隨著新能源汽車市場(chǎng)需求的變化，電驅(qū)系統(tǒng)的集成化、輕量化發(fā)展趨勢(shì)明顯。高度集成的電驅(qū)系統(tǒng)成為研究熱點(diǎn)，特斯拉model 3動(dòng)力總成代表的油冷電驅(qū)系統(tǒng)成為新能源高端汽車的重要方向。電驅(qū)系統(tǒng)中用于潤(rùn)滑減速器齒軸和軸承的潤(rùn)滑油還需用于冷卻電機(jī)。潤(rùn)滑油量的確定要同時(shí)兼顧機(jī)械本體的潤(rùn)滑，還要考慮電機(jī)散熱以及系統(tǒng)效率等諸多因素的影響。相較于傳統(tǒng)減速器，油冷電驅(qū)系統(tǒng)油量的確定是一個(gè)技術(shù)上的難點(diǎn)，缺少實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)。本文分析了影響油冷電驅(qū)系統(tǒng)冷卻與潤(rùn)滑的機(jī)理，在綜合考慮系統(tǒng)的冷卻、潤(rùn)滑和效率最優(yōu)的前提下，建立了一套油冷電驅(qū)系統(tǒng)油量的設(shè)計(jì)原則?；谠撛O(shè)計(jì)原則，分析了某款160 kW油冷三合一電驅(qū)系統(tǒng)的基本油量的設(shè)計(jì)過(guò)程，并通過(guò)效率試驗(yàn)分析得到了該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最佳油量。

1 油冷電驅(qū)系統(tǒng)冷卻與潤(rùn)滑

通常油冷電驅(qū)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器和變速器三部分。電驅(qū)系統(tǒng)的冷卻直接影響系統(tǒng)的使用壽命和運(yùn)行的可靠性；變速器的齒輪傳動(dòng)通過(guò)加強(qiáng)潤(rùn)滑措施可以有效地防止或者減輕齒面點(diǎn)蝕、齒面膠合的現(xiàn)象出現(xiàn)；軸承的潤(rùn)滑情況的好壞直接影響了軸承的壽命。永磁同步電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)溫度超過(guò)一定的限值，由于電機(jī)中一般絕緣材料的耐熱等級(jí)是最差的，會(huì)損壞繞組的絕緣，輕則加速絕緣層的老化過(guò)程，縮短電機(jī)壽命，重則絕緣層碳化變質(zhì)，對(duì)電機(jī)造成功能性損傷[1]。過(guò)高的溫升不僅會(huì)破壞繞組的絕緣，還會(huì)造成定轉(zhuǎn)子鐵心破損和永磁體熱退磁等后果，降低電機(jī)的使用壽命[2-4]。故油冷電驅(qū)系統(tǒng)的油路設(shè)計(jì)必須要充分考慮齒輪、軸承的潤(rùn)滑[5]，同時(shí)還要考慮電機(jī)各部件的冷卻需求，使其電驅(qū)系統(tǒng)的溫度保持在合理范圍內(nèi)，以確保系統(tǒng)安全高效地運(yùn)行。

1.1 油冷電驅(qū)系統(tǒng)功率損耗的來(lái)源

本文研究的油冷電驅(qū)系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)的水冷電驅(qū)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和變速箱共腔體，并共用一套冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)。故油冷電驅(qū)系統(tǒng)的油量設(shè)計(jì)需要同時(shí)考慮電機(jī)和減速器的相關(guān)影響因素。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率損失主要包括鐵損耗、繞組損耗、機(jī)械損耗、雜散損耗等；減速器的功率損失主要包括齒輪損耗、軸承損耗、油泵損耗和油封損耗。這些損耗絕大部分都轉(zhuǎn)化為熱能，表現(xiàn)為總成溫度的升高[6]。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)中機(jī)械損耗、鐵損耗、部分雜散損耗與電機(jī)負(fù)載大小無(wú)關(guān)，為固定不變的損耗；另外一部分比如繞組損耗和剩余雜散損耗，是會(huì)隨著電機(jī)負(fù)載和電流變化的。所以油冷電驅(qū)系統(tǒng)的注油量必須要保證電機(jī)得到充分的冷卻。油泵損耗是采用油冷電驅(qū)系統(tǒng)才有的功率損耗；另外三部分是傳統(tǒng)的機(jī)械損耗。變速器對(duì)于溫度要求沒(méi)有電機(jī)嚴(yán)格，但是由于其功率損耗的來(lái)源主要是機(jī)械損耗，而充分的潤(rùn)滑能夠有效的減少機(jī)械損耗，進(jìn)而達(dá)到減少功率損耗的目的。所以油冷電驅(qū)系統(tǒng)的注油量必須要滿足變速器的潤(rùn)滑需要，油冷電驅(qū)系統(tǒng)的油量設(shè)計(jì)必須同時(shí)考慮到電機(jī)的冷卻和變速器的潤(rùn)滑。

