精密合金线材全景调研与发展战略研究

精密合金线材全景调研与发展战略研究一、 新能源汽车电池热管理行业发展概况和趋势（一）新能源汽车电池热管理行业概况及发展趋势新能源汽车电池热管理系统旨在调整电池温度，减小电池包内最高温度和最低温度的差异，使得动力电池保持在适宜工作的温度范围，从而确保充放电性能、电池安全性及寿命，降低新能源汽车由于电池过热导致自燃的风险。新能源汽车电池热管理系统按照冷却媒介不同主要可分为风冷、液冷和直冷三类，其中液冷是动力电池冷却的主流技术，其冷却速度快、比热容大、换热系数高，在换热能力、换热一致性等方面均有良好表现。液冷系统零部件较为复杂，主要包括电池冷却器、电子膨胀阀、电子水泵、电池阀、液冷管、液冷板等，其中液冷管、液冷板通过冷却液在液流中循环流动传递走多余热量从而实现冷却功能，是液冷系统的关键部件。随着新能源汽车逐渐朝着高能量密度和高续航的方向发展，动力电池热管理系统对温度的监测和控制需求日益提升。为达到更好的冷却效果，未来液冷管、液冷板将根据客户需求逐步提升技术要求和质量品质，在工艺难度提升的同时，单车价值量及使用量有望获得较大提升。此外，伴随着下游新能源汽车行业需求放量，新能源汽车电池热管理系统下游特定品类和型号有望实现生产的规模效应，产业链增长潜力较大。（二）合金线材行业概况及发展趋势合金线材属于合金材料产业的一个重要分支，包括硬线钢、轴承钢、弹簧钢、碳素、合金结构钢等，主要用于制造切割钢丝、轮胎子午线、轴承钢球、滚子及滚针、轿车气门及悬架簧、标准件及桥梁缆索等，较广泛应用于国家重点建设工程、汽车、工程机械、矿山及桥梁等领域。十二五至十四五期间，我国持续将新材料列入战略新兴行业，面向十四五以及更为长远的周期，战略性新兴产业将成为我国现代经济体系建设的新支柱，是破解经济社会发展不平衡、不充分难题的关键产业。合金线材方面，2021年9月，中国钢结构协会线材制品行业分会提出了线材制品行业十四五发展建议纲要，针对国产高端线材市占率、绿色生产等制定具体量化指标。二、 新能源汽车热管理行业竞争格局从全球范围看电装、法雷奥、翰昂和马勒等多家零部件巨头的汽车热管理业务收入规模超过40亿欧元，它们的产品涉及冷却系统、空调系统、压缩机以及热泵系统等。从竞争格局来看，新能源车热管理领域国际巨头在空调系统领域仍将占据统治地位，在其他领域也在逐步布局。国际零部件巨头有望将他们在燃油车空调系统领域的统治优势延续到新能源车领域，以电动压缩机为例，电装、三电和翰昂占据了80%以上的市场份额。三、 电池热管理系统：液冷是目前主流趋势，直冷是未来发展方向电池热管理要求不断提升，液冷技术为主流发展趋势。新能源汽车动力电池的温度直接制约汽车的性能和安全性，当前电池热管理主要分为风冷、液冷和直冷三种技术方案。相较于新能源公交车、部分A00级纯电动车以及早起混动车型采用风冷技术路线，当前随着电芯能量密度提升、快充技术的发展迭代，风冷技术路线无法保证电池处于最佳工况温度区间，而直冷技术路线较前者难度较大，因此液冷技术路线逐步取代风冷成为当前OEM主流方案。风冷技术简单、成本低但换热效果不能满足当前新能源车热管理需求。风冷技术按照风的流动动力可分为被动式（自然冷却）和主动式（强制冷却）；按照风冷系统风道可分为串联式和并联式，其以低温空气作为介质，利用风的对流降低动力电池的温度。被动式风冷是将外部空气或乘员舱空气与电池包表面形成的对流从而带走热量；主动式风冷是利用鼓风机将空气通过蒸发器降温再与电池包表面形成对流从而散热。风冷系统结构相较于液冷和直冷方案较为简单、成本低，但其换热系数较低，冷却速度较慢、电池内部换热不均匀，且换热效果受外界影响，目前逐步被液冷、直冷系统所取代。液冷模式换热效果好，是目前电池热管理主流技术方案。