純電動(dòng)汽車(chē)對(duì)傳動(dòng)液的要求

張丙伍，陳星宇，朱潔

(江蘇雙江能源科技股份有限公司，江蘇 江陰 214431)

0 引言

我國(guó)是能源進(jìn)口依賴(lài)度較大的國(guó)家之一，能源緊缺是全球所面臨的越來(lái)越嚴(yán)峻的問(wèn)題，關(guān)系到經(jīng)濟(jì)與軍事安全。2020年中國(guó)向世界莊嚴(yán)承諾，將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更有利的政策和舉措，力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到二氧化碳排放峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，從相對(duì)減排到絕對(duì)減排[1]。

汽車(chē)在給人類(lèi)帶來(lái)便利的同時(shí)也嚴(yán)重污染生態(tài)環(huán)境，其發(fā)展導(dǎo)致了石油資源的巨大消耗，燃油車(chē)的尾氣排放會(huì)導(dǎo)致溫室效應(yīng)，同時(shí)也會(huì)引起臭氧層的破壞，形成酸雨等環(huán)境問(wèn)題。為降低對(duì)石油能源的依賴(lài)及減少碳排放，全球汽車(chē)行業(yè)正在向電動(dòng)化大步邁進(jìn)。

近年來(lái)純電動(dòng)汽車(chē)在中國(guó)市場(chǎng)發(fā)展迅猛，明顯展現(xiàn)出引領(lǐng)全球市場(chǎng)的趨勢(shì)。據(jù)中汽協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)報(bào)道，截至2021年6月底，全國(guó)新能源汽車(chē)保有量達(dá)603萬(wàn)輛，占汽車(chē)總量的2.1%。其中純電動(dòng)汽車(chē)保有量493萬(wàn)輛，占新能源汽車(chē)總量的81.7 %[2]。隨著電池及快充技術(shù)的突破，預(yù)計(jì)未來(lái)純電動(dòng)汽車(chē)的占比更高。

1 純電動(dòng)汽車(chē)工作原理

純電動(dòng)汽車(chē)是完全由可充電電池提供動(dòng)力源，以電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的汽車(chē)。和傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)相比，純電動(dòng)汽車(chē)取消了發(fā)動(dòng)機(jī)，增加了電源系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等新機(jī)構(gòu)。由于以上系統(tǒng)功能的改變，純電動(dòng)汽車(chē)由新的四大部分組成，即電力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、底盤(pán)、車(chē)身和輔助系統(tǒng)[3]，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作原理為車(chē)載動(dòng)力電池輸出電能，通過(guò)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生動(dòng)力，再通過(guò)減速機(jī)構(gòu)，將動(dòng)力傳給驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，使車(chē)輛行駛。

圖1 純電動(dòng)汽車(chē)結(jié)構(gòu)示意

2 純電動(dòng)汽車(chē)和傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)比較

從動(dòng)力方面看，純電動(dòng)汽車(chē)是電能直接驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛，電能可來(lái)自風(fēng)能、太陽(yáng)能、水力發(fā)電等清潔能源，而傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)使用化石燃料為動(dòng)力來(lái)源；從結(jié)構(gòu)方面看，純電動(dòng)汽車(chē)無(wú)發(fā)動(dòng)機(jī)，而是用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)艙減少了很多部件，例如發(fā)動(dòng)機(jī)、進(jìn)排氣、排氣消聲等配置。因動(dòng)力、結(jié)構(gòu)和工作原理的不同，兩者的性能比較見(jiàn)表1。

