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新能源车热管理中外厂商趋势

特普生科技 特普生科技 2023-03-23 12 1996

一、新能源车热管理趋势三个要点

1、热管理催生热管理系统增量零部件

新能源汽车热管理涉及的零部件主要分为:

· 阀类(电子膨胀阀、水阀等)

· 换热器类(冷却板、冷却器、油冷器等)

· 泵类(电子水泵等)

· 电动压缩机类

· 管路类

· 传感器类

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(1)电池热管理
相较于传统燃油车,新能源汽车热管理系统新增电池热管理系统。
制冷模式下,主要采用换热板来对流经电池包的冷却液进行换热;制热模式下,主用PTC方式对电池包进行热管理。新增核心零部件电池冷却器(Chiller)、电子水泵。
电池冷却器
电池冷却器是调节电池组温度的关键部件,一般采用紧凑小巧的板式换热器,并在板式换热器的流道内部设计湍流发生结构,沿流向阻断流动和温度边界层,增强入口效应,最终提高换热效率。
电子水泵
与机械水泵由发动机经过传动装置驱动、与发动机转速成一定比例不同,电子水泵是由电力驱动,水泵转速不再直接受发动机转速影响,能够大幅降低能耗,同时满足新能源汽车更精确的温度控制需求。

(2)乘员舱热管理

主通过汽车空调系统实现制冷、供暖、通风等功能,汽车空调模块主要由缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀、储液罐、管路等零部件组成。

相较于传统燃油车,由于新能源汽车动力来源的差异及热管理需求的提升,通常新能源汽车空调系统用电动压缩机替代传统压缩机、电子膨胀阀替换热力膨胀阀等核心零部件。

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乘员舱热管理阀类产品一览图

压缩机
空调系统的核心部件,其将低温低压的气态制冷剂压缩成高温高压的气态制冷剂,并将制冷剂送往冷凝器。
涡旋式压缩机
体积小、重量轻、效率高,成为目前车用电动压缩机的主要形式。相较于传统燃油车空调压缩机,新能源汽车电动压缩机由电机驱动且结构复杂,因此单车价值量提升显著。
膨胀阀
电子膨胀阀由控制器、执行器和传感器三部分组成,利用被调节参数产生的电信号,控制施加于膨胀阀上的电压或电流,进而达到调节制冷剂的目的;相较于传统的热力膨胀阀,电子膨胀阀流量控制范围大、调节精细,更适合电动车热管理精细化管控。

(3)集成化部件

新能源汽车热管理技术逐渐朝着高度集成化、智能化的方向发展,热管理系统耦合程度的加深提高了热管理的效率,但新增的阀件与管路使系统更为复杂,为简化管路流程,降低热管理系统空间占用率,集成化部件应运而生。

特斯拉在最新的 Model Y 车型上首次采用了八通阀,以代替传统系统中的冗余管路和阀件;小鹏集成式水壶结构,将原本多个回路的水壶以及相应的阀件、水泵集成到一个水壶之上,大幅降低载冷剂回路的复杂程度。

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特斯拉八通阀与集成膨胀水壶及其热管理系统

2、热管理单车价值量显著提升

汽车电动化助力汽车热管理单车价值量大幅提升。我们分别对传统燃油车和新能源汽车热管理系统价值量拆分,如图所示,传统燃油车单车价值量 2330元,新能源汽车热管理(PTC 空调)单车价值量 6980 元,新能源汽车热管理(热泵空调)ASP 在 7980 元。

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传统燃油车和新能源汽车热管理单车价值量对比

3、热管理朝集成化方向发展

电池液冷与热泵空调是主流,汽车热管理朝高度集成化方向发展。电动汽车热管理技术朝着高度集成化、智能化的方向发展。回顾电动汽车热管理技术发展历史,根据热管理系统架构与集成化程度,可以将电动汽车热管理的发

展归纳为三个阶段:

1)单冷配合电加热,早期采用与燃油车类似的蒸气压缩循环实现制冷功能和PTC 制热实现乘员舱的热管理,电池冷却则采用空冷,各个子系统独立;

2)热泵配合电辅热,引入热泵空调技术实现乘员舱制冷,液冷逐步成为电池热管理的主流模式,对电池制冷与乘员舱制冷进行了简单整合,但电池、电机余热未得到有效利用;

