专家观点 丨 高速电驱动的新型润滑技术

文章来源:AI 汽车制造业 发布时间:2020-08-31
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本文将全面介绍电动车带来的对油品的新需求以及道达尔快驰电动车流体(TOTAL Quartz EV-Drive MP Fluid)提供的多功能流体解决方案。

电动机的功率密度将在未来几年内增加并且趋势是将电机与电力电子和减速器完全集成一体。为满足动力系统更小的尺寸和改善电机性能带来的对热管理系统的需求,用于传动润滑和电动机冷却的新型流体将会出现。

8月13日,第十二届国际汽车变速器及驱动技术研讨会(TMC)在上海汽车会展中心召开,围绕高速电驱动的新型润滑技术,道达尔的研发工程师白旸女士进行了精彩的分享。会后,白旸女士又为大家带来了干货满满的补充解析,本文将全面介绍电动车带来的对油品的新需求以及道达尔快驰电动车流体(TOTAL Quartz EV-Drive MP Fluid)提供的多功能流体解决方案。

 

 电动车对油品的新需求

 1 – 冷却电机

热性能是电动车对流体核心的需求。新一代电动车的功率更大,体积更小,这意味着电机产生更高密度的热量。传统的空气冷却或间接水冷不足以应对新的动力系统对散热的需求,因此直接油冷系统将逐渐占据主流。

道达尔对电动机的热管理系统做了全面深入的研究。绕组绝缘材料和转子磁体对于冷却系统有很高要求,因此我们模拟了绕组的最高温度和平均温度以及转子磁体温度。结果证实直接油冷却系统比水套层设计更有效,在模拟的工作点上前者比后者的温度低了一百多度。 TOTAL Quartz EV-Drive MP Fluid比参考ATF有更好的冷却性能,特别是对于绕组最高温度。

 

 1 –将不同流体用于两种冷却系统的模拟结果:定子绕组最高温度及转子永磁体最高温度。黄色标签显示了相对于水夹层,在油冷系统使用不同流体带来的温度下降。绿色标签显示了相对于市场高对标ATF流体,道达尔快驰电动车流体带来的温度下降

2 – 高速条件下的润滑

多功能流体不仅是电动机的高效冷却剂,同时也是一种良好的润滑剂,以防止齿轮和轴承磨损。

FZG标准测试A/8.3/90被广泛用于评估齿轮油的划伤性能。为使测试条件更加严苛,我们将测试温度升高到了150°C,以验证TOTAL Quartz EV-Drive MP Fluid在如此严苛的条件下是否依然能够保护齿轮。

 2 - FZG测试结果:TOTAL Quartz EV-Drive MP Fluid(蓝色)和美国ATF参考流体(红色)

FZG测试结果如图2所示。在浸渍润滑条件下,不对油液进行冷却,在赫兹压力150至1800N/mm 2之间的12个负载阶段逐步增加齿轮的载荷。当所有齿轮的表面显示损坏区域的总宽度等于或超过一个齿宽时,即为失效载荷。FZG测试结果显示,尽管其粘度非常低,道达尔快驰电动车流体(TOTAL Quartz EV-Drive MP Fluid)仍有出色的机械保护性能。


3 – 传动效率

电动机的高转速也会影响使用飞溅润滑的传动系统。随着齿轮转速的增加,油的空气含量上升;这些增加的空气这会使油的体积增加,增加搅拌损失;同时在齿轮上产生许多气泡,这些气泡的表面张力会额外增加传动系统耗费的能量。为了减小搅拌损失,必须调整流体的配方以限制油的溶气

道达尔开发了全新的台架试验进行有针对性的测量高速下的气和搅拌损失,如图3所示。该台架试验的原理如下:将单个齿轮部分浸入流体中,以电机驱动齿轮,直接测量旋转齿轮所需的扭矩以确定搅拌损失;同时我们使用 “Air-X”装置测量流体中的空气含量。该仪器基于低能X射线透射。X射线的吸收取决于其穿透材料的密度,因此可以通过检测流体密度以实时测量其中的空气含量。


图3高速搅拌损失测试装置

图四展示了4 种相同粘度的润滑流体的对比结果。尽管粘度相同,通过添加剂的选择和配方的调整,油体溶气问题可以有着非常明显的改善,溶气量减少70%。与此同时,溶气量的减少伴随着能量损耗的减少,搅油能量损耗降低30%,以此大大提高了系统的传动效率从而提高了电动车的续航里程。

图4不同流体配方的油溶气及搅拌损失对比

 

4 – 材料兼容性

铜被广泛用于电机的绕组和电子元件中,因此流体与铜的良好容性至关重要。

道达尔开发了一种针对电动车流体的测试,以精确监测铜线的腐蚀动力学。测试装置如图5所示:将一根铜线浸入150°C的流体中,并在铜线上施加电流;电压表安装在铜线两端,以测量其电阻。由于铜线的电阻与其横截面积成反比,因此可以通过检测电阻的变化来跟踪腐蚀动力学。具有良好铜相容性的流体中,铜线的直径长期都不会减少。铜线测试的结果显示出TOTAL Quartz EV-Drive MP流体与铜的良好兼容性,对应的铜线在100小时后直径的减小几乎为零。

 5 -铜线测试装置及几种流体的测试结果

绕组线圈表面涂有非常薄的绝缘材料层。该绝缘材料通常为聚酰亚胺,它可能受到来自流体中侵蚀性化学物质的影响。绝缘材料的完整性对电动机的正常运行至关重要,因此流体必须有与绝缘材料良好兼容性。

道达尔使用的测试装置如图6所示。该剥离试验测试建立在IEC 60851标准上,用于评估绕组线圈承受扭曲而不会出现裂缝或丧失绝缘层粘附力的能力。实验首先将线圈浸入120下油中,持续1000h以使其老化;然后通过图6中所示的测试设备旋转电线的绝缘层以将其剥离。实验测试涂层失去粘附力时相应的转数。如结果所示,在TOTAL Quartz EV-Drive MP Fluid中浸泡过的线圈给出了与没有油浸过的线圈几乎相同的转动圈数,而远远高出了在美国ATF参考流体中浸泡过的线圈,可见流体配方对于材料兼容性的巨大影响。

 6– 剥离实验测试条件及测试仪器

 

结论

在汽车电气化的背景下,道达尔针对高度集成的电力总成开发出了全新的多功能流体配方道达尔快驰电动车流体(TOTAL Quartz EV-Drive MP Fluid)。这种新型的润滑技术不仅具有对电机很高的冷却效率,也提供了电机和减速器的机械元件的有效润滑,从而有助于提高电动汽车的续航里程。为研发这款流体而开发的一整套模拟和台架试验能有效的衡量流体的各方面性能。在未来,新的电驱动技术也将不断地为冷却润滑流体提出新的需求。



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