混動(dòng)變速器潤(rùn)滑油體積電阻率的影響因素研究

遲涵文

廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院

供圖/遲涵文

中國(guó)新能源汽車(chē)技術(shù)歷經(jīng)30 年的發(fā)展，通過(guò)大量科研項(xiàng)目的攻關(guān)、產(chǎn)業(yè)鏈布局的逐步完善及政策的大力扶持，培育出中國(guó)的新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)。2018 年我國(guó)新能源汽車(chē)銷(xiāo)量首次突破100 萬(wàn)輛，2022 年底我國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量突破688 萬(wàn)輛，以比亞迪、廣汽埃安為代表的自主品牌崛起，市場(chǎng)份額已超過(guò)合資品牌。助力汽車(chē)行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，在新能源汽車(chē)賽道上實(shí)現(xiàn)了彎道超車(chē)。

新能源汽車(chē)主要包括純電動(dòng)汽車(chē)、插電式混合動(dòng)力汽車(chē)和燃料電池汽車(chē)3 種類(lèi)型，在其傳動(dòng)系總成的技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，油冷化、集成化、輕量化、小體積的系統(tǒng)一直是主要趨勢(shì)。在如今高功率密度和高轉(zhuǎn)矩密度的條件下，采用傳統(tǒng)冷卻方式的驅(qū)動(dòng)電機(jī)散熱能力不足，使得車(chē)輛在最高車(chē)速和高寒等應(yīng)用環(huán)境下的使用都受到了限制，而油冷電機(jī)技術(shù)的應(yīng)用能夠很好地解決該問(wèn)題。潤(rùn)滑油絕緣性能良好，沸點(diǎn)比水高，凝點(diǎn)比水低，使之可以深入到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子、定子繞組等的內(nèi)部進(jìn)行更高效的熱交換，提高了電機(jī)的冷卻效率，提高軸承的潤(rùn)滑冷卻效果[1]；同時(shí)，減少了冷卻水道和風(fēng)扇等之后，可以使變速器結(jié)構(gòu)更加緊湊。

新技術(shù)帶來(lái)新材料，新材料面臨新挑戰(zhàn)。油冷技術(shù)之下，潤(rùn)滑油也不再僅僅考慮軸齒保護(hù)性能、防腐防銹性能、摩擦磨損性能等，還需要著重考慮電機(jī)材料的兼容性和潤(rùn)滑油材料本身的電學(xué)性能，這都是傳統(tǒng)車(chē)用潤(rùn)滑油未能關(guān)注的內(nèi)容，包括體積電阻率、導(dǎo)電率、擊穿電壓、介電常數(shù)等。鑒于油冷變速器使用的電氣部件越來(lái)越多，潤(rùn)滑油的電氣性能非常重要，為表征潤(rùn)滑油的絕緣性能和消除靜電耗散的能力，本文著重研究了體積電阻率的影響因素和設(shè)計(jì)限值[2]。

新能源混動(dòng)汽車(chē)變速器越來(lái)越多地使用集成油冷電機(jī)，面對(duì)變速器內(nèi)日益增多的電氣元件，潤(rùn)滑油的電氣特性受到廣泛關(guān)注。其中，體積電阻率是表征潤(rùn)滑油的絕緣性能及消除靜電耗散能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)。本文以一款市售混動(dòng)變速器潤(rùn)滑油為研究對(duì)象，從油品組成和使用狀況角度考察了其體積電阻率的影響因素。研究結(jié)果表明，基礎(chǔ)油體積電阻率在105 ～106 MΩ·m，成品潤(rùn)滑油的體積電阻率在6～150 MΩ·m，添加劑[ω（基礎(chǔ)油）：ω（復(fù)合添加劑包）=25:75]的體積電阻率在0.1～10 MΩ·m，均在絕緣范圍，添加劑的加入是成品油體積電阻率下降的主要原因；隨著潤(rùn)滑油的含水量上升（含水量≤3 000 mg/kg），體積電阻率有下降趨勢(shì)，而在125 ℃，含水量3 000 mg/kg時(shí)，油品體積電阻率為0.89 MΩ·m，依然是絕緣的；在10 萬(wàn)km 的行車(chē)試驗(yàn)中，試驗(yàn)油品的體積電阻率隨行駛里程的增加，從新油的150 MΩ·m 降低到90 MΩ·m 左右，這一體積電阻率的降低是由油品的高溫氧化、運(yùn)動(dòng)黏度降低及磨損金屬元素的增加共同導(dǎo)致的。

