電車電加熱技術(shù)路線綜述及潛力分析

何 煜，張 薇，汪琳琳

電車電加熱技術(shù)路線綜述及潛力分析

何 煜1，張 薇2，汪琳琳2

（1.亞普汽車部件股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225009；2.天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300134）

由于800 V高電壓平臺(tái)成為電車發(fā)展的趨勢(shì)，電車用電加熱技術(shù)更迭升級(jí)，薄膜電加熱技術(shù)前景廣闊。文章通過電阻絲、正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）、厚膜、薄膜四種車用電加熱技術(shù)路線的比較，針對(duì)頭部車用電加熱器供應(yīng)商的市場(chǎng)調(diào)研，指出薄膜電加熱技術(shù)的發(fā)展?jié)摿εc發(fā)展瓶頸。目前PTC加熱技術(shù)市場(chǎng)成熟度高，薄膜厚膜加熱技術(shù)屬于新技術(shù)，但隨著800 V高電壓平臺(tái)成為行業(yè)未來趨勢(shì)，薄膜厚膜加熱技術(shù)的優(yōu)勢(shì)凸顯，完全有成為下一個(gè)主流加熱技術(shù)的可能。

電動(dòng)汽車；薄膜電加熱技術(shù)；厚膜電加熱技術(shù)；800 V高電壓平臺(tái)

隨著全球范圍內(nèi)對(duì)可持續(xù)能源和環(huán)保的高度關(guān)注，電動(dòng)汽車作為綠色出行的代表受到重視，得益于國(guó)家政策的推動(dòng)扶持，新能源汽車市場(chǎng)進(jìn)入規(guī)?；l(fā)展階段，需求持續(xù)釋放[1]。由于冬季供熱的需求，電動(dòng)汽車低溫續(xù)航問題成為制約新能源電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素，在環(huán)境溫度為0 ℃以下時(shí)，正溫度系數(shù)熱敏電阻（Positive Temperature Coefficient, PTC）加熱器的百公里耗電量為熱泵空調(diào)系統(tǒng)的2.5倍以上，使用熱泵空調(diào)系統(tǒng)能夠節(jié)約60%以上的電量[2]。然而普通熱泵系統(tǒng)加熱在低溫環(huán)境下工作時(shí)，難以滿足乘員艙的采暖需求，因此，目前車企們選擇用電加熱器作為輔助熱泵系統(tǒng)正常運(yùn)行的手段[3]。新能源汽車銷量的快速增長(zhǎng)顯示出電加熱技術(shù)日益擴(kuò)大的市場(chǎng)。800 V高壓快充架構(gòu)提升補(bǔ)能效率，讓新能源電動(dòng)車充電補(bǔ)能無限接近燃油車的加油體驗(yàn)，新能源電動(dòng)車的市場(chǎng)勢(shì)頭更加強(qiáng)勁。本文通過對(duì)車用電阻絲、PTC、薄膜、厚膜四種電加熱技術(shù)路線的分析對(duì)比，基于現(xiàn)有車用電加熱器頭部供應(yīng)商發(fā)布的專利的調(diào)研與800 V高電壓行業(yè)趨勢(shì)，給出了車用薄膜電加熱技術(shù)的可行性與優(yōu)化潛力。

1 電車用電加熱技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景與特性分析

1.1 電車用電加熱器應(yīng)用場(chǎng)景

電車用電加熱器在電池溫度管理、車內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)、駕駛員座椅加熱和擋風(fēng)玻璃加熱等方面發(fā)揮重要作用。由于電阻絲暖風(fēng)系統(tǒng)能耗較高，過于影響電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程，在2017年以偉巴斯特為代表的薄膜加熱技術(shù)進(jìn)入市場(chǎng)之前，PTC電加熱器占據(jù)電車用電加熱器的大部分市場(chǎng)。

在電池溫度管理方面，加熱技術(shù)如表1所示。外部加熱技術(shù)目前主要有三種思路：加熱膜、PTC電加熱器和液體循環(huán)加熱。由于加熱膜和PTC這兩種方式對(duì)電池的加熱并不均勻，往往距離熱敏電阻絲較近的地方會(huì)升溫很快，而距離較遠(yuǎn)的地方則遲遲熱不起來。如今隨著針對(duì)電動(dòng)汽車全新設(shè)計(jì)的平臺(tái)不斷落地，越來越多的車企選擇了液冷循環(huán)這種方式來控制電池包的溫度。內(nèi)部加熱技術(shù)主要有高頻脈沖加熱和全氣候電池自熱，兩種加熱方式加熱速率更快，能耗更低，但技術(shù)可靠性有待驗(yàn)證。