表1 純電動(dòng)汽車(chē)和傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)比較

3 純電動(dòng)汽車(chē)對(duì)傳動(dòng)液特殊要求

純電動(dòng)汽車(chē)的電驅(qū)動(dòng)變速箱中增加了電機(jī)，其輸入轉(zhuǎn)速較高，單級(jí)減速箱的轉(zhuǎn)速可達(dá)12000～20000 r/min，而傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)最高轉(zhuǎn)速為6000～8000 r/min。高轉(zhuǎn)速產(chǎn)生高摩擦，進(jìn)而產(chǎn)生高溫，并且一般電機(jī)是油浸式潤(rùn)滑和冷卻，油溫一般可達(dá)到100 ℃甚至更高；電動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)電壓一般為336 V或384 V，電動(dòng)大客車(chē)一般是580～600 V。隨著電氣化技術(shù)的不斷發(fā)展，需要油品在更高溫度、更高系統(tǒng)電壓、更多電子元器件以及更高轉(zhuǎn)速的工作環(huán)境下進(jìn)行潤(rùn)滑，因此對(duì)傳動(dòng)液產(chǎn)生了新的要求，這些新的性能主要包括如電性能、熱特性、銅腐蝕和摩擦磨損性能等[4-7]。

3.1 電性能

純電動(dòng)汽車(chē)在比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)高得多的電流條件下運(yùn)行，從而引發(fā)了人們對(duì)潛在安全問(wèn)題的關(guān)注。過(guò)高的導(dǎo)電性會(huì)導(dǎo)致泄漏，這可能導(dǎo)致電機(jī)關(guān)鍵部件受到電擊或短路的風(fēng)險(xiǎn)。如果流體作為絕緣體過(guò)于有效，靜電荷就會(huì)積聚，直到導(dǎo)致放電，從而損壞車(chē)輛中的部件，這顯然是不可接受的[8]。為了避免上述兩種風(fēng)險(xiǎn)，必須選擇在整個(gè)傳動(dòng)液使用壽命期間具有適當(dāng)電阻和介電強(qiáng)度的傳動(dòng)液。

傳動(dòng)液的導(dǎo)電性也可以通過(guò)在基礎(chǔ)油中添加添加劑來(lái)改變，其中降低導(dǎo)電性的添加劑包括水楊酸鈣、烷基磺酸鈣、離子液體、硬脂酸等，增加導(dǎo)電性的添加劑包括ZDDP(二烷基二硫代磷酸鋅)、MoDTC(二烷基二硫代氨基甲酸鉬)、聚異丁烯琥珀酰亞胺等[9-10]。另外，傳動(dòng)液中的水分及極性添加劑會(huì)使電阻率降低，介損增加，擊穿電壓也會(huì)下降；而懸浮的顆粒尤其是金屬顆粒會(huì)在電場(chǎng)的作用下形成電橋，降低油品的擊穿電壓。純電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)在高速下運(yùn)轉(zhuǎn)，易在傳動(dòng)液中產(chǎn)生氣泡，加之變速箱體積小，消泡空間受限，會(huì)進(jìn)一步加劇氣泡的形成，導(dǎo)致其絕緣性能下降[11]。

評(píng)估傳動(dòng)液的介電性能時(shí)需要考慮下列因素：

電阻率：是用來(lái)表示各種物質(zhì)電阻特性的物理量，測(cè)試方法可參考GB/T 10581《絕緣材料在高溫下電阻和電阻率的試驗(yàn)方法》，即某種材料制成的長(zhǎng)為1 m，橫截面積為1 m2的導(dǎo)體的電阻，在數(shù)值上等于這種材料的電阻率。理想情況下，電阻不應(yīng)低于千歐姆，以避免電流流動(dòng)，也不應(yīng)高于千兆歐姆，以避免靜電沖擊。

介質(zhì)損耗因數(shù)(tanδ)：指的是絕緣材料在電場(chǎng)作用下，由于介質(zhì)電導(dǎo)和介質(zhì)極化的滯后效應(yīng)，在其內(nèi)部引起的能量損耗，也叫介質(zhì)損失或損耗角正切，簡(jiǎn)稱(chēng)介損。電阻率和介損的測(cè)試方法可參考GB/T 5654 《液體絕緣材料相對(duì)電容率、介質(zhì)損耗因數(shù)和直流電阻率的測(cè)量》。

