電動(dòng)汽車驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)用潤滑油性能要求及研究進(jìn)展

王燕，王凱明，張霞玲

(中國石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司，新疆 克拉瑪依 834000)

0 引言

為了減少石油消耗和碳排放，傳統(tǒng)燃油汽車將面臨被替代的局面，很多國家及汽車企業(yè)都已制定停止和生產(chǎn)銷售傳統(tǒng)燃油汽車時(shí)間表，新能源汽車已經(jīng)成為汽車工業(yè)的重要發(fā)展方向，國家持續(xù)出臺(tái)相關(guān)政策和戰(zhàn)略，全力推動(dòng)新能源汽車行業(yè)的發(fā)展。市場調(diào)研公司IHS Markit預(yù)測，2030年前各類電動(dòng)汽車的市場總份額將會(huì)達(dá)到40%～70%左右。中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，中國新能源汽車在2019年的銷量為120.6萬輛，雖說沒有預(yù)期之多，但中國依然連續(xù)四年位居全球新能源汽車產(chǎn)銷第一大國，從2020年7月份開始，新能源汽車迎來恢復(fù)性增長，當(dāng)月銷量接近10萬臺(tái)，同比增長了19.3%，這對油品行業(yè)來說是一個(gè)不錯(cuò)的信號(hào)，因?yàn)槠嚠a(chǎn)業(yè)發(fā)展動(dòng)向被認(rèn)為是油品行業(yè)的風(fēng)向標(biāo)[1]。

在全球各地，尤其在中國和歐盟區(qū)域穩(wěn)定增長的混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車的數(shù)量，將對潤滑油技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生影響。新能源汽車包括純電動(dòng)汽車、增程式電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車和燃料電池電動(dòng)汽車等[2]，本文主要介紹純電動(dòng)汽車驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)用潤滑油性能要求及研究進(jìn)展。

早期電動(dòng)汽車通常采用的是通用型電機(jī)——由傳統(tǒng)燃油汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的一些軸承和零件組成。而在新型電動(dòng)汽車上，為使傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)緊湊，傳遞部件少，并能夠最大限度的降低功率損耗、減輕機(jī)件磨損、冷卻摩擦副，通常電機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)部分已逐步采用一體化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[3]，電動(dòng)汽車的驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)正由通用化向?qū)Ｓ没较虬l(fā)展，這給潤滑油的冷卻性、絕緣性和抗腐蝕性方面都提出了新的挑戰(zhàn)，能夠適應(yīng)更復(fù)雜工作環(huán)境、兼容性更強(qiáng)的產(chǎn)品，將是車用潤滑油未來的發(fā)展趨勢。因此，了解電動(dòng)汽車驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展和驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)用潤滑油的特點(diǎn)及發(fā)展趨勢，對未來電動(dòng)汽車驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)專用潤滑油的研發(fā)具有重要意義。

1 電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)燃油汽車用油的不同之處

對于混動(dòng)汽車來說，傳統(tǒng)燃油汽車的動(dòng)力系統(tǒng)依然存在，但是增加了電動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)等；對于純電動(dòng)汽車來說，由于完全由電池提供動(dòng)力，沒有發(fā)動(dòng)機(jī)，因此不需要使用發(fā)動(dòng)機(jī)油，但是電動(dòng)汽車的其他傳動(dòng)系統(tǒng)用油依然存在[4]。

從燃油汽車升級(jí)到混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車，對于汽車潤滑領(lǐng)域會(huì)有兩大變化：第一個(gè)變化是傳統(tǒng)部件潤滑油和潤滑脂的變化，也就是說，傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)油會(huì)升級(jí)成混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)油和用于混合動(dòng)力變速器的電驅(qū)系統(tǒng)油；第二個(gè)變化是新能源汽車新增零部件所需的油品，例如電池冷卻液、電池外殼的腐蝕抑制劑以及電機(jī)軸承潤滑脂等。

2 電動(dòng)汽車驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)用潤滑油的研究進(jìn)展

2.1 電動(dòng)汽車驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)潤滑油性能要求

考慮到成本和研發(fā)的問題，也許還有很多人認(rèn)為傳統(tǒng)燃油汽車的潤滑油是可以直接應(yīng)用于電動(dòng)汽車中，但其實(shí)這是不可行的，因?yàn)殡妱?dòng)汽車的系統(tǒng)更加復(fù)雜，整合了數(shù)量龐大的電子元器件，電機(jī)系統(tǒng)對油品的需求更為苛刻。因此，電動(dòng)汽車潤滑用油在化學(xué)和物理性能要求方面面臨非常多的挑戰(zhàn)[5-6]。