3)宽温区热泵与整车热管理一体化, 通过合理增加二次换热回路,对电池、电机余热进行回收利用,提升了热泵的环境适应能力,乘员舱、电池、电机热管理回路进一步整合,典型的应用车型有特斯拉 Model Y 和大众 ID4. CROZZ。

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电动汽车热管理技术朝着高度集成化方向发展

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电动汽车热管理构型发展趋势

以特斯拉为例,从 2008 年 Tesla Roadster 开始,其共生产了 5 款车型,汽车热管理系统技术经历四次迭代,集成度不断提高。

1)以 Tesla Roadster 为代表,最早一代热管理系统沿用传统汽车热管理思路,结构相对简单,各个热管理回路相对独立。

2)搭载在 Model S/X 上的第二代热管理系统在行业内首创引入四通换向阀,实现了电机回路与电池回路的串并连切换。

3)以 Model 3 为代表的第三代系统,在拓扑结构上与第二代差别不大,在风暖PTC、驱动电机和储液罐结构设计上有较大技术创新,注重热管理系统能耗的优化。

4)以 Model Y 为代表的第四代系统,首次引入热泵空调系统,负责乘员舱的采暖和制冷功能。在结构上,通过热交换器和管路连接,与电池回路和电机回路进行耦合,实现整个热管理系统的热量交互。

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特斯拉热管理系统技术发展时序

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搭载热泵空调的特斯拉 Model Y 热管理系统
电池热管理系统

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。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。

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,也不能满足当前新能源车热管理需求。而直冷技术路线较前者难度较大,因此液冷逐步取代风冷成为当前 OEM 主流方案。

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锂电池在不同温度下放电曲线

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不同倍率放电电池单体平均温升曲线(左)不同倍率充电电池单体平均温升曲线(右)

·风冷技术

按照风的流动动力分为:

①被动式(自然冷却),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;

②主动式(强制冷却),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。

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。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。

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被动式风冷(自然冷却)热管理路线 ;主动式风冷(强制冷却)热管理路线

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串联式风与并联式风冷热管理路线

·液冷模式

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。

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2021 新能源汽车销量 TOP20 电池热管理技术方案

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液冷技术方案架构

·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。

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直冷技术方案架构

空调热管理

热泵空调渗透率提升,多方案提升低温环境下的热泵效率空调制热为新能源汽车热管理核心变化,热泵空调为主流趋势。

汽车空调系统是汽车结构重要组成部分,其主要为乘员舱提供制冷、制热、通风、空气净化及智能座舱部分功能。空调热管理主要包含空调箱、压缩机、 冷凝器和膨胀阀四部分。

传统燃油车热管理来源主要来自发动机余热,新能源汽车空调热管理制热主要的技术路线为PTC 系统((风暖/水暖)和热泵空调系统。由于 PTC 在冬天会明显降低新能源车续航里程,所以热泵空调系统正逐步成为下一代新能源车乘员舱空调热管理解决方案。

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汽车空调热管理原理

PTC空调(电动压缩机制冷/PTC制热)分为风暖和水暖,优点是成本低、制热效果不受恶劣低温环境影响等。PTC也即是正温度系数热敏电阻,在通电后恒温发热从而达到制热目的。

PTC 空调的两种解决方案:
‍(1)风暖
PTC 内置空调箱内替代暖风机芯直接加热空气,其设计结构简单但其存在一定的安全隐患。
(2)水暖
PTC 内置冷却液回路对冷却液进行加热,冷却液流经暖风机芯进行制热,其安全性好且温度控制精确但其结构复杂、电量消耗较大。‍
当前 PTC 空调因管路结构简单、 成本较低及制热效果不受环境影响等优点被多数新能源汽车搭载,但其能耗高会使 得续航里程降低 25%左右,因此中高端车型正逐步采用热泵空调对其进行替代。

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风暖 PTC 与水暖 PTC 空调技术方案架构

热泵空调基于逆卡诺循环有效降低功耗。热泵空调基于逆卡诺循环的原理,将 低位热源的热能转移至高位热源,通过增加四通换向阀使热泵空调系统的冷凝器和蒸发器功能互换,从而改变热量的转移方向实现制冷、制热双重效果。