試驗(yàn)部分

試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為一款已量產(chǎn)混動(dòng)變速器潤(rùn)滑油的成品油，及其所使用的III 類(lèi)基礎(chǔ)油、復(fù)合添加劑包。成品油的理化性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 混動(dòng)變速器潤(rùn)滑油的理化性能參數(shù)

試驗(yàn)設(shè)備及測(cè)試方法

使用Tettex InstrumentsTM2830/2831 精密介電分析儀進(jìn)行體積電阻率測(cè)量，其能夠分析從室溫到150 ℃的液體樣品。每次測(cè)量前，用庚烷徹底清洗樣品池，并在氮?dú)猸h(huán)境下晾干，將40 mL 油樣放入一個(gè)帶屏蔽測(cè)量電極的圓柱形測(cè)試池中，當(dāng)樣品達(dá)到測(cè)試溫度時(shí)，施加500 V 直流電壓 60 s，得出導(dǎo)電率后計(jì)算出體積電阻率。

材料成分對(duì)成品油體積電阻率的影響

體積電阻率與導(dǎo)電率的關(guān)系

體積電阻率和導(dǎo)電率互為倒數(shù)關(guān)系。體積電阻率和導(dǎo)電率的計(jì)算公式如下：

式中：

ρ—體積電阻率，Ω·m；

R—電阻，Ω；

S—導(dǎo)體截面積，m2；

L—導(dǎo)體長(zhǎng)度，m；

κ—導(dǎo)電率，Ω-1·m-1(S/m)。

以純水的電學(xué)性能為例，其在25 ℃下的體積電阻率為1 000 MΩ·m，則對(duì)應(yīng)的導(dǎo)電率為10-9S/m。

基礎(chǔ)油和添加劑的體積電阻率

通過(guò)比較基礎(chǔ)油、成品油、復(fù)合添加劑包在不同溫度下的體積電阻率來(lái)研究其影響作用，因添加劑液體黏度過(guò)大，將25%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）基礎(chǔ)油+75%復(fù)合添加劑包進(jìn)行混兌，代表添加劑進(jìn)行測(cè)試?；靹?dòng)變速器潤(rùn)滑油不同組分的體積電阻率隨溫度變化值如圖1 所示（為方便比較液體體積電阻率數(shù)量級(jí)的差距，采用對(duì)數(shù)軸）。

圖1 混動(dòng)變速器潤(rùn)滑油不同組分的體積電阻率

由圖1 可以看出，與金屬導(dǎo)電性能相反，成品油和添加劑的體積電阻率隨著溫度增加而降低，lgρ與溫度基本呈線性關(guān)系，符合阿倫尼烏斯經(jīng)驗(yàn)公式的一般情況。但基礎(chǔ)油的電阻率在高溫時(shí)下降較快，阿倫烏尼斯方程呈非線性關(guān)系，猜測(cè)是試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生了高溫氧化反應(yīng)，產(chǎn)生一定的極性較強(qiáng)的氧化產(chǎn)物導(dǎo)致電阻率加速降低；含有添加劑的油不出現(xiàn)該現(xiàn)象，是因?yàn)樘砑觿?fù)合包中含有抗氧劑，在一定程度上抵制了氧化反應(yīng)的發(fā)生。油品整體電阻率隨溫度升高而降低的原理可以依據(jù)Walden 規(guī)則“溶液中極限摩爾電導(dǎo)率與黏度的乘積為一常數(shù)”來(lái)解釋[3]，是由于溫度升高油的黏度降低，電荷載體的流動(dòng)速度隨之增加，并且溫度增加提高了添加劑的溶解性，極性離子濃度增加，導(dǎo)致溶液中的體積電阻率進(jìn)一步降低。所以，體積電阻率隨溫度的變化是跟黏度變化相關(guān)的。

