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(tái)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(jìng)技還是企業(yè)商戰(zhàn)，高手對(duì)決，在逼近極限的時(shí)候

每1%的提升往往都能帶來(lái)遠(yuǎn)超1%的效果。

回顧扁線電機(jī)的發(fā)展歷程，在國(guó)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(guó)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(duì)于電機(jī)來(lái)說(shuō)，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(wú)限接近但不能達(dá)到100%。

對(duì)于電機(jī)來(lái)說(shuō)，損耗來(lái)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(shí)。

簡(jiǎn)單說(shuō)，抓大頭，把錢花在刀刃上。

一直說(shuō)的扁線繞組，就是應(yīng)對(duì)這些需求，所產(chǎn)生的技術(shù)趨勢(shì)。

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(guó)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(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，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(lái)形容——傳統(tǒng)圓線繞組電機(jī)，猶如美國(guó)式機(jī)械灌溉農(nóng)田，無(wú)法填滿互相之間的空隙，造成面積的浪費(fèi)；而在中國(guó)，我們不會(huì)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(huì)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(duì)電機(jī)功率沒有幫助，只是起到連接作用，會(huì)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?cè)趯?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(lái)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(shuō)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(shuō)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(dòng)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(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。與NEDC相比，WLTC在測(cè)試時(shí)間、模擬路況變化情況

當(dāng)然，扁線技術(shù)帶來(lái)的不只是高效率。

（2） 更高的功率密度

剛剛說(shuō)了，Hair-pin電機(jī)提高裸銅槽滿率20%~30%，目前國(guó)內(nèi)較高水平可達(dá)75%槽滿率未來(lái)還有較大增長(zhǎng)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(guó)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(guó)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(duì)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(dòng)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(dòng)。機(jī)械和電磁的振動(dòng)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(duì)乘用車企業(yè)來(lái)說(shuō)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(shì)，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(duì)于新能源整車來(lái)說(shuō)電池提升的重要性和可提升性都要高于驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(duì)圓線電機(jī)，扁線電機(jī)無(wú)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(dòng)化產(chǎn)線，產(chǎn)線和設(shè)備投入較大，且量產(chǎn)后還需對(duì)良品率進(jìn)行控制。所以在市場(chǎng)、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(chǎng)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(wú)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(dòng)、藝達(dá)電驅(qū)動(dòng)、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(jí)為最新的8層扁線繞組技術(shù)。

因?yàn)殡S著電動(dòng)車動(dòng)力需求的增加，電機(jī)的轉(zhuǎn)速越來(lái)越高，通過繞組的交流電的頻率也越來(lái)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(tái)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(duì)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(cè)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(guó)產(chǎn)電機(jī)性能優(yōu)勢(shì)，Model3/Y功率及扭矩小幅提升特斯拉國(guó)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(guó)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(jiǎn)單地工作效率或者動(dòng)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(jí)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(shì)并不是一蹴而就，就像之前所說(shuō)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(zhǎng)時(shí)間的投入與測(cè)試，其中華域電動(dòng)、藝達(dá)電驅(qū)動(dòng)、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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

以藝達(dá)電驅(qū)動(dòng)為例：

藝達(dá)電驅(qū)動(dòng)的扁線電機(jī)優(yōu)勢(shì)源于長(zhǎng)遠(yuǎn)的眼光和持續(xù)性的投入，2000年藝達(dá)電驅(qū)動(dòng)就已經(jīng)認(rèn)準(zhǔn)扁線電機(jī)的前景，將其定位為未來(lái)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(dòng)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(guó)家發(fā)明專利、2項(xiàng)軟件著作權(quán)和70余項(xiàng)國(guó)家實(shí)用新型專利，其八層扁銅線驅(qū)動(dòng)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(guó)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(lái)藝達(dá)電驅(qū)動(dòng)將與更多的合作伙伴一同推動(dòng)新能源汽車行業(yè)的發(fā)展，為我國(guó)碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)添磚加瓦。

6、結(jié)語(yǔ)

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(shì)，未來(lái)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)?？梢灶A(yù)見未來(lái)扁線電機(jī)會(huì)有更廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)，而隨著扁線電機(jī)大批量搭載和應(yīng)用，將進(jìn)一步推動(dòng)全球電動(dòng)化的發(fā)展，這不僅僅是華域電動(dòng)、藝達(dá)電驅(qū)動(dòng)等企業(yè)付出后的收獲，更是人類社會(huì)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(shuō)，如果沒有全社會(huì)對(duì)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(huì)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(shí)的普遍提升。希望未來(lái)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(huì)朝著更和諧的方向發(fā)展。