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搭载热泵空调的畅销车型

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热泵变频空调循环示意

低温下热泵空调效率欠佳,余热回收、PTC 辅助加热或 CO2冷媒介质有望提升 热泵的环境适应能力。

CO2 热泵空调方案拥有良好的低温启动制热功能,在极低温情况下依然可以提供较大的制热量并保持较高的 COP,同时对环境的影响较低,我们认为 CO2 热泵空调将会是未来电动汽车空调热管理的发展方向。

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常见制冷剂的主要性能比较

电机电控热管理

液冷是当前主流, 油冷是未来趋势。电机电控热管理当前主要采用液冷换热。新能源汽车的驱动电机及电机控制器 等功率性部件在工作时仍会产生热量,通常需要主动冷却维持其性能和保障行车安全性。

驱动电机冷却方案:风冷、液冷及油冷。电控等相关功率件主要采取风冷、液冷的方式换热。通常将驱动电机和电控串联,通过散热器进行散热。

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油冷电机较早应用于日系油电混合车型,由于其对电机换热效果较好,现在也逐渐应用于部分新能源车型上。

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水冷散热流程图;油冷散热流程图

二、全球热管理市场两大阵营

由于传统燃油车热管理系统架构长期稳定,当前全球汽车热管理市场主要分为两大阵营:
(1)前期经过并购整合逐步形成寡头的海外巨头,如日本电装、法国法雷奥等全球知名零部件配套商;
(2)搭乘新能源汽车东风进行业务转型的国内零部件供应商,如三花智控、银轮股份等。

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全球部分热管理零部件企业产品布局

三、全球热管理行业集中度高,海外巨头市占率稳定

传统燃油车热管理供应商集中度高,全球热管理行业 CR4 市占率过半。

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日本电装:全球最大的汽车热管理系统供应商

成立于 1949 年的日本电装(DENSO, 6902.T),在全球 35 个国家和地区拥有198 家集团公司,是全球最大的汽车热管理系统供应商、全球第二大汽车零部件制造商。公司热管理产品主要配套传统燃油车热管理系统及新能源汽车空调、电池热管理集成系统。公司核心客户有丰田、大众、本田、福特、马自达、通用等国际车企。

韩国翰昂:全球第二大汽车热管理系统供应商

成立于 1986 年的韩国翰昂(HANON SYSTEMS, 018880.KS),在全球 21 个国家和地区拥有 53 个生产基地和 3 个创新研发中心,公司于 2019 年收购麦格纳(MAGNA)相关核心业务,成为全球第二大热管理系统供应商。公司核心客户有现代、福特、大众、通用、奔驰、宝马等国际车企及国内蔚来、小鹏等造车新势力。

法国法雷奥:欧洲市场热管理零部件龙头

成立于 1923 年的法国法雷奥(Valeo),在全球 31 个国家和地区拥有 184 个生产基地和 64 个创新研发中心,是全球前十大汽车零部件供应商。

德国马勒:全球第四大汽车热管理系统供应商

成立于 1920 年的德国马勒(MAHLE),在全球 36 个国家和地区拥有160 个生产基地和12个创新研发中心,公司相继于 2010 年收购贝洱集团、2015 年收购德尔福热管理业务,为全球第四大热管理系统供应商。

四、智能电动化背景下,国内热管理龙头未来可期

国内和海外新能源汽车区域发展差异,为国内热管理龙头厂商提供了追赶的舞台。国内热管理龙头有望凭借国内新能源汽车的先发优势,快速配套实现技术追赶和规模上量。

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2021 年全球新能源乘用车市场份额

成本优势叠加快速响应能力,国内热管理龙头迎来发展良机。国内零部件厂商相比外资厂商成本优势显著,热管理领域同样如此。对比四大外资龙头和国内四大代表性厂商,无论是毛利率、净利率,国产厂商均领先,体现了极强的成本控制能力。

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2016-2021 全球新能源汽车渗透率

从核心零部件向模块化、系统化集成转变,国产热管理龙头迎来经营跃升。当前伴随国内新能源汽车渗透率、智能化程度持续提升,热管理赛道发展进入黄金期。

五、新能源车热管理在传感器技术应用

从新能源车热管理主要零部件图推演,与燃油车不同,新能源车主要用到温度压力传感器。

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新能源车热管理主要零部件

自主研制NTC芯片温度传感器及新能源车/储能CCS盖板的特普生曾老师说:“结合我公司业务来说,我们能提供的新能源车温度管理,一是电池本身的温度管理,含电池本体温度传感器、电池冷却介质温度传感器与BMS控制板温度传感器。二是新能源车的温度管理,含电机马达温度传感器、动力电池温度传感器、刹车系统温度传感器与空调系统温度传感器等等。”

