【成果简介】
近日，美国宾夕法尼亚州立大学王朝阳教授(通讯作者)团队针对安全性、能量密度和循环寿命三重难题，提出了电动车电池热管理和安全性的新视角。作者对每一项问题的基本原理进行了定量分析，并将高温电池运行和耐热材料确定为未来电池研发的重要方向，以提高安全性、延缓老化和简化热管理系统。本文发现耐热电池对于抵抗热失控以及最终的电池安全是必不可少的。同时，耐热电池在环境温度下闲置时可延长使用寿命，工作时的热管理也大大简化，因为驱动冷却的温差很大。随着社会向无所不在的电气化交通发展，本文所阐述的基本原理揭示了当前和未来电池技术发展的非常规方法。相关研究成果以“Fundamental Insights into Battery Thermal Management and Safety”为题发表在ACS Energy Lett.上。
【核心内容】
电池安全可能在电动汽车的应用中更为重要，因此必须保持其优先级。如果LiBs由于电池热管理（BTM）不足或其他形式的问题(如短路)达到90~130℃，电解液的可燃性和电池材料的放热分解将带来有潜在的灾难性故障——热失控(TR)的威胁。随着镍含量的增加，高压三元层状氧化物正极材料的发展趋势也加剧了电池安全运行的挑战，虽然电池能量密度(ED)的提高，但伴随而来的是热稳定性的下降。在过热的情况下，通过冷却来减缓TR是可能的，并且在一个小的温度范围内，电池产生的热量不会超过BTMS的冷却能力(图1)。因此，BTMS也提供了一个防止热失效的屏障。显然，电动汽车的关键指标(安全性、使用寿命、续航里程等)相互竞争，电池科学家和工程师需要重新审视这些指标的基本原理，从而推动从材料到系统水平的逐步创新。
图1. 电池热特性。电池热管理系统必须将运行过程中产生的热量散热，以避免温度持续升高。具有不同温度依赖关系的多种老化机制导致了电池寿命的最佳工作温度，这需要BTMS进行温度调节。在由于滥用或冷却不足导致的高温下，电池会由于电池材料之间的加速放热反应而发生热失控(TR)。BTMS是防止这种热失效的屏障。
电池热管理
为了应对BTM的挑战，作者通过eq1比较了各种车辆动力总成(内燃机车(ICEV)、燃料电池汽车(FCEV)和纯电动汽车(BEV))的热产生情况:
其中q̇gen是峰值功率时产生的热量，P是峰值功率，η是系统效率。在此基础上，通过平衡系统的产热率和散热率，考虑了零升温的理想热管理条件，eq2：
其中U是电力系统与环境之间的有效传热系数，A是有效传热面积，Tc 是电池工作温度，Tamb 是环境/冷却液温度。为了简化热管理，作者考虑eq2并确定了三个要素:(i)增加热导率，(ii)提高电池的工作温度，使其远离环境，即扩大冷却时的温差，或(iii)降低热生成速率(例如，降低电池电阻)。目前的BTMS设计灵感来自经典技术，如空气冷却、直接/间接液体冷却和/或扩大传热面积(如散热鳍片、冷板等)，以增加热导率。在目前的BTMS设计中，冷却表面积是限制因素，但其扩展(如散热鳍片阵列)消耗了不可用的封装体积。因此，U必须增加，这也增加了整个电池系统(泵、阀门、热交换器等)的成本/质量/体积，以及运行的寄生能量消耗。此外，系统的复杂性也会产生一系列可靠性相关的问题。因此，尽管主动液冷和某些情况下的空冷能够提供足够的散热，但仍需要寻求更安全、更可靠、更有效的方法来实现BTM。另外，被动热管理也具有相当的吸引力，因为它消除了主动热管理辅助组件的寄生功率、重量和空间消耗。热管通常被认为是BTM的被动选择。虽然它们本身是被动的，能够有效地将电池附近的热量散发出去，但热量仍必须被输送到电动汽车组件外，这就需要一些其他辅助冷却系统。此外，其存在的成本高、接触面积小等缺点，使其目前还无法满足电动汽车BTM的要求。另一方面，相变材料(PCM)可以提供完全被动式的BTM解决方案。自2005年提出将pcm应用于BTM以来，pcm一直受到研究界的关注。有效的基于pcm的系统已经在实验室规模的计算或实验中被证明；然而，PCM系统对质量法(GCTP)和体积法(VCTP)的实际影响却很少被报道或讨论。为了从系统的角度评估PCM，在给定高能量(SE)的情况下考虑LiB的热产生。在考虑了PCM和电池在从环境温度提高到工作温度(假设大约等于PCM固相线平均温度)过程中所吸收的感热后，GCTP效率可以估计为
其中SEi和cp,i是标明的电池或电池组的SE和比热，λ是PCM的熔化潜热，fperiphery是外围质量(电缆、电池组外壳)的比率、电子设备等，不包括BTMS)到电池质量。通常提出的相变材料具有150~250 kJ/kg或平均55 Wh/kg的熔化潜热。根据Diekmann等人提供的包装质量分解方法，作者保守估计fperiphery为0.36(包装质量的56%和20%分别来自电池和外周)。如图2所示，200和300 Wh/kg电池设计的最大GCTP分别为61%和55%。同样，VCTP效率估计为
