1、為什么1%的性能提升竟然能造成行業(yè)巨變？
近期，新能源汽車領(lǐng)域鋰電池風(fēng)頭竟被占僅占車輛成本10%的電機(jī)所蓋。與扁線電機(jī)相關(guān)的精達(dá)股份、方正電機(jī)等企業(yè)股價(jià)則是上漲近一倍，而原因竟是一臺效率提升1%的扁線電機(jī)的應(yīng)用，為什么這1%的性能提升竟能引起整個(gè)行業(yè)的巨變？
縱觀歷史，不論是體育競技還是企業(yè)商戰(zhàn)，高手對決，在逼近極限的時(shí)候
每1%的提升往往都能帶來遠(yuǎn)超1%的效果。
回顧扁線電機(jī)的發(fā)展歷程，在國外雪佛蘭Volt與豐田第四代Pruis早已經(jīng)開始應(yīng)用扁線電機(jī)，而國內(nèi)這方面的研究雖然起步較晚。但近期，特斯拉、上汽新能源、極氪、比亞迪等新能源車企都加快了將圓線電機(jī)替換成扁線電機(jī)的步伐。
而更換的原因就在于：扁線電機(jī)相比普通電機(jī)效率能夠提升1%。
將效率1%提升的扁線電機(jī)，到底厲害在哪里？
高中物理老師告訴我們，機(jī)械做功的本質(zhì)，是能量從一種形式轉(zhuǎn)化到另一種形式的過程。
對于電機(jī)來說，目標(biāo)就是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。而且由于能量守恒定律的存在，這個(gè)轉(zhuǎn)換效率的極限，是99.99……%，無限接近但不能達(dá)到100%。
對于電機(jī)來說，損耗來自于這幾個(gè)方面。
永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到96%-97%，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于只有30-40%熱效率的內(nèi)燃機(jī)。
如何在這個(gè)數(shù)字上更進(jìn)一步？使用更合理的定子繞組，在能量損耗最大的銅耗上做文章，是業(yè)內(nèi)的共識。
簡單說，抓大頭，把錢花在刀刃上。
一直說的扁線繞組，就是應(yīng)對這些需求，所產(chǎn)生的技術(shù)趨勢。
什么是扁線技術(shù)？
永磁同步電機(jī)，主要由定子組件、轉(zhuǎn)子組件以及其他輔助件組成。
定子組件是決定電機(jī)性能的關(guān)鍵，由定子鐵芯、繞組、引出線、以及絕緣材料組成。
銅線外側(cè)加絕緣涂層，制成漆包線，再首尾相連組成繞組，扁線繞組便是其中的一種繞組形式。
因?yàn)槠鋯胃岚€形狀像發(fā)卡，又俗稱發(fā)卡電機(jī)，在國外則稱之為Hair-pin電機(jī)。
2、扁線電機(jī)有哪些好處？
（1） 高效率
簡單來說，就是單位面積內(nèi)，銅變多了。扁線電機(jī)相比傳統(tǒng)圓線電機(jī)，裸銅槽滿率可提升20%~30%，有效降低繞組電阻進(jìn)而降低銅損耗。
關(guān)于“槽滿率”這個(gè)詞，我們可以用這個(gè)比喻來形容——傳統(tǒng)圓線繞組電機(jī)，猶如美國式機(jī)械灌溉農(nóng)田，無法填滿互相之間的空隙，造成面積的浪費(fèi)；而在中國，我們不會這樣浪費(fèi)寶貴的土地。
在寸土寸金的電機(jī)定子的截面里，同樣的故事在發(fā)生。相比圓線繞組，扁線電機(jī)能在同樣條件下，塞進(jìn)更多面積的導(dǎo)線。導(dǎo)線越粗、電阻越小，在導(dǎo)線上因發(fā)熱損失的能量就會越小。
其次，端部尺寸更短。Hair-pin電機(jī)相比圓線電機(jī)繞組端部尺寸更短，端部總高度短5~10mm，有效降低端部繞組銅耗，進(jìn)一步提升電機(jī)效率。
端部的銅對電機(jī)功率沒有幫助，只是起到連接作用，會產(chǎn)生額外電損耗，所以越短越好
這些結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，可以使得電機(jī)平均效率，相比不使用扁線技術(shù)的電機(jī)，提高1%以上。
但是，畢竟提升幅度只有1%。工程師們在實(shí)驗(yàn)室里死摳這“點(diǎn)”技術(shù)，有多大意義？在用戶體驗(yàn)方面，又能給用戶帶來哪些提升？
首先，從電機(jī)特性圖上我們可以看出四槽扁線繞組電機(jī)，最高效區(qū)間的面積被明顯放大了。
橫軸方向上的放大，說明最高效區(qū)間的轉(zhuǎn)速范圍變大了。從城市擁堵的低速工況，到高速巡航工況，都能享受到最高的效率。
縱軸方向上的放大，說明最高效區(qū)間的扭矩范圍變大了。從小油門勻速，到大油門急加速，確保最多的能量被用于驅(qū)動車輛。
其次，所謂的“1%”，指的是在WLTC工況下兩者的平均效率差，扁線電機(jī)要高1.12%。但是在全域平均情況下，兩者效率值相差達(dá)到2%。低速大扭矩工作點(diǎn)，最高甚至可提升效率10%。