首先，變速箱油要在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)所產(chǎn)生的高溫下保持很好的氧化安定性，同時(shí)發(fā)揮高效的散熱性能。由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速非常高，一般的電機(jī)轉(zhuǎn)速每分鐘達(dá)到1.5萬轉(zhuǎn)，有的甚至超過了2萬轉(zhuǎn)，其運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的溫度可在瞬間達(dá)到非常高的水平，相比水冷來說，油冷的速度會(huì)慢一些。因此，在制定潤滑油配方時(shí)，必須考慮高溫下散熱效率和穩(wěn)定的氧化安定性能，保護(hù)機(jī)械部件免受損耗，同時(shí)針對高轉(zhuǎn)速的軸承，需要提供非常好的抗泡沫特性。

其次，需要提供非常好的冷卻能力，潤滑油黏度越小，油越薄，散熱性越好，這對電機(jī)有好處，但相對較薄的油膜又不利于對減速器內(nèi)齒輪和軸承的保護(hù)。這對潤滑油的黏度指數(shù)提出了挑戰(zhàn)。

第三，良好的電化學(xué)性能。為了提高潤滑油的高低溫性能和對齒輪的保護(hù)，潤滑油中添加的一些活性元素(比如硫、磷等)會(huì)對銅線等產(chǎn)生腐蝕，因此對潤滑油與電器元件的相容性提出了更高要求。所以，研究潤滑油配方時(shí)要同時(shí)考慮高低溫性能、對齒輪的保護(hù)、以及與電器元件的相容性、導(dǎo)電率控制等多方面要求。從而增加變速箱油的耐久性，延長換油周期。

2.2 國外研究進(jìn)展

國外對電動(dòng)汽車的研究起步較早，已對電動(dòng)汽車驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)用潤滑油開展了一些研究工作。一些大的汽車制造商已制定了電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)用潤滑油相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如通用汽車公司的GM 9986144標(biāo)準(zhǔn)，GM 9986144標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求見表1。

表1 GM 9986144標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求

表1(續(xù))

此外，還要求電動(dòng)汽車驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)用潤滑油必須通過以下兩項(xiàng)試驗(yàn)：

(1)旋轉(zhuǎn)損失試驗(yàn)：在油溫為40 ℃時(shí)，分別測定時(shí)速56.4 km、80.5 km和112.7 km時(shí)的旋轉(zhuǎn)損失，要求測定值不能超過美孚參考油XRL-1957AA-6的測定值。

(2)橡膠相容性試驗(yàn)：通用汽車公司制定了GM 6297M標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)價(jià)車用潤滑油與多種橡膠的相容性，測試條件根據(jù)油品類型而定。

尼桑公司的專利US 2011/0092402 A1介紹了一種汽車傳動(dòng)油組合物，其是由基礎(chǔ)油與含磷添加劑組成的。該潤滑油組合物的運(yùn)動(dòng)黏度(80 ℃)為1.5～4.0 mm2/s，體積電阻率(80 ℃)在1×107Ω·m以上，該潤滑油組合物適用于混合動(dòng)力汽車或電動(dòng)汽車的驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)。這種汽車傳動(dòng)油組合物組成配比見表2，其性能參數(shù)測定結(jié)果見表3。

表2 汽車傳動(dòng)油組合物的組成配比

表3 汽車傳動(dòng)油組合物的性能參數(shù)

日本出光興產(chǎn)株式會(huì)社的專利CN 107429186 A介紹了一種齒輪特性、離合器特性、冷卻性和電絕緣性優(yōu)異的電動(dòng)汽車或混合動(dòng)力車用潤滑油組合物。組成配比及其性能參數(shù)測定結(jié)果見表4[7]。

表4 組成配比及其性能參數(shù)測定結(jié)果

表4(續(xù))

日本吉坤日礦日石能源株式會(huì)社的專利CN 104560297 A介紹了一種低溫流動(dòng)性和剪切穩(wěn)定性優(yōu)異、能夠節(jié)油耗能的耐摩耗性和疲勞壽命優(yōu)異的混合動(dòng)力車或電動(dòng)汽車的減速器用潤滑油組合物。其基礎(chǔ)油選用的是合成油，組成配比及其性能參數(shù)測定結(jié)果見表5[8]。