其中，ρcell和ρPCM分别是软包电池和PCM密度。根据软包电池和PCM的密度分别为2000和900 kg/m3, 400和600 Wh/L电池的VCTP效率分别为61%和50%，这意味着大约40-50%的封装体积将分配给PCM材料。因此，就转化效率(CTP)而言，PCM与目前的液冷电动汽车相比几乎没有优势。最近，吸附剂被提议作为一种类似于PCM的近被动BTM策略。电池加热和冷却分别通过水吸附和解吸发生。由于水的大量蒸发热(2400 J/g），这种技术相比PCM(~220 J/g) 在吸附热方面提供了数量级的优势。然而，对BTM重要的是每单位质量或体积的吸附剂加上水的吸附热。后一个参数是否以及如何使电动汽车电池的实际应用可行，还有待观察。
图2. PCM的电池-封装组装效率。重量法和体积法电池-封装效率vs比能(蓝色)和能量密度(红色)。插图显示了300 Wh/kg电池的质量和体积分解，电池是目前锂离子电池的高端产品。PCM占据了封装质量和体积的45%和50%，以实现相当于电池在一个放电循环中产生的热量的潜热容量。
先前采用或尝试的主动和/或被动冷却方法的缺点促使人们进一步寻找替代解决方案以简化热管理，即前面描述的类别(ii)和(iii)中的机会。一个大胆的想法是，如果可以将LiB设计成类似于在80℃下运行的聚合物电解质燃料电池，那么机会(ii)和(iii)将分实现，实现BTM的消失。事实上，最近出现了一类通过强界面钝化开发的高安全性耐热电池。这些电池必须在高温下运行，例如60℃，才能恢复供电。这些耐热电池在热管理方面具有显着优势，因为增加Tc同时增加了驱动散热的温差，并通过降低电池电阻以指数方式减少发热(图1)。由于热通量降低(由于产生的热量较少)，还提供了内部温度梯度的互补降低以确保均匀的电极老化。图3a表明相比在30和35℃操作(环境温度25℃)，将操作温度提高到60℃可使UA在天气炎热的地区运行也存在类似的优势，其中将电池温度保持在40℃或45℃的要求分别是60℃运行的6.6倍和3.0倍。从广义上讲，在远高于任何实际气候的温度下运行电池可降低UA要求，从而大大简化BTM，而不受环境条件的影响。虽然通过提高工作温度来简化BTMS可能有多种形式，但我们提出了一种“无热管理”(TMF)的EV，如图3b所示。首先，存在两种提高电池温度的操作策略：一种用于低功率需求（例如，城市/社区驾驶），另一种用于按需提供高功率(例如，高速公路加速行驶）。前者通过让电池自然升温而不会消耗额外的能量，而后者使用自热电池结构中的电池内加热元件(镍箔)实现快速热调制。展望未来，如果耐热电池设计为在80℃下运行，就像聚合物电解质燃料电池一样，热管理系统将从电池组中消失。因此，本文认为耐热材料和高温操作将是牵引电池安全和大大简化或完全消除热管理的现实且重要的方向。
图3. 抽气式空气冷却用于轻量化、低成本LiB组件的可行性。(a)对于典型的高能、最先进的锂离子电池，电池电阻与ΔT驱动传热相对于60℃时的比率。(b)概念上的无热管理、耐热电池在电动汽车中的应用，以及整体电池组的简单性、比能量和能量密度带来的好处。
电池安全
在中等温度范围内，例如高达90℃，BTMS可用于防止传统LiB中的TR。一般而言，TR发生在滥用条件下（例如，短路、过热、过充电等）。对于当前的LiB，一旦电池温度升高超过ca.90–130℃，一系列放热物质分解开始。SEI层首先发生热分解，使阳极和电解质之间发生放热反应，然后是隔膜熔化、阴极分解/氧气释放和电解质分解。此外，普遍的线性碳酸酯电解质溶剂的低沸点(例如，碳酸二甲酯(DMC)为91℃，碳酸甲乙酯(EMC)为110℃）会导致压力积聚，导致电池外壳在相对较低的温度，将大气中的氧气引入电池。在热-温度-反应循环的后期阶段，温度飙升至ca.600–1000℃并发生剧烈的电池破坏。自热的起始温度通常称为T1，实际上对应于电池内热稳定性最低的材料。剧烈TR开始时的温度(即“不归路温度”)称为T2（例如，150–250℃）。在高水平上，防止TR需要完全避免T1和/或通过增加所选电池材料的系统热稳定性来延迟T1和T2。
图4. 当前和未来电池短路的威胁。(a)在25℃的环境下，通过短路放电，将10%或20%的能量以热量的形式释放，变成比能电池所达到的绝热温度。(b)fsc限制避免不同的自热温度(T1)与电池比能。
一条通往安全和高能的道路
一个既具有高安全性又具有高ED的耐热电池的具体例子可以通过一种被称为安全、高能量密度电池(SEB)的设计来说明。SEB电池由石墨负极和NCM811正极组成，阴极负载为4 mAh/cm2，相当于290 Wh/kg的大容量电池。在3.3 Ah电池的耐刺穿(NP)测试中，950℃的温升证实了这一点(图5a)。为了减轻这种威胁，在电解液中加入少量的阻燃剂(如1.5 wt%)磷酸三烯丙基(TAP)。TAP在正极和负极上聚合，形成厚的、高阻抗的电极电解质界面(EEIs)，如图5b所示。通过在环境条件下抑制或关闭电极的反应性，电池对NP的反应变得良性。事实上，图5c显示SEB电池的NP测试显示渗透后放电非常缓慢。TAP引起的阻抗上升意味着较差的倍率性能，但当SEB电池热调制到60℃时，Arrhenius效应打开EEIs产生了59%的倍率增益。最后，保护EEIs的热稳定性和机械完整性，阻止晶格氧从金属氧化物正极释放，抑制有机电解质溶剂在正极和负极的分解，并且在电极循环过程中抗颗粒断裂/EEIs生长，克服了传统锂离子电池在高温下循环寿命降低的问题，即使存在不稳定的高镍三元氧化物正极材料。总体而言，SEB设计体现了LiB安全性的可行性，并在不牺牲SE/ED的情况下从这个角度说明了简化的热管理概念。在此示例的指导下，电池材料社区现在敞开大门，可以发现用于耐热设计的大量替代和/或特定化学解决方案，而不再受到低阻抗的RT要求的阻碍。