表1 電池加熱技術(shù)對(duì)比

加熱技術(shù)加熱膜PTC加熱液熱高頻脈沖加熱全氣候電池自熱 加熱特點(diǎn)恒功率加熱自控溫加熱對(duì)流/導(dǎo)熱基于電機(jī)加熱加熱片+內(nèi)阻同時(shí)產(chǎn)熱 新增體積1%以下1%以下集成在液冷中無單模組厚度約增加2.5% 升溫速率/(℃/min)0.15～0.50.15～0.80.3～0.83～45～8 加熱能耗-20 ℃～10 ℃6%左右6%左右7%左右2%左右5%左右 加熱器位置電池外電池外電池外無硬件增加單體電池間

1.2 PTC電加熱器的工作原理及特性

PTC加熱器采用PTC陶瓷發(fā)熱元件，PTC陶瓷發(fā)熱元件是以鈦酸鋇為基，摻雜其他多晶陶瓷材料制成的[4]。PTC熱敏電阻加電后自熱升溫使阻值進(jìn)入躍變區(qū)，電流隨著電壓增加而降低，此時(shí)功率恒定，PTC電加熱器達(dá)到熱量平衡，最終保持在一個(gè)穩(wěn)定的溫度[5]，所以PTC電加熱器具有功率自限性。

當(dāng)電壓越高，PTC電壓效應(yīng)越明顯。根據(jù)目前PTC的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，一般出廠檢驗(yàn)的耐壓測(cè)試都是500 V電壓進(jìn)行，所以PTC電加熱器存在電壓擊穿的潛在風(fēng)險(xiǎn)[6]。

1.3 薄膜電加熱器工作原理及特性

薄膜電加熱器利用真空蒸鍍?cè)诨灞砻嫘纬杀∧?，在光刻下制成電路圖型[7]。膜厚精確可控制在5～2.5 nm，電阻體只限于低方塊電阻率材料NiCr和TaN。線條清晰度精細(xì)，分辨率為2.52～25 μm。導(dǎo)體是均質(zhì)材料，引線鍵合性較好。

1.4 厚膜電加熱器工作原理及特性

厚膜加熱器采用厚膜印刷工藝，是指用絲網(wǎng)印刷技術(shù)把電阻材料印刷在導(dǎo)熱絕緣層上，然后放入燒結(jié)爐燒結(jié)成型，再用激光雕刻技術(shù)修正熱敏電阻阻值[8]。厚膜的厚度為2～25 μm，通過使用幾種不同方塊電阻率的漿料來獲得寬范圍的電阻值。線條清晰度不好，分辨率為125～250 μm。線條厚膜印刷工藝制備的導(dǎo)體是非均質(zhì)的，引線鍵合受到漿料中雜質(zhì)的影響。

2 車用電加熱器市場(chǎng)調(diào)研

通過對(duì)頭部電車用加熱器供應(yīng)商或者知名汽車零部件供應(yīng)商的市場(chǎng)調(diào)研分析，可得到電車用電加熱器的市場(chǎng)形勢(shì)與未來發(fā)展方向。

對(duì)馬勒公司2014—2022年發(fā)布的電加熱器相關(guān)專利進(jìn)行調(diào)研，其主要采取PTC電加熱技術(shù)路線，發(fā)布的專利中通過對(duì)電加熱器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，加熱模塊的改進(jìn)，印制電路板（Printed Circuit Board, PCB）與加熱元件的連接件的設(shè)計(jì)來提高PTC加熱器的制熱性能，并于2022年發(fā)布了一篇厚膜加熱技術(shù)相關(guān)專利。其最新推出的高壓PTC加熱器采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的新型散熱翅片，內(nèi)置電子設(shè)備對(duì)加熱器PTC元件的電阻進(jìn)行不斷的分析，產(chǎn)品更加安全，其不可選配800 V快速充電。

通過對(duì)埃貝赫2009—2022年間發(fā)布的電加熱器相關(guān)專利的調(diào)研，其采取PTC電加熱技術(shù)路線，發(fā)布的專利中通過對(duì)電加熱器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，散熱元件的構(gòu)造來提高電加熱器的制熱性能。其最新推出的埃貝赫第三代高電壓冷卻液加熱器為減少對(duì)環(huán)境的熱損失，用塑料代替鋁制成的冷卻套。其高電壓工作的電壓范圍為250～470 V，不可選配800 V快速充電。