表5 組成配比及其性能參數(shù)測定結(jié)果

2.3 國內(nèi)研究進(jìn)展

目前，國內(nèi)對電動(dòng)汽車驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)用潤滑油的研究還處于起步階段。江蘇龍?bào)纯萍脊煞萦邢薰镜臈畈俚劝l(fā)明了一種電動(dòng)汽車變速箱用潤滑油組合物及其制備方法(專利號(hào)CN 107828481 A[9])，該組合物包括添加劑4%～7%的聚甲基丙烯酸酯黏度指數(shù)改進(jìn)劑，變速箱油專用復(fù)合劑10%～13%，降凝劑0.3%～0.5%，該組合物的優(yōu)點(diǎn)是制得的油品在長期的高速剪切力作用下黏度保持不變，為電動(dòng)汽車變速箱提供可靠保護(hù)；具有優(yōu)異的剪切穩(wěn)定性、出眾的低溫流變性和在較低的劑量下可大幅提高油品的高溫增稠能力，具有良好的分散性，可減少油品氧化物的沉積，配合與變速箱專用復(fù)合劑使用，提高油品的清凈分散性能；中國石油天然氣股份有限公司的姚元鵬等發(fā)明了一種電動(dòng)車傳動(dòng)系統(tǒng)用潤滑油組合物(專利號(hào)CN 105087113 A[10])，該組合物包括至少一種高黏度指數(shù)深精制礦物油，或PAO，或烷基苯，或烷基萘，或以上組分的任意組合物，再添加黏度指數(shù)改進(jìn)劑、抗磨劑、金屬鈍化劑、抗氧劑、分散劑、金屬清凈劑、抗泡劑，該組合物具有優(yōu)良的絕緣性能，新油擊穿電壓超過70 kV，老化后油品的擊穿電壓超過60 kV，同時(shí)具有良好的潤滑冷卻性能和摩擦特性。2011年8月，中國石油潤滑油公司與上海交通大學(xué)共建聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，開發(fā)出電動(dòng)車傳動(dòng)系統(tǒng)專用潤滑油，但還未見市售產(chǎn)品。開發(fā)滿足電動(dòng)汽車制造商要求、適用于新型電動(dòng)汽車的專用潤滑油，應(yīng)該是潤滑油和添加劑公司需要及早考慮的問題。

2.4 小結(jié)

根據(jù)文獻(xiàn)查詢對比分析，電動(dòng)汽車潤滑用油在化學(xué)和物理性能要求方面面臨非常多的挑戰(zhàn)，主要有：(1)優(yōu)異的抗氧化性能、抗磨性能；(2)黏度小，黏度指數(shù)高；(3)優(yōu)異的絕緣性能。對比情況見表6。

表6 國內(nèi)外電動(dòng)汽車用潤滑油性能對比

3 電動(dòng)汽車驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)用潤滑油在我國的發(fā)展前景

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年1-12月，國內(nèi)新能源汽車產(chǎn)量124.2萬輛，同比下降2.3%，銷量120.6萬輛，同比下降4%；純電動(dòng)汽車產(chǎn)量102萬輛，同比增長3.4%，銷量97.2萬輛，同比下降1.2%，產(chǎn)銷量同比數(shù)據(jù)均好于同期整個(gè)新能源汽車市場。2019年新能源汽車產(chǎn)銷量首次出現(xiàn)下滑，在未來經(jīng)濟(jì)增速持續(xù)回落的大背景下，中國新能源汽車行業(yè)將可能持續(xù)回落[11]。但綜合來看，未來新能源汽車產(chǎn)業(yè)仍將是中國乃至全球汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)，具有廣闊的發(fā)展前景。一方面從能源的角度來看。近年來，我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速穩(wěn)定地發(fā)展，化石能源需求持續(xù)增長，對石油資源需求不斷增多，中國油氣資源的不足，能源供需矛盾的突出，對進(jìn)口石油的依賴度不斷提升。另一方面在汽車文化成熟的國家而言，汽車不只是一種交通工具，汽車的需求與居民個(gè)人意識(shí)、收入高度相關(guān)[12]?？偟膩砜?，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，居民收入的增長，對汽車的需求仍將持續(xù)增長。與德國、日本、韓國、以及美國等發(fā)達(dá)國家以及其他中等收入國家相比，中國汽車千人保有量仍處于相對較低的水平，具有較高的提升空間[13]。而單靠傳統(tǒng)燃油汽車，在很大程度上會(huì)導(dǎo)致石油資源的高度緊張。并且當(dāng)原油或者燃料油供給不足時(shí)，甚至?xí)鹕鐣?huì)動(dòng)蕩，影響社會(huì)穩(wěn)定[14]。因此發(fā)展新能源汽車在某種程度上可以說是由我國資源決定的一種必要的也必須發(fā)展的汽車技術(shù)路線。而從汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢來看，電子化是汽車功能發(fā)展與提升的不變趨勢。隨著信息化時(shí)代的到來，汽車的電子化逐漸呈現(xiàn)出網(wǎng)聯(lián)化、智能化的探索，相對于傳統(tǒng)的燃油汽車，新能源汽車在電子化、智能化等方面具有絕對的先天性優(yōu)勢。