图5. 单电池高温稳定性和安全性。(a,c)SEB和LiB电池在NP测试过程中温度和电池电压的变化。(b)SEB电池的EIS光谱。(d)SEB电池在60°C时循环的容量保持。
本文探讨的对BTM和安全性的新见解引申出重新定义的电池热特性示意图(图6)。使用热稳定的电池材料可以延缓老化，延长使用寿命，同时也提供了更大的安全屏障，并有效消除TR的威胁。此外，热稳定的材料和界面使电池能够在高温下工作，显著增大了温差，驱动散热，因此对热管理的要求更低或不需要热管理。采用自加热结构，可以在不考虑环境条件的情况下，对高功率的高温工作温度进行快速热调制。在与环境平衡储存时(>~95%的寿命)，耐热电池实现了很长的使用寿命，同时也保证了其在短路情况下的安全性。
图6. 用热稳定材料制成并在高温下工作的耐热电池的热行为。热稳定的材料提高了安全性，在所有温度下都能延长循环寿命，而灵活的热调制使高功率操作成为可能。在高温下的操作也大大降低了BTMS对热导率(UA)的要求，简化了其设计和实现。
【结论】
综上所述，对于高能量锂电池和下一代电池(例如锂金属ASSB)来说，设计具有高安全性和高功率高温工作的耐热电池，为超高ED和高安全性开辟了一条新道路。通过减少或不增加BTM，还可以获得额外的封装ED增益和有利于成本降低。这些优势对于轻型、大众市场的电动汽车尤其具有吸引力。此外，采用双峰状态，电池在驾驶时加热，以实现高效运行和怠速休眠，为电动汽车在任何实际气候条件下运行提供了一种新方法。最后，作者希望这一观点能够激发电池研究各个领域的非传统思维，为当今和未来的电池找到意想不到但有效的解决方案。
Ryan S. Longchamps, Xiao-Guang Yang, and Chao-Yang Wang*, Fundamental Insights into Battery Thermal Management and Safety, ACS Energy Lett., 2022, DOI:10.1021/acsenergylett.2c00077
电力电子热管理行业高澜股份研究报告（报告出品方/作者：中信证券）
公司是电力电子纯水冷却龙头，历史底蕴深厚
公司深耕纯水冷却行业多年，被认定为专精特新“小巨人”企业、制造业单项冠军示 范企业。公司成立于 2001 年，是国内领先的电力电子装置用纯水冷却设备的专业供应商， 并于 2016 年 2 月登陆创业板。公司凭借成熟的研发、生产、销售体系与丰富的产品线等 竞争优势，与西安西电、中电普瑞、上海电气、金风科技、远景能源、ABB、GE、宁德时 代、比亚迪等国内外优质客户建立了长期稳固的合作关系，产品已在全球六大洲、超过 30 个国家稳定运行，品牌优势不断积累。
业务概览：致力于热管理领域的全场景覆盖
公司产品种类齐全，应用场景覆盖电力电子热管理领域、新能源汽车热管理领域、特 种行业热管理领域、信息与通信热管理领域和综合能源能效管理和应用领域。
研发与收购并举，应用场景不断拓展。公司以大功率电力电子装置用纯水冷却设备及 控制系统（主要为面向特高压直流输电领域和新能源发电领域的水冷产品）为基础，通过 内部研发和外部并购不断拓展产品线。内部研发：2015 年公司成功研发出应用于数据中 心冷却的服务器板式液冷产品；2020 年公司成立控股子公司高澜创新科技主攻新能源汽 车、数据中心等新兴热管理业务；此外，公司已将业务范围进一步拓展至储能温控领域。 外部并购：2019 年公司收购东莞硅翔 51%股权，进军新能源汽车电子及动力电池热管理 业务。
财务分析：多项业务并举，营收稳步增长
公司多项业务齐头并进，拉动营收高速增长。2016 至 2020 年，公司营收从 4.69 亿 元增长至 12.28 亿元，CAGR 达 27.2%。就主营构成而言，纯水冷却设备业务为公司传统 核心业务，2020 年占比约 63%，而公司新能源汽车电子业务、动力电池热管理业务、其 他主营业务正在迅速扩张，占公司营收比重快速提升。具体来看，公司纯水冷却设备业务 营收自 2016 年的 4.29 亿增长至 2020 年的 7.75 亿，CAGR 为 15.93%，其中直流水冷产 品、新能源发电水冷产品占比最大，基本保持稳定增长。新能源汽车电子业务、动力电池 热管理业务作为公司新拓展业务，2020 年以来高速增长，成为公司新的营收增长点。
毛利率有所下滑，销售、管理费用持续优化。由于行业竞争加剧、风电整机终端价格 下降，以及大宗原材料价格上涨等因素，公司 2021Q3 毛利率下滑至 28.4%。具体而言， 公司纯水冷却设备、新能源汽车电子、动力电池热管理三块业务毛利率均有所下滑。受益 于公司营收规模的释放，公司销售、管理费用率近年来呈下降趋势。2020 年公司研发投 入达 5682 万元，YOY 约 24%，主要系公司聚焦于全场景热管理技术的创新与产业化，持 续加大研发投入。2021 年前三季度，由于毛利率降低、信用减值损失等因素，公司归母 净利润有所下滑，随着坏账计提的完成，预计未来公司归母净利润将得到改善。（报告来源：未来智库）
