何 煜，張 薇，汪琳琳

電車電加熱技術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 揚州 225009；2.天津商業(yè)大學天津市制冷技術重點實驗室，天津 300134）

由于800 V高電壓平臺成為電車發(fā)展的趨勢，電車用電加熱技術更迭升級，薄膜電加熱技術前景廣闊。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路線的比較，針對頭部車用電加熱器供應商的市場調研，指出薄膜電加熱技術的發(fā)展?jié)摿εc發(fā)展瓶頸。目前PTC加熱技術市場成熟度高，薄膜厚膜加熱技術屬于新技術，但隨著800 V高電壓平臺成為行業(yè)未來趨勢，薄膜厚膜加熱技術的優(yōu)勢凸顯，完全有成為下一個主流加熱技術的可能。

電動汽車；薄膜電加熱技術；厚膜電加熱技術；800 V高電壓平臺

隨著全球范圍內對可持續(xù)能源和環(huán)保的高度關注，電動汽車作為綠色出行的代表受到重視，得益于國家政策的推動扶持，新能源汽車市場進入規(guī)?；l(fā)展階段，需求持續(xù)釋放[1]。由于冬季供熱的需求，電動汽車低溫續(xù)航問題成為制約新能源電動汽車發(fā)展的關鍵因素，在環(huán)境溫度為0 ℃以下時，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系統(tǒng)的2.5倍以上，使用熱泵空調系統(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，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)正常運行的手段[3]。新能源汽車銷量的快速增長顯示出電加熱技術日益擴大的市場。800 V高壓快充架構提升補能效率，讓新能源電動車充電補能無限接近燃油車的加油體驗，新能源電動車的市場勢頭更加強勁。本文通過對車用電阻絲、PTC、薄膜、厚膜四種電加熱技術路線的分析對比，基于現(xiàn)有車用電加熱器頭部供應商發(fā)布的專利的調研與800 V高電壓行業(yè)趨勢，給出了車用薄膜電加熱技術的可行性與優(yōu)化潛力。

1 電車用電加熱技術應用場景與特性分析

1.1 電車用電加熱器應用場景

電車用電加熱器在電池溫度管理、車內空調系統(tǒng)、駕駛員座椅加熱和擋風玻璃加熱等方面發(fā)揮重要作用。由于電阻絲暖風系統(tǒng)能耗較高，過于影響電動車續(xù)航里程，在2017年以偉巴斯特為代表的薄膜加熱技術進入市場之前，PTC電加熱器占據電車用電加熱器的大部分市場。

在電池溫度管理方面，加熱技術如表1所示。外部加熱技術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這兩種方式對電池的加熱并不均勻，往往距離熱敏電阻絲較近的地方會升溫很快，而距離較遠的地方則遲遲熱不起來。如今隨著針對電動汽車全新設計的平臺不斷落地，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。內部加熱技術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，但技術可靠性有待驗證。

表1 電池加熱技術對比

加熱技術加熱膜PTC加熱液熱高頻脈沖加熱全氣候電池自熱 加熱特點恒功率加熱自控溫加熱對流/導熱基于電機加熱加熱片+內阻同時產熱 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入躍變區(qū)，電流隨著電壓增加而降低，此時功率恒定，PTC電加熱器達到熱量平衡，最終保持在一個穩(wěn)定的溫度[5]，所以PTC電加熱器具有功率自限性。

當電壓越高，PTC電壓效應越明顯。根據目前PTC的行業(yè)標準，一般出廠檢驗的耐壓測試都是500 V電壓進行，所以PTC電加熱器存在電壓擊穿的潛在風險[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在基板表面形成薄膜，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，分辨率為2.52～25 μm。導體是均質材料，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，是指用絲網印刷技術把電阻材料印刷在導熱絕緣層上，然后放入燒結爐燒結成型，再用激光雕刻技術修正熱敏電阻阻值[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體是非均質的，引線鍵合受到漿料中雜質的影響。

2 車用電加熱器市場調研

通過對頭部電車用加熱器供應商或者知名汽車零部件供應商的市場調研分析，可得到電車用電加熱器的市場形勢與未來發(fā)展方向。

對馬勒公司2014—2022年發(fā)布的電加熱器相關專利進行調研，其主要采取PTC電加熱技術路線，發(fā)布的專利中通過對電加熱器結構的優(yōu)化，加熱模塊的改進，印制電路板（Printed Circuit Board, PCB）與加熱元件的連接件的設計來提高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相關專利。其最新推出的高壓PTC加熱器采用優(yōu)化設計的新型散熱翅片，內置電子設備對加熱器PTC元件的電阻進行不斷的分析，產品更加安全，其不可選配800 V快速充電。