對(duì)東方電熱與新業(yè)電子公司進(jìn)行專利調(diào)研，其皆是采用PTC電加熱技術(shù)。東方電熱供應(yīng)的小型電動(dòng)汽車PTC加熱器運(yùn)行的額定電壓在600 V以下，加熱時(shí)，一般5 min內(nèi)4～6 m2的面積，溫升可達(dá)20～25 ℃，不可選配800 V快速充電。新業(yè)電子公司供應(yīng)的電動(dòng)汽車PTC電加熱器的工作電壓可達(dá)540 V，即使環(huán)境溫度達(dá)到?40 ℃，也能實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)；加熱器表面溫度范圍在140～ 250 ℃；不可選配800 V快速充電。

對(duì)博格華納公司進(jìn)行專利調(diào)研，其采取PTC電加熱和厚膜加熱技術(shù)路線，在2018—2022年間發(fā)布的專利中，大部分都是厚膜電加熱技術(shù)相關(guān)專利。博格華納最新推出的高壓液體加熱器可選配800 V快速充電，其厚膜加熱元件的使用壽命長(zhǎng)達(dá)15 000小時(shí)，包裝尺寸和重量減小，超緊湊的模塊化設(shè)計(jì)，熱功率密度高，低熱質(zhì)量和高效率，響應(yīng)時(shí)間快[9]。目前，極氪001乘員艙中已使用博格華納研發(fā)的高壓液體加熱器。根據(jù)消息，兩款搭載800 V和400 V高壓液體加熱器的車型將分別于2023年底及2024年初量產(chǎn)。

偉巴斯特作為最先提出薄膜加熱技術(shù)的公司，在此技術(shù)領(lǐng)域處于超前位置。其公司推出的800 V，10 kW高壓電加熱器采用薄膜加熱技術(shù)，于2021年在“2021中國(guó)汽車及零部件行業(yè)發(fā)展創(chuàng)新大獎(jiǎng)”評(píng)選活動(dòng)榮獲“創(chuàng)新技術(shù)獎(jiǎng)”。產(chǎn)品制熱效率均穩(wěn)定在95%以上，可以幾乎無損耗地將電能轉(zhuǎn)化為熱能，為車內(nèi)供暖和為動(dòng)力電池?zé)峁芾硖峁崃浚瑯O大程度地改善極寒地區(qū)的電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程、電池衰減嚴(yán)重的問題[10]。

PTC電加熱器產(chǎn)品成熟度高，薄膜厚膜電加熱器產(chǎn)品成熟度低，但薄膜厚膜電加熱器產(chǎn)品前景廣闊。

3 800 V高電壓平臺(tái)

中汽數(shù)據(jù)發(fā)布的《2021節(jié)能與新能源汽車發(fā)展報(bào)告》顯示，新能源汽車產(chǎn)業(yè)電控功率密度持續(xù)提升，800 V高電壓平臺(tái)將成為行業(yè)未來趨勢(shì)。高電壓平臺(tái)的推出就是為了實(shí)現(xiàn)高壓快充，實(shí)現(xiàn)整車端快速補(bǔ)能[11]。由于新能源電動(dòng)汽車的市場(chǎng)不斷擴(kuò)大，高壓快充的需求不斷增大，實(shí)現(xiàn)800 V高壓平臺(tái)的難點(diǎn)已逐漸被解決。如表2所示，截至2022年11月，全球范圍內(nèi)已經(jīng)發(fā)布的800 V平臺(tái)車型共有15款，其中有12款已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)上市。在2022年電動(dòng)汽車高壓平臺(tái)發(fā)展路徑與產(chǎn)業(yè)生態(tài)構(gòu)建研討會(huì)上對(duì)新能源汽車800 V車型大規(guī)模上市時(shí)間表進(jìn)行調(diào)研，60%的人認(rèn)為，800 V車型將在2024－2025年大規(guī)模上市。800 V高壓平臺(tái)成為業(yè)內(nèi)趨勢(shì)已成為行業(yè)共識(shí)。

表2 截至2022年11月已經(jīng)發(fā)布的800 V平臺(tái)車型

品牌車型發(fā)布時(shí)間是否已經(jīng)量產(chǎn)上市平臺(tái)電壓/V 保時(shí)捷Taycan2019年9月是800 奧迪E-Tron GT2021年2月是800 現(xiàn)代Ionoq 52021年2月是800 極狐阿爾法SHI版2021年4月是750 捷尼賽思Electrified G802021年4月是800 起亞EV62021年4月是800 捷尼賽思Electrified GV602021年8月是800 廣汽埃安AionV PLUS70急速快充版2021年9月是880 LucidAir2021年首批交付是900 長(zhǎng)城沙龍機(jī)甲龍2021年11月亮相否800 捷尼賽思Electrified GV702021年11月否800 現(xiàn)代Ioniq 62022年7月是800 阿維塔112022年9月是750 小鵬G92022年9月是800 路特斯Eletre2022年10月否800