特高压输电领域持续景气，直流水冷设备兼具技术壁垒与刚性需求
市场需求+政策驱动，“十四五”期间特高压投资有望高增。需求端来看，随着社会用 电总量的逐年提升，以及新能源大基地建设的推进，特高压工程的建设需求保持旺盛。政 策端来看，特高压工程作为我国“新基建”的重点投资领域，有望在 2022 年进入加速期。 “十四五”期间，国家电网规划建设特高压工程“24 交 14 直”，变电换流容量 3.4 亿千伏 安，对应投资额约 3800 亿元，较“十三五”同比增长 35.7%。2022 年我国计划开工“10 交 3 直”共 13 条特高压线路，这意味着我国特高压投资正迎来大规模重启。此外，“十四 五”期间，我国计划加快推进中国-缅甸-孟加拉国等跨国电网互联工程，到 2025 年建成跨 国直流工程 9 回（含背靠背工程 5 回）、输电容量约 2800 万千瓦。
纯水冷却设备是特高压直流输电工程实际运营管理中的关键设备，具有较高的技术壁 垒。一个完整的直流输电工程一般可以划分为以下几个功能区：直流场、换流器（换流变 和换流阀）、交流场（交流场开关和交流滤波器）以及站用电、阀水冷等辅助功能区。作 为直流输电系统的核心设备，换流阀运行时，阀体内通过大电流并由此产生高热量，需要 阀水冷系统将高热量排放到阀厅外，保证阀体温度正常。因而阀水冷系统直接影响换流站 中功能最重要、技术要求最高、造价最昂贵的换流阀的运维状况。特高压纯水冷却设备赛 道具备较高的技术壁垒。阀水冷系统由阀内冷系统、阀外冷系统、控制保护系统三部分组 成。由于内部管道和二次回路的复杂性，阀水冷系统的故障发生率较高，据统计，2003 年至 2014 年期间，国家电网系统内各高压直流系统共发生单双极闭锁 128 次，其中由于 阀水冷系统保护动作引起的直流单双极闭锁达 16 次，占闭锁总数的 12.5%。
公司直流水冷业务有望持续受益于我国“新基建”建设进程
特高压直流输电工程建设的景气，有望带动公司直流水冷产品营收的稳定增长。公司 作为国内首家特高压直流输电纯水冷却设备供应商，在技术，客户，市占率上均具有领先 地位。技术方面，公司深耕特高压直流用水冷却设备近 20 年，是国内特高压直流阀水冷 标准的起草者，同时也获得多国电网系统的认证。客户方面，公司与西安西电、中电普瑞、 西门子、ABB 等国内外大型输配电企业建立了合作关系，品牌优势不断积累。市占率方面， 公司凭借行业先发与规模化优势在国内特高压直流水冷市场份额排行第一。在特高压直流 输电工程中，水冷产品是其核心设备换流阀的关键配套设施，公司作为该细分赛道的龙头 企业，有望持续受益于我国特高压投资的高景气。
新能源发电方兴未艾，风光装机高增速拉动水冷需求
在“双碳”战略目标下，风电、光伏装机量稳步增长。2021 年国内风电累计装机量 为 3.28 亿千瓦，YOY 为 16.7%，光伏累计装机量为 3.06 亿千瓦，YOY 为 20.9%。从电 力结构来看，风光发电的装机容量占比逐年提升，截至 2021 年底，风光装机量占总发电 装机容量比例为 26.7%，其中风力发电装机量占比为 13.8%，光伏发电装机量占比为 12.9%。 未来在“双碳”目标下，我国电力结构中的风光占比将持续提升。
需求升级带动冷却设备迭代，水冷渗透率不断提高。随着全球风电行业快速发展，风 电机组不断向大功率化发展。根据国际可再生能源署（IRENA）预测，陆上风电应用的涡 轮机单机容量将从 2018 年的平均 2.6MW 增长至 2025 年的 5.8MW。此外，随着光伏发 电并网容量不断提升，逆变器的功率也在持续上升。总之，随着风力发电机组功率、光伏 发电单机容量的提升，其发电机、变流器、逆变器的冷却方式将由传统风冷逐渐向水冷过 度，水冷的渗透率有望不断提升。
公司新能源发电水冷业务将受益于风光装机容量的高增长
受益于需求增长，公司有望在新能源发电水冷领域持续发力。当前国内光伏发电逆变 器仍然主要采用风冷方案，因此公司新能源发电水冷业务主要集中在风电领域。公司新能 源发电水冷产品主要应用于风力发电机组的变流器、发电机，以及光伏发电逆变器。通过 持续的自主研发，公司完成了 8MW/10MW/12MW 海上风电冷却产品，在新能源发电水冷 行业已处于领先地位，积累了金风科技、阳明智能等重要客户。随着光伏设备单机装机容 量的增加，未来水冷设备的渗透率有望不断提升，为公司新能源发电水冷产品带来新的增 长空间。此外，风光基地的建设也将提高对柔性直流输电工程的需求，进而带动对公司柔 性直流水冷设备的需求。（报告来源：未来智库）
新能源汽车热管理：旺盛需求助力规模成长，技术革新促进盈利增强
