从冷启动到温暖驾乘：用于电动汽车电池的先进不锈钢基板厚膜加热器

从冷启动到温暖驾乘： 用于电动汽车电池的先进不锈钢基板厚膜加热器 材料科技、创新智造、世代传承。 0304050706090305060804摘要严寒气候的挑战不锈钢基板加热器结构市场趋势不锈钢基板厚膜加热技术的优势发展前景电池温度预调节为何至关重要共塑电动汽车“温暖”未来微观层面的加热器设计案例研究：革新电动汽车冷却液加热系统动力电池温度预调节的传统方法 摘要 电动汽车市场日益成为先进加热技术的主要应用领域。在电动汽车中，加热系统不仅关乎乘客的舒适体验，更是热管理系统的基础 —— 在寒冷气候下确保电芯温度保持在最佳范围内。适宜的热控技术能确保充电更快、更高效，延长续航里程以及电池使用寿命。为此，电动汽车动力电池的加热器必须具备紧凑、重量轻、可 靠、 节 能 等 特 性， 并 且 在 严 苛 工 况 下 经 久耐用。 作为新一代解决方案，不锈钢基板厚膜加热器脱颖而出，它凭借高功率密度、设计灵活性以及在恶劣环境下久经考验的稳定性，在亚洲市场被广泛采用。相较于热泵、筒式加热器或正 温度系数（PTC）陶瓷加热器等传统系统，不锈钢基板加热技术效率更高、体积和重量更小，并且热响应速度更快。 本文回顾了传统动力电池加热方法，阐述了不锈钢基板加热技术的性能优势，并剖析了推动热管理创新的市场驱动力，同时通过一项案例研究，展示不锈钢基板加热技术如何助力电动汽车发展。 电池温度预调节为何至关重要 动力电池的最佳工作温度区间为20°C至30°C。为了将电池温度维持在该区间，许多电动汽车利用热管理系统，在充电或行驶前对电池进行加热或冷却，这个过程称为“电池温度预调节”。该技术在以下三大关键领域带来性能优势： 加速充电——预调节确保电池能够承受更高的充电速率，从而大幅缩短充电时间。如未经预调节，充电功率可能被限制在20kW左右；而经过预调节的电池，能达到200kW甚至更高（具体取决于充电器规格）。 提升效率与续航—— 通过预调节让电芯保持最佳温度，从而确保稳定的能量输出以及可预测的续航里程。这一点在寒冷气候下至关重要，因为未经加热的电池，其效率和续航会急剧下降。 延长电池使用寿命—— 维持理想状态有助于维护化学稳定性，减缓性能衰减，延长使用寿命。 简言之，预调节能够最大化动力电池的性能、可靠性和使用寿命。 严寒气候的挑战 热泵 现已广泛应用于电动汽车，热泵利用包含压缩机、冷凝器、膨胀阀及蒸发器的闭环制冷剂循环来工作。它能从环境空气中提取热量，或回收车辆其他系统的余热，再将这些热量传递至电池的冷却液回路。在温和至中度寒冷的气候下，热泵效率较高，但在极寒环境下，其性能会下降，通常需要配备辅助电阻加热器。热泵的多组件设计也增加了系统的复杂性、重量、成本及维护需求。 严寒气候对锂离子电池构成严峻挑战。低温会导致电解质粘度增大、离子迁移减缓、内阻升高及性能下降。低温电池使用快充模式更具风险，因为这样可能引发负极析锂，从而导致永久性损伤。这些效应导致低温电池反应迟钝、效率低下，且充电速度极慢。 当电池以“冰冷”状态抵达充电站时，行程延误往往难以避免。充电启动前，电池管理系统（BMS）必须先调用能量为电池组预热，这会额外增加30至40分钟的等待时间，在充电排队时段，这无疑是雪上加霜。 筒式加热器 这种圆柱形加热器长期应用于工业设备，以实现精确稳定的温度控制。每个加热器内部都有一根缠绕在陶瓷芯上的电阻丝，用介电材料进行绝缘，并封装于不锈钢护套之中。在电动汽车中，它们被插入到与电池保持热接触的金属板或金属块的钻孔中，通过热传导将热量传递给冷却液，或直接传导至电芯。尽管它在小尺寸空间内具备结构紧凑、高效的特点，但在大面积应用场景下，难以实现均匀加热。这种加热器通常需要多个单元才能加热整个电池组，不仅增加了重量，还可能导致局部热点，从而加速电池衰减。 为了解决这个问题，现代电动汽车普遍采用智能热管理技术。