擊穿電壓：電介質(zhì)在足夠強(qiáng)的電場(chǎng)作用下將失去其介電性能成為導(dǎo)體，稱(chēng)為電介質(zhì)擊穿,所對(duì)應(yīng)的電壓稱(chēng)為擊穿電壓，通常以千伏(kV)表示，測(cè)試方法可參考GB/T 507《絕緣油擊穿電壓測(cè)定法》。絕緣油在室溫下通常具有50 ～100 kV的擊穿電壓。

3.2 熱性能

純電動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)產(chǎn)生大量的熱，尤其是在大功率輸入的情況下，電機(jī)線(xiàn)圈瞬間會(huì)高達(dá)180 ℃。線(xiàn)圈的有效冷卻可以更好地利用電動(dòng)機(jī)并提高車(chē)輛效率，但對(duì)潤(rùn)滑劑提出了更高的熱負(fù)荷要求，其傳動(dòng)液必須是熱穩(wěn)定的，且比傳統(tǒng)的變速箱油具有更好的傳熱特性[12]。

物質(zhì)的傳熱特性可用牛頓冷卻定律衡量，它是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性的關(guān)系，其表述一個(gè)物體所損失熱量的速率與物體和其周?chē)h(huán)境間的溫度差成比例，具體見(jiàn)公式(1)、(2)：

Q=hA(TW-Tf)

(1)

式(1)中：

Q——熱量傳遞，W；

A——傳熱面積，m2；

TW——固體表面溫度，K；

Tf——液相溫度，K；

h——傳熱系數(shù)，和介質(zhì)的密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)成正比例關(guān)系，和介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)黏度成反比例關(guān)系。

h∝ρ0.33Cp0.33K0.67V-0.17

(2)

式(2)中：

ρ——密度，kg/m3；

Cp——比熱容，kJ/(kg·K)；

K——導(dǎo)熱系數(shù)，W；

V——運(yùn)動(dòng)黏度，mm2/s。

Keiichi Narita研究表明[12]，API Ⅲ類(lèi)基礎(chǔ)油的冷卻性能高于環(huán)烷基基礎(chǔ)油，聚α-烯烴(PAO)具有較高的冷卻速度；無(wú)支鏈的長(zhǎng)鏈基礎(chǔ)油傳熱速度快，分子鏈較短且含有大量甲基支鏈的基礎(chǔ)油的傳熱效率較低。作者分析認(rèn)為對(duì)于傳動(dòng)液等相對(duì)低分子質(zhì)量的化合物，傳熱是由分子間碰撞產(chǎn)生的熱振動(dòng)能決定的，分子鏈長(zhǎng)度的影響最大。當(dāng)分子處于流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，由于碳-碳鍵的旋轉(zhuǎn)，鏈長(zhǎng)較長(zhǎng)的分子運(yùn)動(dòng)范圍較大，具有和相鄰分子高頻碰撞的優(yōu)勢(shì)，因此其分子鏈移動(dòng)較多；相反，在具有較多分支的較短分子鏈中，分子鏈移動(dòng)較少且與相鄰分子碰撞的頻率較低。

3.3 銅腐蝕性能

最新的電動(dòng)機(jī)和電池對(duì)于熱管理的需求已經(jīng)很大，但隨著更大容量電池的應(yīng)用及電池充電速度的不斷提高，預(yù)計(jì)熱管理的需求還會(huì)繼續(xù)增加。電動(dòng)汽車(chē)比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)含有更多的銅，其中大部分都攜帶電流，且一些部件與傳動(dòng)液或冷卻劑直接接觸，因此特別需要避免銅腐蝕，設(shè)計(jì)與銅高度兼容的傳動(dòng)液至關(guān)重要，測(cè)試方法可參照ASTM D130 《石油產(chǎn)品銅片腐蝕試驗(yàn)法》。

3.4 與其他材料的相容性

由于傳動(dòng)液與車(chē)輛的電氣和電子部件直接接觸，因此還需要與涂層中使用的不同材料兼容，保證傳動(dòng)液和不同材料浸泡一定時(shí)間后的長(zhǎng)度變化、硬度變化和體積變化在一定范圍內(nèi)。測(cè)試方法可參考ASTM D5662 《汽車(chē)齒輪油與典型油封彈性體兼容性試驗(yàn)法》。