新能源汽车热管理系统是调节座舱环境（温度、湿度）以及零部件工作环境的重要部 件。新能源汽车热管理系统是从系统集成和整体角度出发，采用综合手段控制和优化车内 热量传递和利用的系统，通过制冷、制热和热量内部传导综合提升能效。当前新能源汽车 热管理系统可分为三部分：空调热管理系统，电机/电控冷却系统，电池热管理系统。新能 源车热管理系统与传统燃油车热管理系统的不同点主要在于驱动系统的热管理需求差异 与系统集成度差异：1）驱动系统的热管理需求升级：动力电池热管理系统需同时兼顾制 冷与制热的需求。制冷方面，由于纯电动车无发动机，故其需要采用电动压缩机来替代传 统压缩机进行制冷；制热方面，采用 PTC 或热泵进行制热。2）集成度更高：新能源车电 池热管理系统往往会与空调系统的协同性更强，制冷方面，电池的冷却液与空调的制冷剂 会在 Chiller（热交换器）进行热交换；制热方面，在对空间有要求的乘用车车型上，电池 热管理系统和空调热管理系统往往共用电动压缩机和 PTC 加热器或热泵。
竞争格局上，国际巨头依靠技术优势占据领先地位。目前在新能源汽车热管理领域大 体可分为两大阵营：第一类是国际巨头，其依靠技术优势从传统汽车热管理业务延伸至新 能源汽车领域，如日本电装、法国法雷奥等；第二类是以国内厂商为代表的业务升级的零 部件供应商，其依托电动化进程，把握新生零部件机遇完成崛起，如三花智控、银轮股份 等。就产品布局而言，国际巨头凭借技术方面的先发优势，聚焦于系统化的新能源汽车热 管理，产品布局较为丰富，主要占据中高端市场；国内企业则主要进行单一零部件布局， 并向系统化进行延伸。
随着国内外技术差距的缩小，本土供应商有望自下而上完成国产替代。相比于国际巨 头，本土新能源汽车热管理零部件供应商具有如下优势：1）背靠国内市场，绑定国产整 车制造商，具有本土响应优势；2）产品价格优势明显，同类产品价格较海外厂商更低；3） 成本管控能力强，产品毛利率普遍高于海外厂商。基于以上优势，随着我国新能源汽车渗 透率迅速提升，国内新能源汽车热管理供应商有望在技术变迁中从配件级向系统级进军， 从而在热管理市场中占据更大的份额。
新能源汽车渗透率的提高与其热管理系统单车价值量的增长是驱动新能源车热管理 市场发展的主要动力。
从整车市场来看，国内新能源汽车行业呈现高景气度。近年来国内新能源车销量增长 迅速，根据中汽协数据，2021 年国内新能源汽车销量为 352.1 万辆，YOY 为 158%。过 去五年，国内新能源车的市场渗透率已由 2016 年的 1.8%增长至 2021 年的 13.4%，预计 未来该比例仍将持续上升。
从热管理系统来看，新能源车热管理系统的发展主要基于以下五个目标。1）安全性 目标：要求更为合理调配与控制，使得所有关键部件温升具有较高的安全裕度。2）动力 性目标：要求提升综合温控能力和多情景应激能力，在电机、电池、电控方面为动力需求 提供强有力的保证。3）续航能力目标：要求确保电池工作温度区间及电池容量、优化空 调能耗，继续提升系统集成度，降低电驱动系统及其冷却部件的整体功耗以提升效率。4） 舒适性目标：要求综合考虑环境变化与乘客需求，以最低能耗获取车厢舒适温度和诸多车 内服务，如座椅加热、方向盘加热、车窗除雾、后视镜加热等。5）耐久性目标：要求系 统级优化温度平衡，降低电机绝缘损伤，延缓电池老化与容量衰退过程。其中，安全性目 标为关键目标，动力性与续航能力目标为次级目标。基于以上五项目标，当前新能源车热 管理具有如下三个发展趋势。
趋势一，冷却系统：液冷逐渐替代风冷成为当前主流方向。
锂电池在环境温度上存在安全区间。锂电池在存储和使用的过程中，在温度、电流、 电压上存在安全的工作区间。磷酸铁锂电池的工作电压区间在 2.0~3.7 V, 放电工作温度为 -20~55℃, 充电温度为 0~45℃, 否则电池寿命会大大降低, 甚至会导致安全问题。基于对 动力性、续航性目标的追求，动力电池容量与充放电效率持续提升，其对于热管理系统的 要求也随之提高。一般而言，大型动力电池充放电倍率较高，其引起的电池温升更快，温 度不均匀性较强，对于冷却介质的散热效率以及均温性都提出了更高的要求。
热管理系统要求的提高，决定了当前液冷代替风冷成为主流趋势。热管理系统的传热 介质主要有空气、液体与相变材料等类型。1）空气冷却目前成本相对最低，也是最易实 现的动力电池冷却手段，但随着车载电池的数量更多、能量更大、排列更紧密，风冷已逐 渐落后。2）相变材料冷却是将单体电池浸入相变材料中，通过相变材料在特定温度内自 身物理形态的改变伴随的吸放热进而实现冷却/加热，其散热性能更优异，但由于动力电池 对相变材料的严苛要求而暂未得到普及。3）液冷系统按冷却液与电池接触方式分为直接 与非直接接触两种，与空气冷却相比，液冷使得电池外表面与传热介质的换热效率显著提高，其均温性也更好，但液冷系统由于需要水泵、换热器等外接部件而更为复复杂，成本 相对较高。随着热管理系统要求的提高，液冷系统预计逐渐成为主流趋势。
趋势二，加热系统：由 PTC 加热器向热泵等集成化热管理系统过渡。
基于对舒适性、续航能力目标的追求，热泵空调是目前最优的新能源汽车供暖技术。 目前汽车空调供暖有两种方式：1）利用发动机产生的热量给车内供暖；2）加装电加热棒、 加热片（PTC），产生暖风。新能源汽车采用电机取代发动机提供动力，电机余热非常少， 从而无法采用第一种方式；而第二种加装加热片的方式会消耗电能，对车辆续航里程产生 影响。为了兼顾供暖效果和续航里程，热泵空调是新能源汽车制热系统的最佳选择之一。