1.2 油冷電驅(qū)系統(tǒng)的潤(rùn)滑冷卻原理

本文的油量研究對(duì)象是某三合一油冷電驅(qū)系統(tǒng)。該套系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)不但考慮了冷卻電機(jī)，還考慮了齒輪、軸承的潤(rùn)滑，該系統(tǒng)的油量從冷卻、潤(rùn)滑和效率三個(gè)方面情況進(jìn)行綜合考慮。

某油冷三合一電驅(qū)系統(tǒng)外形如圖1所示。該油冷三合一電驅(qū)系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)是由動(dòng)力泵提供動(dòng)力，殼體、端蓋、轉(zhuǎn)軸、集油環(huán)和油管等組成油路。動(dòng)力泵將冷卻油輸送到設(shè)計(jì)的位置，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的定子鐵芯、繞組端部、轉(zhuǎn)子鐵芯、電機(jī)軸承、變速器輸入軸軸承和中間軸軸承等零件的冷卻和潤(rùn)滑。油路循環(huán)從油泵開(kāi)始，冷卻油通過(guò)油泵入口進(jìn)入冷卻油路，途經(jīng)過(guò)濾器、散熱器，然后油路一分為二，一路進(jìn)入電機(jī)，冷卻油沿著定子沖片上的油路冷卻定子鐵心、電機(jī)兩端繞組外側(cè)；另一路冷卻油一部分潤(rùn)滑變速器輸入軸和中間軸的后軸承，另一部分沿著油路冷卻電機(jī)轉(zhuǎn)軸芯部、轉(zhuǎn)子鐵心和電機(jī)兩端繞組內(nèi)側(cè)，同時(shí)潤(rùn)滑變速器輸入軸和中間軸的前軸承；最終，冷卻油由于重力作用回到箱體的最低位置，即油泵的入口位置，循環(huán)結(jié)束。油路走向如圖2所示。

圖2 油路走向

通過(guò)對(duì)該油冷電驅(qū)系統(tǒng)油路的分析可知，與傳統(tǒng)的減速器不同，系統(tǒng)的油量不僅需要滿足變速器的齒輪、軸承等零件的潤(rùn)滑，還要滿足電機(jī)冷卻。如果該套系統(tǒng)的油量過(guò)多，在電驅(qū)系統(tǒng)高速運(yùn)行工況段，變速器部分產(chǎn)生的攪油損失，會(huì)嚴(yán)重降低系統(tǒng)效率；如果系統(tǒng)的油量偏少，則會(huì)造成潤(rùn)滑不足、冷卻不足，影響系統(tǒng)的使用壽命。本文為如何確定油冷主動(dòng)潤(rùn)滑電驅(qū)系統(tǒng)的油量提供了一種解決思路。

2 油冷電驅(qū)系統(tǒng)油量設(shè)計(jì)原則

根據(jù)油冷電驅(qū)系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)的作用原理，先考慮滿足系統(tǒng)油冷和潤(rùn)滑的基本油量，進(jìn)而考慮系統(tǒng)效率最優(yōu)，最終確定油冷電驅(qū)系統(tǒng)的油量。在油冷電驅(qū)系統(tǒng)中添加的介質(zhì)油是需要同時(shí)滿足電驅(qū)系統(tǒng)的冷卻和潤(rùn)滑。文中的冷卻油和潤(rùn)滑油均指的是介質(zhì)油。

2.1 測(cè)試工況

由于電驅(qū)系統(tǒng)的使用外部條件直接影響電驅(qū)系統(tǒng)的性能表現(xiàn)，為了客觀評(píng)價(jià)電驅(qū)系統(tǒng)的性能表現(xiàn)，首先要確定電驅(qū)系統(tǒng)后期測(cè)試的條件。為了對(duì)電驅(qū)系統(tǒng)的性能分析能夠相對(duì)全面，選定的性能測(cè)試主要考察瞬態(tài)表現(xiàn)和穩(wěn)態(tài)表現(xiàn)兩部分[7]。電驅(qū)系統(tǒng)的瞬態(tài)表現(xiàn)的考察主要依據(jù)整車的耐久試驗(yàn)工況，比如新歐洲駕駛循環(huán)測(cè)試（New European Driving Cycle, NEDC）工況和世界輕型測(cè)試循環(huán)（World Light Vehicle Test Cycle, WLTC）工況進(jìn)行考量。從本質(zhì)上考慮，NEDC側(cè)重于穩(wěn)態(tài)工況，WLTC更注重瞬態(tài)和過(guò)渡工況，如圖3所示。在綜合考慮工況本身、市場(chǎng)選擇等因素的情況下，選擇WLTC工況作為瞬態(tài)工況考察日常行駛時(shí)電驅(qū)系統(tǒng)的散熱性能測(cè)試更具意義。