通過對埃貝赫2009—2022年間發(fā)布的電加熱器相關專利的調研，其采取PTC電加熱技術路線，發(fā)布的專利中通過對電加熱器結構的優(yōu)化，散熱元件的構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。

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

對博格華納公司進行專利調研，其采取PTC電加熱和厚膜加熱技術路線，在2018—2022年間發(fā)布的專利中，大部分都是厚膜電加熱技術相關專利。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達15 000小時，包裝尺寸和重量減小，超緊湊的模塊化設計，熱功率密度高，低熱質量和高效率，響應時間快[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。

偉巴斯特作為最先提出薄膜加熱技術的公司，在此技術領域處于超前位置。其公司推出的800 V，10 kW高壓電加熱器采用薄膜加熱技術，于2021年在“2021中國汽車及零部件行業(yè)發(fā)展創(chuàng)新大獎”評選活動榮獲“創(chuàng)新技術獎”。產品制熱效率均穩(wěn)定在95%以上，可以幾乎無損耗地將電能轉化為熱能，為車內供暖和為動力電池熱管理提供熱量，極大程度地改善極寒地區(qū)的電動車續(xù)航里程、電池衰減嚴重的問題[10]。

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

3 800 V高電壓平臺

中汽數(shù)據發(fā)布的《2021節(jié)能與新能源汽車發(fā)展報告》顯示，新能源汽車產業(yè)電控功率密度持續(xù)提升，800 V高電壓平臺將成為行業(yè)未來趨勢。高電壓平臺的推出就是為了實現(xiàn)高壓快充，實現(xiàn)整車端快速補能[11]。由于新能源電動汽車的市場不斷擴大，高壓快充的需求不斷增大，實現(xiàn)800 V高壓平臺的難點已逐漸被解決。如表2所示，截至2022年11月，全球范圍內已經發(fā)布的800 V平臺車型共有15款，其中有12款已經實現(xiàn)量產上市。在2022年電動汽車高壓平臺發(fā)展路徑與產業(yè)生態(tài)構建研討會上對新能源汽車800 V車型大規(guī)模上市時間表進行調研，60%的人認為，800 V車型將在2024－2025年大規(guī)模上市。800 V高壓平臺成為業(yè)內趨勢已成為行業(yè)共識。

表2 截至2022年11月已經發(fā)布的800 V平臺車型

品牌車型發(fā)布時間是否已經量產上市平臺電壓/V 保時捷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 長城沙龍機甲龍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、厚膜電加熱器的對比

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

表3 PTC、薄膜、厚膜電加熱器對比

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

5 結論

本文對頭部車用電加熱器供應商的專利進行了綜述與分析，得到了以下結論：

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

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

3）厚膜線條清晰度、分辨率較薄膜低，薄膜加熱技術更有優(yōu)勢。

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

[1] 岳喜燕.我國新能源汽車產業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究[J].中國國際財經(中英文),2017(24):13-14.

[2] 姜繼周,李志亮,陳新強,等.電動汽車熱泵空調系統(tǒng) 在嚴寒地區(qū)的試驗研究[J].制冷與空調,2019,19(6): 53-55.

[3] 谷曉陽,蘇林,李康,等.電動汽車熱泵系統(tǒng)冬季乘員艙溫升特性的實驗研究[J].農業(yè)裝備與車輛工程, 2023,61(1):7-12.

[4] 啜艷明.液相摻雜BaTiO_3基PTC陶瓷材料的制備?表征及電性能研究[D].保定:河北大學,2011.

[5] 席軍,劉廷華.PTC熱敏電阻的開發(fā)應用現(xiàn)狀[J].塑料, 2005(4):79-84.

[6] 陳宏金.高居里點PTC熱敏陶瓷加熱器熱結構的研究[J].電子元件與材料,1986(4):10-18.

[7] 姚瑞楠.高精度高穩(wěn)定鉻硅薄膜電阻制備技術研究[D].重慶:重慶郵電大學,2010.

[8] 黃耀.一種新能源汽車熱管理的平板厚膜加熱器及其制備工藝:CN111132397A[P].2020-05-08.

[9] 高馳.混動和純電動時代的座艙和電池加熱方案,聊博格華納高壓液體加熱器[J].汽車與配件,2020(23): 38-39.

[10] 佚名.偉巴斯特高壓電加熱器HVH100[J].汽車觀察, 2019(4):194.

[11] 陳東坡,陳昭亮.新能源汽車800V高壓平臺發(fā)展現(xiàn)狀與建議[J].高科技與產業(yè)化,2022,28(8):68-71.

[12] 斯蒂芬·博格斯豪森,弗朗西斯科·岡薩雷斯·埃斯平,托比約恩·哈爾伯格,等.特別地用于電動車輛的電加熱裝置:CN115604872A[P].2023-01-13.

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，研究方向為汽車熱管理，E-mail:heyu@yapp.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.012.007