当导航系统检测到路线规划中包含快充站点时，电池管理系统会在行驶途中自动预热电池。通过预判驾驶者的意图，该系统能确保电池在抵达时达到最佳温度，从而实现无延迟快充。 动力电池温度预调节的传统方法 现代电动车采用多种热管理技术进行电池预调节，每种方案在体积、重量、成本及复杂度方面各有取舍。常见方案包括： 共塑电动汽车“温暖”未来 自调节PTC陶瓷加热器 PTC陶瓷加热器的电阻值会随温度升高而改变，当加热至目标温度时会自动限制功率输出。得益于这种自调节特性，PTC加热片能防止过热，降低对电子控制器的依赖，并具备固有的安全性和节能优势。 严寒天气依然是电动汽车面临的最严峻挑战之一，它会大幅削减电池的续航里程与效率。在解决该问题时，工程师们必须在减重、降本以及严格的汽车安全与法规标准等相互制约的需求之间取得平衡。满足上述要求不仅需要巧妙的设计，还需要汽车制造商与先进材料供应商之间的紧密合作 —— 材料创新对新一代电动汽车电池加热解决方案而言至关重要。 在电动汽车中，PTC陶瓷加热器通常堆叠于防护壳内，确保气流穿过加热器。风扇强制空气流经加热片，而风道则将加热后的暖风输送至电池组或车辆其他有需要的区域。然而，为了实现足够的加热能力，往往需要配置多个PTC加热模块，不仅增加了重量，还因添加了风扇和风道而增加了系统的复杂性。 贺利氏电子携手工程师与主机厂，共同拓展电池热管理技术的边界。他们的核心贡献在于厚膜加热技术，该技术集耐久性、可扩展性与卓越的设计灵活性于一身。这项创新技术的核心在于新型电阻浆料系列，可实现超薄不锈钢基板加热器设计 —— 轻量化、高功率密度且具备快速热响应特性。 随着电动汽车向高压平台发展，PTC陶瓷加热器的应用也面临着局限性。它在400V以下表现优异，但在800V及更高电压系统中，应用受到限制。尽管PTC厂商正致力于解决该问题，但厚膜加热器已问世，并且在高压平台表现出色。 最终，该技术赋予了电动汽车电池必要的机械、电气及热性能，确保电池在极寒条件下也能保持正常的效率与续航里程。 不锈钢基板加热器结构 贺利氏的不锈钢基板厚膜加热技术采用简单却先进 的多层结构设计，确保加热均匀、持久耐用且外形紧凑。这块不锈钢基板被用作均热板，表面覆有一层玻璃陶瓷电介质层以实现电气绝缘。厚膜电阻加热线路通过丝网印刷工艺印制在该电介质层上，随后覆 盖 一 层 保护性包封浆料。最终，该组件经850°C高温烧结，确保各层永久粘接并形成密封结构，以保护环境并确保长期可靠性。 微观层面的加热器设计 厚膜电阻浆料是由银/钯、银/铂或氧化钌等贵金属粉末精心配制而成的混合物。这些填料分散于树脂-溶剂载体中，并添加有机改性剂以控制流动特性，从而实现高精度细线与细间距丝网印刷。 烧结时，颗粒熔融形成稳定的导电网络。最终形成的微观结构由颗粒尺寸、形状、分布及堆积密度决定，进 而 决 定 该 电 路 的 电 气 性 能 与 耐久性。 不锈钢基板厚膜加热技术的优势 高性能与高精度 不锈钢基板加热器在干式（夹装式）配置下可提供超 过12W/cm²的 功 率 密 度， 液 冷 工 况 下 则 高 达50W/cm²，远超筒式加热器（5W/cm²）。其低热质量可确保高效的能量转换，而可定制的细线图案支持多加热区与精准温控。浆料配方可针对特定应用进行定制，以优化功率密度与电阻特性。 不锈钢基板厚膜加热技术凭借一套先进材料，能够适应广泛的应用场景，包括对可靠性与效率要求极高的电动汽车环境。 结构紧凑与轻量化 不锈钢基板加热器总厚度仅数毫米，既能适应狭小空间，又能助力车辆实现减重目标。 耐久性与可靠性 专为极端工况设计的不锈钢基板加热器，可承受振动、热循环、热冲击（300°C下3500次循环）、湿度（带偏压，85°C/85% RH）、化学腐蚀以及盐雾侵蚀。该技术的工作温度可达500°C，从零下到极热工况下均能保持性能稳定，并具备800V以上的击穿电压、超过2.5kV（交流）的介电强度以及25°C下≥10¹²Ω的绝缘电阻。 