1、电池、空调、电机电控用温度传感器

“这套新能源汽车热管理架构图指引了温度传感器在新能源车电池、电机、电控上的主要应用。譬如可以用到特普生动力电池、空调系统、电机电控等等温度传感器、线束及CCS。”

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新能源车热管理架构

当新能源车电池内部产生的热量超过散发到周围环境的热量时,热失控就开始了。是什么导致电池过热导致热失控?——环境温度失控!电池温度失控!浮充电压 失控!过度充电失控! 

新能源车的热失控预防需要三管齐下的方法:第一、从一开始就防止失控,通过材料改性提高抗TR性能,从源头防止失控。第二,识别电池内是否或何时发生热失控。第三,阻止失控扩散到电池组的其他部分。

无论如何,通过两种方法阻止电池热事件发生——主动和被动热管理系统。

热管理依赖于将电池组保持在最佳温度的冷却系统。当电池在充电和放电的过程中开始升温时,主动热管理系统会使用空气货带有传统汽车冷却剂货制冷剂的冷却板从电池中提取热量,以降低温度。被动热管理系统侧重于防止热失控的后期阶段。被动系统(隔热罩或隔热材料)不是让受热的电池保持凉爽,而是阻止过多的热量从单个的电池传递到电池组其余部分并继续进行连锁反应。

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(图2:电池冷却的三种方式)

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电池加热的两种方式

动力电池只要是在一定的温度区间内工作,是有助于新能源车实现最佳能源效率,所以要做到实时甚至“预感”电池温度,在多处测量电池温度(电池本体、冷却液、BMS板)防止出现局部过热的现象,如何获取温度情况?温度传感器在此中的首发作用不言而喻。

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特普生用于电池本体的温度传感器

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特普生用于电池冷却介质的温度传感器

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特普生用于BMS控制板的温度传感器

此外,电机电控冷却循环管路、新能源车PTC加热、空调压缩机制冷,保持新能源车这些最佳性能运行,就需要对其系统进行持续监控。无论 新能源车 的电池组热管理系统如何,传感器在阻止热失控扩散方面都发挥着关键作用。

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电机电控冷却循环管路需要温度传感器

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新能源车PTC加热需要温度传感器

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电筒空调压缩机需要温度传感器

2、四大最重要泄漏用到温度传感器

“大家常说的车内外环境温度监测、后视镜初雾及室外温度监测、车内座垫及方向盘温度监测、汽车逆变器温度监测、汽车空气流量传感器及其他车载(冰箱、空调、功放)温度监测,也用到温度传感器。一些应用的说法与上面其实是重复的,一些应用下面我来说说。”

在监测新能源车的电池健康状况时,泄漏检测是绝对必要的车辆是在充电还是在路上。任何形式的泄漏都可能直接影响电池或将其温度保持在合适范围内以获得最佳性能的系统。 

新能源车电池组中需要监测的最重要泄漏有四个地方:

1.液体冷却剂:

冷却剂不是像内燃机那样通过发动机缸体循环,而是在电动汽车的电池组、逆变器、驾驶室,甚至可能是电机周围的闭环中循环,以将温度保持在 15-45°C 的合适范围内。热管理系统允许电池、逆变器和电机正常运行而不会过热和触发功率限制模式或关机。

这里检测所需的传感器:冷却液液位传感器、冷却液泄漏传感器和冷却液温度传感器。

2.制冷剂:

虽然所有带有空调系统的电动汽车都使用制冷剂来保持乘客空间凉爽,但一些制造商使用相同的系统来控制电池组温度。使用热泵系统,基于制冷剂的电池冷却有两种形式:可以直接,其中来自车辆空调系统的制冷剂流过电池组内的一系列冷却板。也可以间接,其中车辆的冷却液流过由制冷剂冷却的板。

这里检测所需的传感器:压力传感器、温度传感器、二氧化碳(R744)传感器。

3.绝缘油:

介电油冷却是一种应用前景广阔的新型电池组热管理系统,具有出色的电池组温度控制。在电池组内部,电池浸没在绝缘油中,绝缘油在整个装置中形成闭环循环。这种油——一种工程导热流体——不仅能使电池保持凉爽,还能抑制热事件。

这里检测所需的传感器:油位/质量/介电传感器,油温传感器。

4.电解质:

在监测新能源车的电池健康状况时,测量是否存在电解液泄漏有助于确定电池组内的电池是否因老化或其他压力条件而出现故障。这些泄漏通常只会发生在电池外壳内,无法在车辆外部观察到,因此必须使用电池组内的传感器来检测此事件。

检测所需传感器:电解液泄漏检测传感器。

六、新能源车热管理与传感器应用营销管理

1、在传感器销售渠道上应用

传感器应用很广,但是每个应用的天花板又比较明显。公司的销售团队,要判断这些客户,是不是自己公司的产品方向与优势,也要判断团队是不是深耕细作这个产业。

如果是精耕细作,那就搭建这个“行业应用销售小组”,梳理这些涉足的厂家客户名单及其区域布点,深耕这个行业。一旦深耕这个行业,产品研发、生产制造、销售渠道、客户资源的切入,顺理成章,豁然开朗,容易建立起对公司、对自己都是双赢的战略合作客户共享关系!

以过往的经验来看,优秀的传感器销售代表,必须做到且不止这四点:

1.公司背书显实力;

2.方案与沟通内容显专业;

3.案例细节显效果;

4.会面畅谈显信任”

面对ToB营销模式的客户,销售代表要清楚“高客单、数量少、强关系、长服务、能复购”的客户特点,也要清楚“决策链长、产品功能与客户需求沟通复杂、产品要定制开发”的重难点,要找到双方开始合作的信任预期。

2、在传感器营销推广上应用

线下推广这个行业的传感器,要把他归纳到这个行业大类。借助这个产业的专业论坛、展会与协会组织。

线上推广这个行业用温度传感器,主要方式是内容营销。搭建提高客户信任的PC站、微信号是基本功,更少不了客户总经理、工程师、采购利用搜索引擎来“人找货”的守株待兔,也就是说,涵盖百度、知乎的内容营销是传感器品牌的推广大盘。

七、新能源车热管理在投融资应用

1、新能源车投融资

新能源车热管理发展史,告诉了我们:新能源车热管理从简单模块到系统工程,带来了从0-1的突破。产业链都将受益,重点关注 三花智控、克来机电、银轮股份、拓普集团、奥特佳。

在压缩机上,对标马勒、法雷奥、空调国家、电桩、三电、翰昂等国际品牌,国内产生了松芝、华域、奥特佳等国产品牌。

在电子水泵上,对标伟巴斯特、博世、皮尔博格、斯飞乐和大陆等国际品牌,国内产生了三花智控、富奥股份、湘油泵、飞龙股份等国产品牌。

从技术壁垒上看,阀、CO2管路、压缩机更胜一筹。从格局上看,国内阀、CO2管路优秀企业更有竞争力。

2、储能热管理投融资

储能热管理行业的参与者,根据技术路线来源分为两大类,第一类即风冷技术,大部分是以前空调相关的公司,包括精密温控(如英维克、申菱环境、朗进科技)、汽车空调热管理者(松芝股份、奥特佳、三花智控、银轮股份);第二类即液冷技术的公司,之前的业务是工业冷却相关者,如同飞股份、高澜股份。新能源公司能够凭借储能电池与热管理系统的一体化设计获得更好的性能,并凭借电池的市场占有率稳定热管理系统市场。另一方面,温控设备公司有更深厚的技术积累和规模优势,可能在成本和行业标准上取得优势。

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储能热管理行业参与者

特普生,成立于2011年,是国家高新技术、专精特新企业。主要研制NTC芯片热敏电阻温度传感器储能线束储能CCS集成采集母排储能模组铝巴等温度采集产品系列。一体化研制、一致性品质的特普生,竞争力优势明显:自主研制NTC芯片核心技术及实现医用0.3%精度;专利百项,保留不公开技术2项;为全球新能源产品、大消费品与工业品提供了定制化的温度采集技术。

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