热泵空调系统最高可降低三分之二的电耗。热泵空调技术原理与制冷系统相似，主要 由压缩机、蒸发器、节流元件、冷凝器构成，但互换了蒸发器和冷凝器的位置。其供暖技 术并非依靠电能制热，而是将车外热量置换到车内，以提升车内温度。虽然热泵空调系统 由于管路复杂，成本较高，但与加装 PTC 加热器相比，其最高可降低三分之二的电耗， 有效提高新能源车在冬季的续航能力。
趋势三，系统整体：由配件级到系统级，由分散化到集成化。
高能量密度，高能量转换效率，高集成潜力是电动汽车相比于燃油车的一个突出优势。 近年来，各大车载驱动电机制造商、整机厂为了进一步提升产品的功率密度，一直在致力 于促进产品的一体化、集约化，并相继推出了多款成熟的二合一、三合一甚至多合一产品。 然而，电机集成化带来的能量密度提升意味着机体散热边界区域的降低和损耗散热热阻的 增加，因此车辆动力链中高能部位的能量密度的提升同样需要热管理系统的同步升级。
一体化整车热管理为新能源车安全和效率等诸多方面的提升带来了巨大潜力。1）安 全性目标：多端串联的冷却系统可以及时对瞬时出现的短板调集优势冷却资源进行优先保 护；2）耐久性目标：利用对有限的冷却资源的合理调控，平衡系统温升，优化温升曲线， 从而降低绝缘系统与电化学物质的老化速率；3）舒适性目标：以最小的成本提升车内空 间的温度舒适度。
在技术变迁的背景下，新能源车热管理系统单车价值量不断提升，附加整车市场的高 景气度，2025 年国内新能源车热管理系统市场规模有望超 400 亿元。2021 年国内新能源 车销量为 352.1 万辆，新能源汽车热管理市场规模约为 226 亿元。2021 年国内汽车销量 达到 2627 万辆，《“十四五”现代能源体系规划》提出 2025 年新能源汽车销量占比 20%， 假设汽车销量年化增速为 3%左右，则 2025 年国内新能源汽车销量有望达到 600 万辆， 假设新能源汽车热管理单车价值量 2025 年达到 7000 元，据此推算 2025 全国新能源车热 管理市场规模将达到 420 亿元，CAGR 约为 16.8%。
新能源汽车电子：FPC+CCS 需求有望不断放量
新能源汽车销量的快速增长带动 FPC 需求大幅增长。新能源汽车由于需要对电池系 统温控，实时监测温度、电压、电流状态，都需要用到采集线束。FPC 即柔性电路板，相 较于传统线束，FPC 一方面具有结构紧凑、弯折性好、轻量化、耐高温、安全性强等优势，另一方面高度集成、生产效率高、尺寸精度高，适合规模化大批量生产。凭借优异性能、 快速降本，FPC 正在加速替代传统铜线线束。根据高工锂电，宁德时代、比亚迪、中航锂 电等动力电池企业早已批量化应用 FPC。此外，随着新能源汽车智能化程度大幅提升，FPC 对车载摄像头、车载雷达、LED 照明持续渗透。总之，车用 FPC 需求的数量及价值量不 断提高。
FPC 下游集成产品 CCS 可以进一步提升单车价值量。除布局 FPC 以外，高澜股份等 国内厂商进一步向下游 CCS 布局，有望进一步打开盈利空间。CCS（Cells Contact System） 即集成母排，主要由 FPC、塑胶结构件、铜铝排等组成，铜铝排将多个电芯通过激光焊 接进行串并联，FPC 通过与铜铝排、塑胶结构件连接从而构成电气连接与信号检测结构部 件。FPC 及 CCS 单车用量与电池模组设计相关， 新能源汽车动力电池一般由多个电池模 组组成，目前主流车型以 7-12 个模组的用量居多。
公司新能源汽车电子及热管理业务将持续受益
公司通过外延+内生的方式积极布局新能源汽车电子、新能源汽车热管理领域，未来 将持续受益。外延：2019 年收购东莞硅翔 51%股权，东莞硅翔是国内 FPC/CCS、隔热棉、 电加热膜等领域的龙头企业，积累了宁德时代、国轩高科、中航锂电、亿纬锂能、比亚迪 等优质的客户资源，当前 FPC+CCS 产品收入规模业内领先。内生：目前公司控股子公司 高澜创新科技已陆续实现动力电池液冷、热管理机组产品的样件及小批量供货，正在根据 产能规划有序推进产线建设。通过推动内部创新与外部并购企业的协同，未来公司有望通 过产品品类的持续扩展以及配件级向系统级的升级，实现单车价值量的跃升，获得更大的 客户粘性，打开更大的成长空间。
储能温控有望迎来高增，液冷方案是未来趋势
“双碳”目标下，我国致力于发展新能源和储能。在《巴黎协定》框架下，联合国政 府间气候变化专门委员会（IPCC）2018 年 10 月进一步提出要实现将全球变暖控制在 1.5℃ 以内需要进行紧急、深远和前所未有的变革。实现“碳中和”已经成为全球主要国家的共 识，我国亦承诺力争 2030 年前实现“碳达峰”、2060 年前实现“碳中和”。《中共中央 国 务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》明确指出到 2030 年，我国非化石能源消费比重达到 25%左右，风电、太阳能发电总装机容量达到 12 亿千 瓦以上，加快推进抽水蓄能和新型储能规模化应用。
国内新能源发电迎来快速增长期。“双碳”战略目标指我国于 2030 年使二氧化碳排放 量达到峰值，并争取于 2060 年实现碳中和。“双碳”政策驱动下，电力结构中的风光占比 将持续提升。2021 年国内新能源发电量为 9815 亿千瓦时，YOY 为 35%，占全国发电量 的 11.72%。其中风力发电量为 6556 亿千瓦时、光伏发电量为 3259 亿千瓦时，YOY 分别 为 46.66%和 29.13%。