中國的新能源汽車廠商在之前很大程度上受補(bǔ)貼驅(qū)動(dòng)，為消費(fèi)者創(chuàng)造的新功能不足，與傳統(tǒng)的燃油汽車相比，僅僅是動(dòng)力結(jié)構(gòu)變化以及駕駛體驗(yàn)少量改變，消費(fèi)者購買的動(dòng)力在很大程度上來自于補(bǔ)貼與稅收的減免，當(dāng)補(bǔ)貼退坡，行業(yè)自然陷入較大的困境[14]。總的說來，新能源汽車這一技術(shù)路線不具備競爭力，實(shí)際上是中國的汽車廠商在高端市場競爭力較弱。未來隨著行業(yè)內(nèi)企業(yè)的發(fā)展，市場競爭進(jìn)一步激化，預(yù)計(jì)中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)將進(jìn)入一段調(diào)整期，市場集中度將會(huì)顯著提升。

傳統(tǒng)燃油汽車的驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)和潤滑油都需要定期保養(yǎng)，與之相比，電動(dòng)汽車的保養(yǎng)工作量相對較少，電動(dòng)汽車也因此備受稱贊。但事實(shí)上，電動(dòng)汽車的驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)還是離不開合適的潤滑油，而且就很多方面而言，它對潤滑油性能提出的難題絲毫不亞于燃油汽車的驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)。

電動(dòng)汽車驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)對潤滑油提出的最大難題在于：電動(dòng)汽車的電機(jī)可以在轉(zhuǎn)速為0的條件下輸出最大扭矩。與此同時(shí)，電動(dòng)汽車必須通過采用黏度更低的油品和減少接觸面積，以實(shí)現(xiàn)最高的傳動(dòng)能效和續(xù)航里程，這需要精心調(diào)制出合適的潤滑油添加劑配方，才能在所有的運(yùn)行條件下，既能保證油膜具備足夠的強(qiáng)度，又能使摩擦降至最小[15]。

在2020年6月份，福斯已經(jīng)與中國著名的電驅(qū)動(dòng)公司浙江龍芯簽署了戰(zhàn)略合作協(xié)議，共同探討開發(fā)電動(dòng)車潤滑油的整體解決方案。2020年11月召開的國際汽車變速器及驅(qū)動(dòng)技術(shù)研討會(huì)上殼牌推出E-fluids系列潤滑油——針對集成式電驅(qū)系統(tǒng)推出的專用潤滑油，它不僅具備常規(guī)潤滑油的功能，而且還具備良好的絕緣性能以保護(hù)驅(qū)動(dòng)箱內(nèi)的電路系統(tǒng)，同時(shí)還兼具為電機(jī)散熱以及確保電路中的銅制導(dǎo)線不被腐蝕等功效。

4 結(jié)論

車用潤滑油是潤滑油市場的重要增長因素，隨著汽車產(chǎn)銷量及保有量的增長，車用潤滑油的需求也會(huì)隨之增長。電動(dòng)汽車目前還是沿用傳統(tǒng)燃油汽車潤滑油，但未來隨著電機(jī)、驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展變化，需要使用配套的專用潤滑油，這對潤滑油行業(yè)提供了更多的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。相對于傳統(tǒng)燃油汽車變速箱，電驅(qū)變速箱中增加了電機(jī)，所以油品必須具備優(yōu)異的絕緣性能，同時(shí)還需具有良好的氧化安定性能、剪切穩(wěn)定性、抗磨損性能和摩擦特性等。