液冷技术路线主要以冷却剂（水和乙二醇）作为制冷剂，通过空调制冷/制热回路与动力电池制冷/制热回路并联耦合。其工作原理首先通过电动压缩机将制冷剂压缩成高温高压气态，接着经过冷凝器和储液罐（过滤水和杂质）后形成低温高压的液态，经过电子膨胀阀变成低温低压的液态从而进入电池冷却器，在电池冷却器（Chiller）制冷剂与冷却液进行充分换热，热量被制冷剂带走。当电池温度较低时，可以通过PTC（热敏电阻）加热冷却液达到制热效果。液冷换热效果优于风冷，目前是主流车型配置的电池热管理解决方案。直冷模式制热效果好但成本较高。直冷技术路线采用空调系统制冷剂（R124a、CO2等）直接对动力电池进行冷却，制冷剂通过储液罐和膨胀阀后变成低温低压的液态制冷剂直接与电池包内部的冷却板进行热交换，进而将动力电池内部的热量带出。直冷模式制热效果较好，但制冷剂用量大、成本高，目前直冷方案使用较少。四、 电动汽车热管理技术发展历程整车热管理是电动汽车发展的核心技术之一，涉及乘员舱温湿环境调控、动力系统温控、玻璃防雾除雾等多目标管理。根据热管理系统架构与集成化程度，将电动汽车热管理的发展归纳为三个阶段，从单冷配合电加热到热泵配合电辅热再到宽温区热泵与整车热管理逐步耦合，电动汽车整车热管理技术逐渐朝着高度集成化、智能化的方向发展，并且在宽温区、极端条件下的环境适应性能力逐渐提升。在电动汽车产业化起步阶段，基本是以电池、电机等动力系统的替代为核心技术发展起来的，车室空调、车窗除雾、动力部件温控等辅助系统是在传统燃油汽车热管理技术基础上逐步改进而来的。纯电动汽车空调与燃油汽车空调都是通过蒸气压缩循环来实现制冷功能，两者的区别是燃油汽车空调压缩机由发动机通过皮带间接驱动，而纯电动车则直接使用电驱动压缩机来驱动制冷循环。燃油汽车冬季制热时直接利用发动机余热对乘员舱进行供热，不需要额外的热源，而纯电动车的电机余热无法满足冬季制热的需求，因此冬季制热是纯电动汽车需要解决的问题。正温度系数加热器（positivetemperaturecoefficient，PTC）由PTC陶瓷发热元件与铝管组成，具有热阻小、传热效率高的优点，并且在燃油汽车的车身基础上改动较小，因此早期的电动汽车采用蒸气压缩制冷循环制冷加PTC制热的方式来实现乘员舱的热管理，例如早期三菱公司的i-MIEV电动汽车。与燃油汽车由燃料提供能量不同，电动汽车由动力电池提供能量。电动汽车正常运行时，动力电池放电产热，温度升高，需要对电池进行降温。电池冷却的方法主要有空气冷却、液体冷却、相变材料冷却、热管冷却，由于空气冷却结构简单、成本低、便于维护，在早期的电动车上得到广泛应用。这一阶段的热管理主要形式是各个独立的子系统分别满足热管理的需求。在实际使用过程中电动汽车冬季供热能耗需求较高，从热力学角度来说PTC制热的COP始终小于1，使得PTC供热耗电量较高，能源利用率低，严重制约了电动汽车的行驶里程。而热泵技术利用蒸气压缩循环将环境中的低品位热量进行利用，制热时的理论COP大于1，因此使用热泵系统代替PTC可以增加电动汽车制热工况下的续航里程。宝马i3车型采用热泵系统来实现冬季制热。此外，一汽奔腾与红旗、上汽荣威等也在部分车型上采用了热泵系统。然而在低温环境下，传统热泵系统制热量衰减严重，无法满足电动汽车低温环境制热需求，需要额外的加热器辅助加热，因此热泵加PTC辅热的制热方式成为电动汽车冬季低温环境下乘员舱制热的主要方式。随着动力电池容量与功率的进一步提升，动力电池运行过程的热负荷也逐渐增大，传统的空冷结构无法满足动力电池的温控需求，因此液冷成为当前电池温控的主要方式。并且，由于人体所需的舒适温度和动力电池正常工作所处的温度相近，可以通过在乘员舱热泵系统中并联换热器的方式来分别满足乘员舱与动力电池制冷的需求。通过换热器以及二次冷却间接带走动力电池的热量，电动汽车整车热管理系统集成化程度有所提高。