（備注：WLTC是即將執(zhí)行的新能源油耗測試標(biāo)準(zhǔn)。與NEDC相比，WLTC在測試時(shí)間、模擬路況變化情況
當(dāng)然，扁線技術(shù)帶來的不只是高效率。
（2） 更高的功率密度
剛剛說了，Hair-pin電機(jī)提高裸銅槽滿率20%~30%，目前國內(nèi)較高水平可達(dá)75%槽滿率未來還有較大增長空間。相同體積情況下，扁線電機(jī)可以塞進(jìn)更多的定子繞組，這樣在相同損耗下扁線電機(jī)可以能輸出更高的功率和扭矩。
目前國內(nèi)采用扁線繞組的電機(jī)最高功率密度達(dá)到5kW/kg，而普通電機(jī)在3kw/kg時(shí)就遇到了瓶頸，而國家《節(jié)能與新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》要求電機(jī)須達(dá)到4kw/kg以上，扁線電機(jī)的應(yīng)用成為必然。
（3）更強(qiáng)的散熱能力
相對于圓線，扁線電機(jī)扁線形狀更規(guī)則，在定子槽內(nèi)緊密貼合，與定子鐵芯齒部和軛部更好接觸，降低槽內(nèi)熱阻，熱傳導(dǎo)效率更高，進(jìn)一步提升電機(jī)峰值和持續(xù)性能。
從使用中去看就是持續(xù)性能更強(qiáng)，能夠降低電動車在跑高速時(shí)的疲軟。
（4）更好的NVH表現(xiàn)
使用扁線結(jié)構(gòu)的電機(jī)，由于繞組有更好的剛度，整機(jī)也將具備更好的剛度。同時(shí)扁線繞組是通過鐵芯端部插線，不需要從槽口嵌線，電磁設(shè)計(jì)上可以選擇更小的槽口設(shè)計(jì)，有效降低齒槽轉(zhuǎn)矩脈動。機(jī)械和電磁的振動噪音都能有效降低。
（5）更小的重量和體積
在同等功率下扁線電機(jī)因?yàn)椴蹪M率、效率的提升。因此銅材用量下降，這就使得扁線電機(jī)能夠擁有更小的體積和重量，對乘用車企業(yè)來說電機(jī)體積的縮小使得車輛整體有了更大的空間可以利用，比如增大電池的容量。而較小的重量也使得車輛速度、續(xù)航能有一定的提升。
3、那扁線技術(shù)為什么之前沒有被廣泛應(yīng)用？
既然相比傳統(tǒng)圓線電機(jī)，扁線電機(jī)在效率、性能、散熱等方面具備明顯優(yōu)勢，那為什么之前沒有被廣泛應(yīng)用？
其實(shí)不是不想用，而是沒條件。
首先在前兩年對于新能源整車來說電池提升的重要性和可提升性都要高于驅(qū)動電機(jī)。
而扁線繞組制造過程非常復(fù)雜。需要先將導(dǎo)線，制作成發(fā)卡的形狀，然后通過自動化插入到定子鐵芯槽內(nèi)，然后進(jìn)行端部扭頭和焊接。
相對圓線電機(jī)，扁線電機(jī)無法進(jìn)行手工制造。
想批量化高效率生產(chǎn)，必須要建立自動化產(chǎn)線，產(chǎn)線和設(shè)備投入較大，且量產(chǎn)后還需對良品率進(jìn)行控制。所以在市場、技術(shù)層面都不利于扁線電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用。
4、為什么扁線電機(jī)市場現(xiàn)在爆發(fā)了？
過去因?yàn)楦黜?xiàng)技術(shù)不成熟導(dǎo)致產(chǎn)品不良率高，所以扁線電機(jī)無法大量應(yīng)用，但是這些年電機(jī)企業(yè)也并沒有停下研發(fā)的腳步。華域電動、藝達(dá)電驅(qū)動、方正電機(jī)等企業(yè)都在扁線技術(shù)上進(jìn)行著持續(xù)性的投入，近年扁線繞組技術(shù)也由2層、4層升級為最新的8層扁線繞組技術(shù)。
因?yàn)殡S著電動車動力需求的增加，電機(jī)的轉(zhuǎn)速越來越高，通過繞組的交流電的頻率也越來越高。這里的交流電有著明顯的“趨膚效應(yīng)(skin effect)”，導(dǎo)致中間的面積被浪費(fèi)，周圍的電流很大，發(fā)熱明顯，效率降低。而采用了8層扁線繞組技術(shù)的電機(jī)，導(dǎo)線面積更大，所以電阻和能量損耗都得以降低，電機(jī)效率提高。
以上汽新能源ER6車型為例，這臺電機(jī)的最高效率達(dá)到了97%，并且在大部分工況下都能達(dá)到90%以上的效率。它的最高轉(zhuǎn)速達(dá)到了15000轉(zhuǎn)，新車0-100公里/時(shí)加速僅需7.8秒，極速達(dá)185公里/時(shí)。
對比4層發(fā)卡繞組電機(jī)，8層扁線繞組電機(jī)效率≥90%的區(qū)間從83%提升到了88%，增加了整整5%。
此外，通過仿真軟件測算的效率MAP數(shù)據(jù)顯示，同一款ER6車型分別采用8層發(fā)卡電機(jī)和4層發(fā)卡電機(jī)時(shí)，搭載8層發(fā)卡電機(jī)的車型NEDC工況的平均電耗從13.8千瓦時(shí)/百公里下降到12.2千瓦時(shí)/百公里，降幅超過11.5%，切實(shí)提升車輛續(xù)航里程。