圖3 WLTC工況

在高速工況下，電驅(qū)系統(tǒng)的減速器部分?jǐn)囉蛽p失達(dá)到最大，減速器的飛濺潤(rùn)滑和外部殼體的散熱效果也是達(dá)到極致的工況。在高速工況下，電驅(qū)系統(tǒng)在額定功率下，以最高輸入轉(zhuǎn)速運(yùn)行，持續(xù)運(yùn)行2小時(shí)。與高速工況不同，高扭工況下電機(jī)、各機(jī)械零部件的發(fā)熱量很大，而外部散熱條件和減速器飛濺潤(rùn)滑條件一般，能夠最大程度地考驗(yàn)電驅(qū)系統(tǒng)的冷卻能力。在高扭工況下，電驅(qū)系統(tǒng)在額定功率下，以最大輸入扭矩運(yùn)行，持續(xù)運(yùn)行2小時(shí)。根據(jù)以上分析，在設(shè)計(jì)油冷電驅(qū)系統(tǒng)時(shí)，綜合考慮WLTC工況、高速工況和高扭工況三種工況來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的油量設(shè)計(jì)。

2.2 理論基本油量

本文研究的油冷電驅(qū)系統(tǒng)是現(xiàn)在市面上最為常見(jiàn)的電機(jī)和減速器共一套冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)，控制器單獨(dú)一套冷卻系統(tǒng)。故油量設(shè)計(jì)不需要考慮控制器的冷卻。油量設(shè)計(jì)只需要考慮電機(jī)和減速器部分。由于油冷電驅(qū)系統(tǒng)中的電機(jī)部分對(duì)溫度最為敏感，而以機(jī)械結(jié)構(gòu)為主的減速器對(duì)潤(rùn)滑要求相對(duì)較高。雖然電機(jī)也存在很大部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)，但是由于內(nèi)置主動(dòng)冷卻系統(tǒng)的設(shè)置，機(jī)械結(jié)構(gòu)的潤(rùn)滑狀況相對(duì)于以前外置冷卻系統(tǒng)而言，已經(jīng)有了質(zhì)的改變，基本潤(rùn)滑條件是可以得到保證的。而減速器由于齒輪嚙合、軸承摩擦也會(huì)產(chǎn)生大量的熱。但是考慮到此類機(jī)械結(jié)構(gòu)的材料都是耐高溫的，而且減速器的最高許用溫度也是遠(yuǎn)低于電機(jī)的發(fā)熱溫度，故減速器的冷卻不需要單獨(dú)考慮。綜上，將電驅(qū)系統(tǒng)的冷卻簡(jiǎn)化為電機(jī)的冷卻，將電驅(qū)系統(tǒng)的潤(rùn)滑簡(jiǎn)化為減速器的潤(rùn)滑。

本文將滿足電驅(qū)系統(tǒng)的冷卻簡(jiǎn)化為滿足電機(jī)的冷卻?？紤]到電機(jī)部分的冷卻系統(tǒng)的復(fù)雜性，選擇從電機(jī)的總功率損耗進(jìn)行分析，得到電機(jī)的發(fā)熱量，進(jìn)而求得電機(jī)需要的散熱量，最后依據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)的平衡溫度和冷卻油的冷卻能力，估算得電機(jī)冷卻需要的油量。電機(jī)的損耗主要包括鐵心損耗、繞組損耗、機(jī)械損耗、雜散損耗等[3]。油冷冷卻系統(tǒng)的散熱形式跟其他冷卻系統(tǒng)不同，是以傳導(dǎo)散熱為主，結(jié)合輻射散熱和對(duì)流散熱?；谟邢拊?，對(duì)本文研究樣機(jī)的電機(jī)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，估算得電機(jī)內(nèi)部各點(diǎn)的溫度值，具體的計(jì)算原理和方法見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1]。該電驅(qū)系統(tǒng)在峰值功率運(yùn)行時(shí)，電機(jī)發(fā)熱最嚴(yán)重且對(duì)溫度最為敏感的端部繞組的溫度分布情況如圖4所示。本文以該工況下的端部繞組的溫度為電機(jī)冷卻的目標(biāo)，作為系統(tǒng)理論基本油量設(shè)計(jì)的冷卻部分的油量參考。