设计灵活性 丝网印刷技术不仅支持平面，也支持圆柱面，可实现超越标准圆形或矩形的定制化二维布局。 市场趋势 不锈钢基板厚膜加热器正颠覆全球电动汽车电池加热市场的格局，因为汽车OEM厂商正逐步摒弃笨重且高能耗的热泵及陶瓷PTC元件，转而采纳紧凑高效的设计方案。 •强劲增长前景—— 受电动汽车领域驱动，厚膜加热器的市场普及率预计将以约15%的复合年均增长率攀升。•区域发展势头—— 预计亚洲市场增速最快，该地区的汽车制造商正积极采用不锈钢基板加热器，以减轻重量、简化系统设计并提升效率。•应用更加广泛—— 除电动汽车外，不锈钢基板加热技术已在白色家电、消费类电器、半导体、工业及分析设备领域成熟应用，其快速响应、高可靠性以及较长的使用寿命备受青睐。 这种跨领域增长不仅带来了规模经济效应，也进一步巩固了不锈钢基板加热器作为汽车应用中耐用且经济高效的解决方案的地位。 案例研究:革新电动汽车冷却液加热系统 一家领先的一级汽车零部件供应商需要为主机厂设计一款旗舰级电池加热系统。他们面临着一项严峻挑战：如何在400V至800V电压下实现快速升温、紧凑设计以及极致的可靠性。 挑战 技术突破 工程师运用厚膜电阻浆料技术，开发出一种由丝网印刷加热电路和不锈钢基板组成的加热器。该器件直接集成至电动汽车电池冷却液回路，在优化传热性能的同时突破了传统系统的设计局限。 传统方案显得力不从心。热泵在极寒环境下显得笨重且低效，而陶瓷PTC器件又存在体积大、加热慢的问题。两者均无法满足新一代电动汽车的性能需求。 成果 •热响应迅速，大幅缩短加热时间•紧凑的轻量化设计，降低整车重量•降低功耗，提升电池效率与续航里程•经严苛测试条件验证的可靠性 该项目的成功，确立了不锈钢基板加热器作为电动汽车加热领域的新标杆，推动其在多个主机厂平台的应用，也奠定了其供应商作为先进电动汽车热管理领域公认领导者的地位。 发展前景 展望未来，不锈钢基板加热技术前景宏大且充满希望。持续不断的材料研究正在降低对价格高昂的贵金属的依赖。丝网印刷与烧结技术的进步，有望进一步降低成本，拓宽基板的选择范围，并提升导热性能。未来目标包括集成传感与控制元件，从而实现更智能、更安全且更高效的闭环加热。 在动力电池温度预调节领域，不锈钢基板厚膜加热器已成为经行业验证的成熟技术，集高功率密度、快速热响应与卓越的耐久性于一身。这项创新技术助力实现了整车轻量化、更长的续航里程以及更高的电池效率。 与任何新技术一样，不锈钢基板加热器的应用需审慎考量。贵金属电阻浆料推高材料成本；具备资质的供应商依然有限，而相关的法规与测试标准尚在制定中。应对上述挑战的最佳途径是与专家合作。例如，在将不锈钢基板加热器集成至电动汽车冷却回路时，通过与专家协同开发，能够显著优化设计，从而兼顾成本、性能与合规性。作为该领域值得信赖的合作伙伴，贺利氏电子凭借全球智慧、本地支持以及专属技术团队，助力主机厂快速、可靠地实现从设计到量产的飞跃。 不锈钢基板厚膜加热技术的发展路径十分清晰。凭借持续创新以及主机厂与零部件供应商之间的稳固合作，不锈钢基板加热器有望成为电动汽车电池加热领域的基石，并作为一个多功能平台，应用至工业及消费领域。从冷启动到温暖驾乘的旅程才刚刚开始，不锈钢基板加热器正引领着前行的方向。 想要了解关于不锈钢基板厚膜加热技术的更多信息，请点击此处访问。 关于贺利氏电子 作为电子行业值得信赖的材料创新合作伙伴，贺利氏电子立足全球，深耕本地，为汽车、功率电子和先进半导体封装市场开发材料解决方案，并为客户提供从材料和材料系统到技术服务的广泛产品组合。 生产基地和应用中心 全球战略布局 —— 为客户提供有力支持 哈瑙（德国）蒂米什瓦拉（罗马尼亚）西康舍霍肯（美国）新山（马来西亚）常熟（中国）招远（中国）新加坡（两个） 应用中心 哈瑙（德国）西康舍霍肯（美国）上海（中国）新竹（中国台湾）新加坡水原（韩国） 欧洲、中东和非洲电话+49 6181 35 4370electr