储能技术在电力系统中的地位日趋提升，目前以抽水蓄能为主。储能是智能电网、可 再生能源高占比能源系统、“互联网+”智慧能源的重要组成部分和关键支撑技术。储能在 电网削峰填谷、新能源发电平滑波动等方面具有重要作用。目前在多种类型的储能技术中， 以抽水蓄能、电化学储能应用最为广泛。抽水蓄能是在电力负荷低谷期将水从下池水库抽 到上池水库时将电能转化成重力势能储存起来的形式。电化学储能是利用化学电池将电能 储存起来并在需要时释放的储能技术及措施。虽然目前抽水蓄能装机容量占据主要比重， 但是随着我国新能源发电快速发展、锂电池成本持续下降，我国电化学储能有望迎来快速 的增长。
电化学储能有望迎来快速增长。电化学储能中，目前又以锂离子电池为主。CNESA 发布的《储能产业研究白皮书 2021》指出，2020 年年底中国储能行业终于突破了过去七 年反复提及的 1500 元/千瓦时系统成本的关键拐点，新增投运电化学储能项目的规模呈现 了爆发式增长，达到 1.56GW，首次突破 GW 大关。2020 年，全球新增投运电化学储能 项目规模达 4.73GW，规划、在建项目超过 36GW，绝大多数都是应用在风光发电侧的项 目。国务院《2030 年前碳达峰行动方案》提出：到 2030 年，风电、太阳能发电总装机容 量达到 12 亿千瓦以上；到 2025 年，新型储能装机容量达到 3000 万千瓦以上。截至 2020 年底，电化学储能累计装机规模为 3269.2MW，同比增长 91.2%。2020 年全球储能新增 装机中，电化学储能占比高达 73%，随着我国新能源发电快速发展、锂电池成本持续下降， 我国电化学储能有望迎来持续高增。
温度会影响锂电池的使用性能、安全性，温控对锂电池储能十分重要。温度对锂离子 电池的容量、功率、和安全性等性能都有很大的影响。温度过高或过低会严重影响储能电 站的性能和使用寿命，并可能造成电池系统的安全事故发生，且电池箱内温度场不均匀分 布会造成各电池模块、单体间性能不均衡，因此电池系统热管理方面对于电池系统而言是 必须的。储能系统相对于动力电池系统，聚集的电池数目更多，电池容量和功率也更大， 运行工况更复杂，更需要温控。
液冷方案有望成为未来储能温控的主流方式。虽然空冷结构简单、成本较低，但是空气的低比热容导致空冷散热效率、散热速度较低，从而更适用于小型电站、通信基站等产 热率相对较低的储能领域。热管冷却技术成本高，考虑到性价比，热管冷却技术比较适合 于经常工作在高倍率工况的锂电池系统，如快充电池系统、调频储能系统等。相变冷却方 案中，相变材料吸收的热量需要依靠液冷系统、风冷系统等导出才可持续吸收热量，且占 用空间大、成本较高。液体冷却介质的换热系数高、比热容大、冷却速度快，可有效降低 电池的最高温度和提高温度分布的均匀性，同时液冷系统的结构较为紧凑，占用空间更小， 也不易受到海拔和气压的影响，从而适用范围更广。随着大型风光电站储能等更大电池容 量、更高功率密度、运行工况更为复杂的储能系统的发展，液冷方案占比有望快速提升。
公司在液冷领域具备深厚技术积累，已开发出多项储能热管理产品。目前已有基于锂电池单柜储能液冷产品、大型储能电站液冷系统、预制舱 式储能液冷产品等的技术储备和解决方案，并签订了少量样机合同。公司在液冷领域具备 深厚技术积累，预计随着我国储能温控行业的迅速发展，公司储能热管理产品将不断拓展 市场，充分受益。
绿色数据中心大势所趋，液冷方案成为重要选项
数据中心是我国新基建的重要组成部分，我国数据中心建设走向大型化和集约化。我 国数字经济的不断发展离不开数据中心的支撑。尤其是随着人工智能、大数据等技术和应 用日渐成熟，实际业务对数据中心等底层基础设施的性能要求越来越高，建设性能更强的 大型数据中心成为未来方向。根据中国信通院的测算，按照数据中心机架数量计算，我国 大型和超大型数据中心占比已经从 2016 年的 39.5%提升至 2019 年的 75.2%。数据中心 已经成为我国新基建的重要一环，且我国相关政策引导数据中心向大型化、集群化发展。
提升数据中心能效， 降低 PUE 已经成为数据中心发展的必然趋势。数据中心是耗电 大户，占全社会用电量的比重亦上升。在“双碳”背景下，随着数据中心走向大型化和集 约化，“绿色”也成为我国数据中心发展的关键主题之一。根据赛迪顾问的测算，2019 年 我国数据中心能耗的 43%是散热能耗。在保障数据中心性能的前提下，降低散热能耗是必 然选择。我国相关政策也致力于建设绿色数据中心，降低 PUE 值，工信部《新型数据中 心发展三年行动计划（2021-2023 年）》提出到 2023 年底，新建大型及以上数据中心 PUE降低到 1.3 以下。
数据中心降 PUE 值，液冷方案有望成为主流选择。随着全球数据中心单机柜功率不 断提升，大型数据中心具有密度大、规模大、单机柜功率更高的特点，从而散热需求更高。 根据中国信通院白皮书，无论是对于局部散热还是整体散热而言，风冷技术均趋于能力极 限，且电力消耗巨大；液冷技术通过液体作为热量传输媒介，不需要像风冷一样间接通过 空气制冷，优势明显；当前，阿里、腾讯、百度等均已经开始了数据中心液冷应用。根据 赛迪顾问 2020 年的评估，液冷方案除了初期投运成本和承重要求高于传统风冷方案以外， 其性能、能效、减噪等方面均优于传统风冷方案，且 5 年平均运营成本也低于传统风冷方 案。因此，液冷方案正在成为数据中心的主流选择，其市场份额有望保持较高增速。