再比如受益國產(chǎn)電機(jī)性能優(yōu)勢，Model3/Y功率及扭矩小幅提升特斯拉國產(chǎn)電機(jī)采用了扁線技術(shù)。 相比圓線電機(jī)， 扁線電機(jī)滿槽率和功率密度得到提升，效率更高， 散熱、 HNV、輕量化等性能更優(yōu)。 國產(chǎn)電機(jī)版的 Model 3 與 Model Y 車型僅更換后電機(jī)。 Model 3 后電機(jī)最大功率從 202kW 提升至 220kW，最大扭矩從 404Nm 提升至 440Nm； Model Y后電機(jī)最大功率從 180kW 提升至 220kW， 最大扭矩從 326Nm 提升至440Nm。
這已經(jīng)不是簡單地工作效率或者動力的提升，如今扁線電機(jī)的技術(shù)性能提升已經(jīng)使得車企能在空間布局上有更多的選擇，在提升性能或是續(xù)航上可以有更多可觀的變化。在電池短時(shí)間內(nèi)難以有大的突破情況下，新能源車企便開始將目光轉(zhuǎn)向技術(shù)得到升級的扁線電機(jī)，至此扁線電機(jī)崛起。以目前的替換速度，相信2025年扁線電機(jī)的滲透率將達(dá)到90%
5、肉眼可見的性能提升是多年的技術(shù)沉淀的結(jié)果
但是這種技術(shù)優(yōu)勢并不是一蹴而就，就像之前所說相比于傳統(tǒng)圓線電機(jī)扁線電機(jī)的制造需要從扁線原材料、生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)流程工藝都需要長時(shí)間的投入與測試，其中華域電動、藝達(dá)電驅(qū)動、方正電機(jī)三家企業(yè)經(jīng)過提前布局投入與多年的研發(fā)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)扁線電機(jī)研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝的自主化，具備較強(qiáng)的競爭優(yōu)勢。
以藝達(dá)電驅(qū)動為例：
藝達(dá)電驅(qū)動的扁線電機(jī)優(yōu)勢源于長遠(yuǎn)的眼光和持續(xù)性的投入，2000年藝達(dá)電驅(qū)動就已經(jīng)認(rèn)準(zhǔn)扁線電機(jī)的前景，將其定位為未來戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)，并組建了一支高精尖技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，早在2006年就研發(fā)出高效扁線發(fā)電機(jī)，于2013年成功研發(fā)出新能源扁線驅(qū)動電機(jī)。如今從研發(fā)試驗(yàn)到生產(chǎn)制造都能做到自主，擁有4項(xiàng)國家發(fā)明專利、2項(xiàng)軟件著作權(quán)和70余項(xiàng)國家實(shí)用新型專利，其八層扁銅線驅(qū)動電機(jī)產(chǎn)品性能已達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先水平。憑借出色的產(chǎn)品性能及可靠性，目前已和一汽解放、北汽福田等國內(nèi)多家知名商用車主機(jī)廠建立同步研發(fā)合作關(guān)系。相信未來藝達(dá)電驅(qū)動將與更多的合作伙伴一同推動新能源汽車行業(yè)的發(fā)展，為我國碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)添磚加瓦。
6、結(jié)語
目前，扁線電機(jī)在效率、功率密度、散熱能力、體積重量等方面已具有顯著的優(yōu)勢，未來隨著技術(shù)工藝的進(jìn)一步成熟，扁線電機(jī)的生產(chǎn)成本將低于傳統(tǒng)圓線電機(jī)。可以預(yù)見未來扁線電機(jī)會有更廣闊的應(yīng)用市場，而隨著扁線電機(jī)大批量搭載和應(yīng)用，將進(jìn)一步推動全球電動化的發(fā)展，這不僅僅是華域電動、藝達(dá)電驅(qū)動等企業(yè)付出后的收獲，更是人類社會可持續(xù)發(fā)展道路上的新篇章和重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。從某種意義上說，如果沒有全社會對低碳環(huán)保的重視，扁線電機(jī)乃至整個(gè)新能源行業(yè)就不會有如此迅速的發(fā)展，所以從全局角度看扁線電機(jī)的勝利究其根本不是性能的提升，而是源于人類主人翁意識的普遍提升。希望未來隨著各項(xiàng)科學(xué)技術(shù)的提升，人類與環(huán)境的關(guān)系會朝著更和諧的方向發(fā)展。