圖4 電機(jī)端部繞組溫度分布示意圖

關(guān)于電機(jī)發(fā)熱功率，結(jié)合電機(jī)的設(shè)計(jì)綜合效率90%，求得電機(jī)發(fā)熱功率。由于電機(jī)的主要冷卻方式是傳導(dǎo)散熱，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)電機(jī)的散熱完全依賴電驅(qū)系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)的散熱功能，即電機(jī)產(chǎn)生的熱量全部由冷卻介質(zhì)帶走，同時(shí)在油泵正常運(yùn)行時(shí)，冷卻循環(huán)的油道充滿潤(rùn)滑油，根據(jù)公式（1），計(jì)算油泵的流量Q。結(jié)合油道結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度L，考慮到潤(rùn)滑油回油需要時(shí)間，故提出回油系數(shù)CL，取1.1；根據(jù)公式（2），計(jì)算滿足電機(jī)冷卻需求的基本冷卻油量V1：

?（1）

V1=Q?L?CL（2）

由于電驅(qū)系統(tǒng)的潤(rùn)滑轉(zhuǎn)化為變速器的潤(rùn)滑。本文研究樣機(jī)中潤(rùn)滑方式還是以飛濺潤(rùn)滑為主，主動(dòng)潤(rùn)滑為輔。飛濺潤(rùn)滑的油量確定方法可以依據(jù)傳統(tǒng)變速器的潤(rùn)滑油確定原則，減速器靜置時(shí)，最低油液面要淹沒(méi)豎直方向上位置最低齒輪的輪齒的齒頂圓，如圖5所示，將數(shù)模導(dǎo)入計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics, CFD）仿真軟件nanoFluidX，計(jì)算得滿足變速器潤(rùn)滑需要的基本潤(rùn)滑油量V2。

圖5 最低變速器潤(rùn)滑液面高度

綜上所述，滿足電機(jī)冷卻的油量V1和滿足變速器潤(rùn)滑的油量V2，兩部分油量之和為油冷電驅(qū)集成系統(tǒng)的理論基本油量V0。

V0=V1+V2（3）

一般電驅(qū)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，系統(tǒng)效率就基本確定。為了進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)效率，同時(shí)也能有效控制產(chǎn)品成本，優(yōu)化油冷電驅(qū)系統(tǒng)油量有著重要的意義。在滿足電驅(qū)系統(tǒng)冷卻和潤(rùn)滑的基本需求之后，如何進(jìn)一步提高效率是下面探討的問(wèn)題。由于需要綜合考慮電機(jī)發(fā)熱、變速器潤(rùn)滑和齒輪攪油等對(duì)電驅(qū)系統(tǒng)綜合效率的影響，考慮到CFD流體仿真模型跟多偏向于定性的分析，故采用試驗(yàn)的方法來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化油冷電驅(qū)系統(tǒng)的油量。

3 優(yōu)化系統(tǒng)油量試驗(yàn)

優(yōu)化系統(tǒng)油量試驗(yàn)，建立在系統(tǒng)效率最優(yōu)的前提之下，基于傳動(dòng)系統(tǒng)效率試驗(yàn)的試驗(yàn)方法，采用WLTC工況、高速工況和高扭工況三種工況結(jié)合作為試驗(yàn)工況進(jìn)行試驗(yàn)。

在三合一綜合試驗(yàn)臺(tái)對(duì)本文研究的樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)依據(jù)主要是《純電動(dòng)乘用車用減速器總成技術(shù)條件》（QC/T 1022－2015）和《S1T40A三合一電驅(qū)系統(tǒng)傳動(dòng)效率試驗(yàn)大綱》，樣機(jī)的基本參數(shù)如表1所示。

表1 160 kW油冷三合一電驅(qū)系統(tǒng)的基本參數(shù)表

上文計(jì)算的理論基本油量為2.3 L，試驗(yàn)分五組進(jìn)行，基于控制變量法，確保五組試驗(yàn)條件的區(qū)別僅在于試驗(yàn)箱中的注油量，五次傳動(dòng)效率試驗(yàn)的試驗(yàn)油量分別是2.3 L、2.4 L、2.5 L、2.6 L、2.7 L，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。本樣機(jī)在油量為2.5 L時(shí)，系統(tǒng)的平均綜合效率最高。

表2 不同油量下，樣機(jī)的平均綜合傳動(dòng)效率對(duì)比

4 結(jié)論與展望

本文基于某160 kW的油冷三合一電驅(qū)系統(tǒng)的油量進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，建立了一套適用于油冷電驅(qū)系統(tǒng)的油量設(shè)計(jì)方法，詳細(xì)說(shuō)明了該套方法在實(shí)際產(chǎn)品上的應(yīng)用，得到該套系統(tǒng)的最佳油量。

審核編輯：黃飛