮮事,下表曉宇簡單羅列了一下目前國內外主流的幾款量產新能源汽車的冷卻方案:

電池熱管理其實是一項非常成熟的技術,普遍存在於國外量產車型:

n其中PHEV和EV即大容量的包(大於15kwh)往液冷走,小容量包和HEV低成本考慮往風冷走

n一些小批量豪華車型直接採用了直冷方案

出於對電池包大容量散熱需求的考慮,國外的量產車型大多採用了液冷和直冷方案,而反觀目前國內上市的電動汽車電池熱管理方案,例如奇瑞,江淮等電動車企採用風冷為主,而北汽,眾泰,比亞迪等目前上市的車型電池包還處於自然冷卻狀態。顯然隨著國家提出的對電動汽車對電池高能量密度,長壽命的目標以及客戶導向性的高功率快充能力的要求,目前國內廠商的熱管理方案並不能完全滿足需求,未來將由目前自然冷卻和風冷方案為主,快速向著液冷,直冷等方案升級,電池熱管理向著高效率和精細化邁進的趨勢將日趨明朗。

第三部分 市場分析

電動汽車熱管理「新乳酪」的市場規模測算

既然有需求,那麼這個「新乳酪」有多大呢?曉宇認為應該分開來算,一部分是新加入的電池熱管理的市場份額,而另一部分是未來由於直冷方案的引進所帶來的熱管理系統供應商的重構份額。

首先我們可以大致列一下電池熱管理的主要部件,下圖是GM Volt一代模塊里的熱管理結構件示意圖,應該已經是非常成熟的公開方案。我們可以看到在每一個模塊的block里,包括了電芯,泡棉和冷卻片,而冷卻片其實是冷卻系統的一個關鍵部件,所以它也是第一塊「新乳酪」,不管你是放在電池間還是電池模塊底部,然後伴隨著冷板你還需要加入泡綿等隔熱絕熱材料,同時起到保證冷板與需散熱介質的緊密接觸,同時還需要chiller,甚至一些熱管理方案里還加入了極端情況下防止熱擴散使用的氣凝膠等其他材料。

備註:GM的液冷方案,基本國內外同行是不會採用的,目前已知的也就是麥格納給Ford做的方案做了個類似的。這算是一種工程的過設計,電池太貴,導致了工程師們對溫度太敏感了。找DANA打聽下這個也散熱片的價格再評估下。我把這個散熱片去掉,貼一下BOLT的散熱結構可能更貼近現實的生活。這和當初A123的工程師的想法是比較一致的。

我們來估算市場規模時,應該考慮不同車型的情況,因為畢竟不同的車型對熱管理的需求是完全不一樣的;

u2017年電池熱管理市場規模中性值為約2億,而2018年將在此基礎上翻三倍以上達到6億元以上;

u而隨著直冷的滲透,至2020年電池熱管理供應商將有機會擴大為電動車熱管理供應商,從而將佔據更大的市場規模達到30億元。

備註:這種估算辦法存在一些問題,就是本質液冷板需要合適鋁變成散熱片的材料成本和工藝成本,目前攪拌摩擦焊等鋁部件工藝,從各個行業擴展過來,成本是快速下降的(工藝部分一下降)

第四部分 電動汽車熱管理市場玩家分析

既然「乳酪」不小,那麼誰會來槍這塊「新乳酪」呢,曉宇認為明顯可以看到的有三股勢力;

第一是國外傳統的熱管理供應商,包括了法雷奧,德納,三電貝洱(合資)等,他們其實很早就計入了電動汽車熱管理的市場,例如德納給通用兩代Volt均供應了冷卻方案,他們的優點在於介入很早,技術水平非常突出,例如德納設計的冷卻片,流道只有幾mm,然後成本也相應的比較高,對於目前國內市場電動車快速開發的格局他們並不佔優勢;

第二類供應商,是國內傳統的汽車熱管理供應商通過收購,增發的方式來介入這塊業務,例如銀輪股份,三花新能源,中鼎股份,納百川等,他們的優勢在於有著傳統業務支撐,對傳統熱交換領域有著深刻的理解,而對三電系統熱管理的理解將是他們重點發力的對象;

第三類則是一股新興勢力,他們響應快,對三電系統理解深刻,比較適應目前國內這種三電系統快速開發,迅速量產的節奏,他們包括揚州三豐,祥博傳熱,浙江清優等,但他們相較於傳統的汽車空調企業往往體量較小,在市場後期進入價格成本戰時,較容易丟失先發的優勢;

簡單來說,就是成本為王;整個熱系統是電池系統廠家和OEM車企設計的,整個部件成本將成為重點打擊對象。我們是從沒有冷卻進入液冷的,必然對成本非常敏感。

電動汽車熱管理行業未來格局分析

曉宇認為「新乳酪」將會帶來兩個變革:

一)現有子系統熱管理商,如電池熱管理商由tier2上升到tier1所帶來的話語權和壁壘的變革;

備註:電池系統現在是個總成部件,這裡Tier1的地位不穩固,而且可替代性太強,只是直接供貨而已,不具備整合與其他系統的可能性

二)行業結構的變革,並不存在完全替代,而是可能打破現有汽車空調熱管理市場,出現新的電動汽車熱管理的集成商,而現有整個熱管理市場份額將被打破,從一個均衡到另一個均衡;

  • 有設計能力的一線主機廠電池廠,只需要冷板工藝好的熱管理供應商即可

  • 二三線沒有設計能力的主機電池廠還需供應商能力主導的熱管理設計

從趨勢上看,傳統汽車熱管理廠商(如銀輪,三花,及收購THF進入中鼎股份等)進入新能源領域已成必然,他們的優勢在與成熟工藝的技術積累及汽車熱交換行業的穩定客戶,但單從客戶角度來看,並不是所有的客戶都一定需要熱管理的集成商,可以說未來可能出現類似於目前電池管理系統(BMS)產業格局的情況,即:

n一線傳統熱管理廠商切入新能源,目標一線主機廠成為熱管理行業最前列的組合,而其技術核心在於整體熱交換效率的提升,生產節拍的減少以及供應商穩定的工藝配套能力上;

n二線傳統熱管理廠商與新進入三電熱管理廠商PK二三線主機廠和電池廠的市場,其關注點會在熱管理全套方案的系統集成能力,對直冷方案的儲備以及對電池本身熱管理的理解,這裡將成為整個份額爭奪的主戰場;

熱管理的新乳酪很大,動作慢的企業很有可能丟失先發優勢,而成為備選的B點供應商,而目前先發的電池類熱管理企業又極有可能成為未來覺醒過來的汽車熱管理廠商的併購目標。

備註:我其實我們要分析隨著大容量電池上來以後對電池的熱管理系統的需求是減小還是變大的。你看看這些車的電機的特性,額定功率沒有大幅提高的時候,整個電池的散熱系統其實是由快充的要求決定的,而不是動力需求決定的。而快充的需求,平常的液冷要架不住的,直接邁入製冷甚至多種辦法結合在一起。3C以上畢竟存在著很多的挑戰。

小結:我把題目改成散熱了,因為沒有談及加熱。電池模組的加熱,要讓電池在北京的嚴寒下挑戰快充,這得下多大的功夫才能搞得出來啊^_^

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