公司在液冷领域具备深厚技术积累，已开发出多项数据中心热管理产品。公司控股子 公司高澜创新科技聚焦新能源汽车热管理和信息与通信（ICT）热管理领域，正在根据产 能规划有序推进产线建设。根据公司公告，公司现阶段服务器液冷业务拥有三个解决方案： 冷板式液冷、浸没式液冷和集装箱式液冷，产品涵盖了服务器的冷板、水泵、户外机房、 冷却塔和空冷器等，基本覆盖服务器液冷全链条的产品需求，目前已实现相关产品的样件 及小批量供货；公司服务器液冷产品可将 PUE 值控制在 1.1 以内的水平。例如，公司研制 的服务器浸没式液冷 54U TANK 已经于 2020 年 6 月应用在国内某知名互联网企业数据中 心机房。总而言之，公司在液冷领域具备深厚技术积累，预计随着我国绿色数据中心的建 设进程，公司服务器液冷产品将充分受益。
从行业层面来看，第一，“十四五”期间我国特高压投资规划相较于“十三五”同比 增长 35.7%，将带动特高压直流水冷设备行业的增长；第二，在“双碳”目标下，我国电 力结构中的风光占比将持续提升，且随着风力发电机组功率、光伏发电单机容量的提升， 水冷的渗透率有望不断提升；第三，新能源汽车的渗透率将持续提升，且 FPC 取代传统 铜线线束是大势所趋，而 FPC 下游集成产品 CCS 将进一步提升单车价值量；第四，就新 能源汽车热管理而言，1）冷却系统-液冷逐渐替代风冷成为当前主流方向，2）加热系统由 PTC 加热器向热泵等集成化热管理系统过渡，3）系统整体-由配件级、分散化到系统级、 集成化，这三个趋势将带动新能源汽车热管理单车价值量提升，本土供应商亦有望在技术 迭代中完成国产替代；第五，无论是储能温控还是数据中心温控，液冷方案都是未来主流 方向，市场空间有望不断扩大。
就公司层面而言，公司深耕电力电子热管理行业多年，致力于热管理领域的全场景覆 盖。公司通过外延+内生，已深度布局新能源汽车电子与热管理领域，产品包括隔热棉、 加热膜、FPC/CCS，当前公司 FPC+CCS 产品收入规模业内领先，未来通过推动内部创 新与外部并购企业的协同，公司有望通过产品品类的扩展以及配件级向系统级的升级，打 开更大的成长空间。同时，公司前瞻性布局并正在积极拓展储能温控、数据中心温控业务， 有望在 2022 年提升相关业务收入量级。公司已经与西安西电、中电普瑞、金风科技、远 景能源、ABB、GE、宁德时代、比亚迪等国内外优质客户建立了长期的合作关系，品牌优 势不断积累。2021 年，公司被工信部认定为专精特新“小巨人”企业、制造业单项冠军 示范企业。
关键假设：
1. 纯水冷却设备业务：受益于市场需求+政策驱动，“十四五”期间特高压投资规划相 较于“十三五”同比增长 35.7%，预计特高压直流输电工程建设的景气将带动公司直流水 冷产品营收的稳定增长。在“双碳”目标下，我国电力结构中的风光占比将持续提升，公 司在新能源发电水冷行业已处于领先地位，未来有望在新能源发电水冷领域持续发力。因 此公司各项业务均将实现不同程度增长，参考 2021 年中报和三季报，给予各细分业务不 同的增速，最终预计纯水冷却设备业务 2021-2023 年营业收入同比增速分别为-15.2%、 16.1%、14.4%；
2. 新能源汽车电子与动力电池热管理业务：液冷逐渐替代风冷成为当前动力电池热管 理主流方向，FPC 加速替代传统铜线线束亦是大势所趋，新能源汽车销量的快速增长带动 动力电池热管理、FPC 等需求扩张，而 FPC 下游集成产品 CCS将进一步提升单车价值量， 我们根据行业发展趋势，参考公司 2021 年中报，预计 2021-2023 年新能源汽车电子营业 收入同比增速分别为 215%、95%、60%，2021-2023 年动力电池热管理营业收入同比增 速分别为 80%、70%、50%。
3. 其他主营业务：公司储能温控、数据中心液冷业务有望在 2022 年不断扩大收入规 模，结合行业发展趋势，参考 2021 年中报数据，预计 2021-2023 年其他主营业务营业收入同比增速分别为 130%、150%、80%。
毛利率方面，公司 2021 年由于原材料价格上涨、停工限产等原因，预计毛利率有所 下滑。我们认为随着原材料价格回落、新产品和新客户放量，在规模效应和产能利用率提 升的情况下，公司各块业务毛利率均将回归至正常水平，我们预计各细分业务毛利率将逐 步回升。综合来看，我们预计公司 2021-2023 年净利率有望伴随毛利率回升而逐年提升。
最终预测公司 2021-2023 年综合毛利率分别为 28.4%、28.5%、28.7%，净利率分别 为 4.9%、5.6%、5.7%；预计 2021-2023 年公司归母净利润分别为 0.77、1.35、1.98 亿 元。
（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）
精选报告来源：【未来智库】。未来智库 - 官方网站