3.5 運(yùn)動(dòng)黏度

純電動(dòng)汽車(chē)的傳動(dòng)液既用來(lái)潤(rùn)滑減速器又用來(lái)冷卻電動(dòng)機(jī)，一部分傳動(dòng)液淋灑在電動(dòng)機(jī)的定子和線(xiàn)圈上對(duì)其進(jìn)行冷卻，另一部分直接將傳動(dòng)液通入空心的太陽(yáng)輪軸，再經(jīng)過(guò)分油路潤(rùn)滑行星齒輪軸及其軸承。所以其黏度應(yīng)該適中，既要有較好的流動(dòng)性保證冷卻效果，又要有足夠的黏度保證潤(rùn)滑效果。

3.6 其他性能

電動(dòng)汽車(chē)電動(dòng)輪的工況相對(duì)惡劣，上要支撐車(chē)身的質(zhì)量，下要承受車(chē)輪的振動(dòng)，轉(zhuǎn)速高、體積小，運(yùn)轉(zhuǎn)速度更高，熱負(fù)荷條件苛刻[13]，因此對(duì)傳動(dòng)液的摩擦系數(shù)、持久的耐磨性和可靠的耐沖擊性能、氧化安定性和熱安定性以及抗泡性能均提出了更高的性能要求[14-15]。

4 純電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)液的研發(fā)

4.1 添加劑選擇

純電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)液研發(fā)所選擇的添加劑可借鑒傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)油和車(chē)輛齒輪油的添加劑的性能，但也要注意它們之間的性能差異，具體見(jiàn)表2。

表2 添加劑在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)油和純電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)液中的作用

例如，Tang T. H. -Z研究表明[16]，為了保持電動(dòng)汽車(chē)變速箱高溫清凈性，變速箱油中需要添加清凈劑和分散劑，清凈劑具有清凈性和抗腐蝕性能，但會(huì)增加油品的電導(dǎo)率；而含N、P和B元素的分散劑，當(dāng)((B+P)/N質(zhì)量比從0.1到0.8∶1.0的區(qū)間具有較低電導(dǎo)率和油品分散性，因此需要綜合考慮。

4.2 純電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)液研發(fā)現(xiàn)狀

自 2018 年底以來(lái)，多家歐美公司推出了專(zhuān)門(mén)為電動(dòng)乘用車(chē)銷(xiāo)售的傳動(dòng)液，包括道達(dá)爾、摩特、馬石油、殼牌、埃克森美孚、福斯、嘉實(shí)多和勝牌。然而，仍有一些OEM(原始設(shè)備制造商)認(rèn)為市場(chǎng)銷(xiāo)售的純電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)液還不能完全滿(mǎn)足要求，這一類(lèi)特殊油品的研發(fā)還亟待開(kāi)展。

5 結(jié)論

(1)“碳達(dá)峰、碳中和”是中國(guó)轉(zhuǎn)型的的巨大驅(qū)動(dòng)力，促進(jìn)了純電動(dòng)汽車(chē)的飛速發(fā)展，并將相應(yīng)地促進(jìn)純電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)液的發(fā)展。

(2)純電動(dòng)汽車(chē)和傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的工作原理及結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致二者對(duì)傳動(dòng)液的性能要求差距較大，純電動(dòng)汽車(chē)對(duì)傳動(dòng)液的電性能、熱性能以及銅腐蝕等提出了更高的要求。

(3)不同種類(lèi)的基礎(chǔ)油會(huì)對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)液的熱性能產(chǎn)生不同的影響，不同種類(lèi)的添加劑也會(huì)對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)液的電性能和腐蝕性能等產(chǎn)生不同的影響，應(yīng)結(jié)合實(shí)際工況的需求，做好基礎(chǔ)油和添加劑的平衡搭配與設(shè)計(jì)。