4 PTC、薄膜、厚膜電加熱器的對(duì)比

PTC電加熱器在高電壓下存在電擊穿的風(fēng)險(xiǎn)，需要對(duì)PTC電加熱器其進(jìn)行改良與優(yōu)化，才能適應(yīng)800 V平臺(tái)的市場(chǎng)趨勢(shì)，而薄膜厚膜電加熱器在高壓平臺(tái)下依舊可以正常使用。表3直觀表明了PTC、薄膜、厚膜的特性對(duì)比。

表3 PTC、薄膜、厚膜電加熱器對(duì)比

加熱元件PTC薄膜厚膜 電學(xué)特性電阻可變電阻基本恒定電阻基本恒定 優(yōu)點(diǎn)具有功率自限性、產(chǎn)品成熟度高熱阻小、工作電壓寬、電流峰值沖擊少、加熱功率精確可控?zé)嶙栊?、工作電壓?缺點(diǎn)低溫環(huán)境下，存在大電流浪涌問題；在更高電壓更大功率的應(yīng)用下，存在電壓擊穿的潛在風(fēng)險(xiǎn)缺乏功率自限性、汽車領(lǐng)域產(chǎn)品不太成熟線條清晰度較薄膜低、缺乏功率自限性[12]、汽車領(lǐng)域產(chǎn)品不太成熟

5 結(jié)論

本文對(duì)頭部車用電加熱器供應(yīng)商的專利進(jìn)行了綜述與分析，得到了以下結(jié)論：

1）目前PTC加熱技術(shù)市場(chǎng)成熟度高，薄膜厚膜加熱技術(shù)屬于新技術(shù)，但隨著800 V高電壓平臺(tái)成為行業(yè)未來趨勢(shì)，薄膜厚膜加熱器的優(yōu)勢(shì)凸顯。

2）薄膜、厚膜加熱技術(shù)存在一定的瓶頸：薄膜厚膜材料缺乏功率自限性，可能出現(xiàn)局部“熱點(diǎn)”，區(qū)域溫度過高會(huì)導(dǎo)致膜材料的損壞也會(huì)造成加熱不均，目前加熱器溫度監(jiān)測(cè)裝置不夠優(yōu)良，優(yōu)化空間大。由于應(yīng)用案例少，對(duì)該新技術(shù)成熟度和應(yīng)用成本需要一段時(shí)間來改善與優(yōu)化。

3）厚膜線條清晰度、分辨率較薄膜低，薄膜加熱技術(shù)更有優(yōu)勢(shì)。

綜上所述，通過不斷研究和發(fā)展新型材料、控制技術(shù)、集成設(shè)計(jì)和降低成本等方面的技術(shù)，薄膜加熱器將為電動(dòng)汽車領(lǐng)域帶來更多創(chuàng)新和價(jià)值，完全有成為下一個(gè)主流加熱技術(shù)的可能。

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Overview and Potential Analysis of Tram Electric Heating Technology Route

HE Yu1, ZHANG Wei2, WANG Linlin2

( 1.YAPP Automotive Systems Company Limited, Yangzhou 225009, China;2.Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology, Tianjin University of Commerce, Tianjin 300134, China )

Due to the trend of 800V highvoltage platform becoming the development of electric vehicles, electric heating technology for electric vehicles has been constantly upgraded, and thin film electric heating technology has broad prospects. This paper compares four types of automotive electric heating technology routes: resistance wire, positive temperature coefficient (PTC), thick film, and thin film, and conducts market research on leading automotive electric heater suppliers. It points out the development potential and existing bottlenecks of thin film electric heating technology.At present, the positive temperature coefficient(PTC) heating technology market is highly mature, and thin film thick film heating technology is a new technology. However, with the 800V high voltage platform becoming the future trend in the industry, the advantages of thin film thick film heating technology are prominent, and it is fully possible to become the next mainstream heating technology.

Electric vehicles;Thin film electric heating technology;Thick film electric heating technology;800V high voltage platform

U469.72；TM924.21

A

1671-7988(2023)12-35-04

何煜（1975－），男，博士，工程師，研究方向?yàn)槠嚐峁芾恚珽-mail:heyu@yapp.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.012.007