虽然集成化程度有所提升，但这一阶段的热管理系统只对电池制冷与乘员舱制冷进行了简单整合，电池、电机余热未得到有效利用。传统热泵空调在高寒环境下制热效率低、制热量不足，制约了电动汽车的应用场景。因此，一系列提升热泵空调低温工况下性能的方法得以开发应用。通过合理增加二次换热回路，在对动力电池与电机系统进行冷却的同时，对其余热进行回收利用，以提高电动汽车在低温工况下的制热量。实验结果表明，余热回收式热泵空调与传统热泵空调相比，制热量显著提升。各热管理子系统耦合程度更深的余热回收式热泵以及集成化程度更高的整车热管理系统在特斯拉ModelY、大众ID4CROZZ等车型上已得以应用。但当环境温度更低，且余热回收量更少时，仅通过余热回收依然无法满足低温环境下的制热量需求，仍需使用PTC加热器来弥补上述情况下制热量的不足。但随着电车整车热管理集成程度的逐渐提升，可以通过合理的增大电机发热量的方式来增加余热的回收量，从而提高热泵系统的制热量与COP，避免了PTC加热器的使用，在进一步降低热管理系统空间占用率的同时满足电动汽车在低温环境下的制热需求。除电池电机系统余热回收利用外，回风利用也是降低低温工况下热管理系统能耗的方式。研究结果表明，低温环境下，合理的回风利用措施能够在避免车窗起雾、结霜的同时使电动汽车所需制热量下降46%62%，最大能够降低约40%的制热能耗。日本电装也开发了相应的双层回风/新风结构，能够在防起雾的同时降低30%由通风引起的热损失。这一阶段电动汽车热管理在极端条件下的环境适应能力逐渐提升，并朝着集成化、绿色化的方向发展。为进一步提高电池高功率情况下的热管理效率，降低热管理复杂程度，将制冷剂直接送入电池组内部进行换热的直冷直热式电池温控方式也是目前的一个技术方案，一种电池包与制冷剂直接换热的热管理构型。直冷技术能够提高换热效率与换热量，使电池内部获得更均匀的温度分布，减少二次回路的同时增大系统余热回收量，进而提高电池温控性能。但由于电池与制冷剂直接换热技术需要通过热泵系统的工作提高冷热量，一方面电池温控受限于热泵空调系统的启停，并对制冷剂环路的性能有一定影响，另一方面也限制了过渡季节的自然冷源利用，因此该技术仍需通进一步的研究改进与应用评估。五、 新能源汽车热管理技术趋势乘用车行业普遍认为空调会占到整车能耗的10-20%，而在新能源车上这个比例会更高。而在空调制热系统方面，传统汽车与新能源汽车差异较大，新能源汽车无法利用发动机余热，一般使用PTC加热器或热泵系统进行制热。但常用的PTC加热器耗电量较大，导致汽车的行驶里程大幅下降，因此制热效率较高的热泵系统将成为新能源汽车空调的发展方向。新能源车电池系统对于工作环境的温度要求更加严格，过高或过低的环境温度将显著影响车辆的续航里程以及电池寿命。而目前新能源乘用车广泛采用电池液体冷却技术，如特斯拉和宝马i3新能源车。液冷技术通过液体对流换热方式将电池产生的热量带走，液体换热系数高、热容量大、冷却速度快，对降低最高温度、保持电池组温度一致性效果更好，相较于风冷液冷方案更易实现余热回收。相关调研数据显示，2017年我国量产的PHEV已经100%采用了电池液冷方案，而纯电动车仅仅只有6%采用液冷，2018年预计纯电动车液冷的普及率会超过60%。电机冷却方面，新能源汽车和传统燃油车也存在着一定的差异。而未来随着智能化程度的提升，新能源车装载的电子部件数量和种类更加繁多，从功率只有几十瓦的LED芯片到几百千瓦的动力电子都有应用。液冷将是高功率电子部件的主要冷却方案，而低功率电子部件的散热需要创新的低成本风冷方案。伴随着新的热管理技术的出现，需要对应不同功能开发新的换热器，这也意味着热交换器数量会不断增加，这给相关行业将带来较大增长空间。六、 新能源促消费举措叠加双积分趋严驱动电动汽车放量