測(cè)試油樣（ 基礎(chǔ)油、 添加劑、成品油）的體積電阻率大約在0.1～106MΩ·m 范圍內(nèi)，但在整個(gè)材料體系里只是一個(gè)比較小的范圍而已，一般的金屬導(dǎo)體的體積電阻率約為10-14MΩ·m，絕緣體塑料的體積電阻率約為106～1010MΩ·m，因此認(rèn)定油在其電阻率范圍內(nèi)是絕緣的，不必?fù)?dān)心電機(jī)短路的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為如果油的體積電阻率過(guò)高，它在靜電消散方面的效果就會(huì)降低，可能導(dǎo)致電荷累積，靜電放電造成電機(jī)元器件損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

實(shí)際上，幾乎沒(méi)有一種絕緣材料是絕對(duì)不導(dǎo)電的，任何一種絕緣材料在其兩端施加電壓，總會(huì)有一定電流通過(guò)，這種電流的有功分量叫做泄漏電流，而這種現(xiàn)象也叫做絕緣體的泄漏。漏電電流是一定電氣設(shè)備工作時(shí)允許的漏電電流值的標(biāo)準(zhǔn)，旨在保障電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，ISO6469-3《電動(dòng)汽車(chē)的安全規(guī)范》中規(guī)定漏電電流不得高于2 mA。計(jì)算公式如下：

式中：

I——電流，A；

U——電壓，V；

a——變速器的腔體電阻常數(shù)，m/m2；

ρ——體積電阻率，Ω·m。

變速器的腔體電阻常數(shù)范圍在0.8 ～1.0 m/m2之間，取最小值0.8 m/m2，成品油體積電阻率取最高工作溫度100 ℃時(shí)為8.0 MΩ·m，設(shè)計(jì)電壓350 V，計(jì)算得到漏電量I為54.7μA，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于ISO 規(guī)定的漏電限值2 000μA。同理，a和I取最大值時(shí)，可計(jì)算得到安全體積電阻率的最小值，為0.175 MΩ·m，150 ℃之內(nèi)潤(rùn)滑油的體積電阻率設(shè)計(jì)值不應(yīng)低于此。

成品油是由添加劑與基礎(chǔ)油兩大類(lèi)組成的，成品油的體積電阻率略高于添加劑。基礎(chǔ)油的體積電阻率比成品油的體積電阻率高出 4～5個(gè)數(shù)量級(jí)，但是它們之間的黏度變化不超過(guò)2 倍，說(shuō)明添加劑的引入是影響體積電阻率的主要因素，而不是黏度的變化。添加劑中清凈分散劑等極性物質(zhì)有利于電荷遷移，電荷載體數(shù)量的增加導(dǎo)致成品油的體積電阻率大幅低于基礎(chǔ)油[4]。

使用狀況對(duì)成品油體積電阻率的影響

水分的影響

混動(dòng)變速器中油冷電機(jī)對(duì)于潤(rùn)滑油中含水量比較敏感，高壓元器件會(huì)使水分在一些存在壓差的死角富集，存在絕緣失效的風(fēng)險(xiǎn)。但是成品油中本身就存在著微量水分，在華南潮濕地區(qū)，車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程也會(huì)導(dǎo)致含水量的上升，因此對(duì)加水后的油水混合物體積電阻率進(jìn)行研究，測(cè)量25 ℃下的體積電阻率（測(cè)試方法：在成品油中加入一定量去離子水，機(jī)械攪拌0.5 h，攪拌泵速率15 000 r/min。），同時(shí)測(cè)量了相應(yīng)的擊穿電壓（采用ASTM D1816），結(jié)果如圖2 所示。

圖2 混動(dòng)變速器潤(rùn)滑油不同含水量下的體積電阻率及擊穿電壓

由圖2 可以看出，當(dāng)成品油中含水量在3 000 mg/kg 以下時(shí)，體積電阻率隨著含水量增加而降低，降低幅度保持在一個(gè)數(shù)量級(jí)。測(cè)試了125 ℃時(shí)3 000 mg/kg 含水量的油水混合物體積電阻率，結(jié)果為0.89 MΩ·m，仍然是絕緣的。水分子具有非常大的偶極矩，在溶液中很容易實(shí)現(xiàn)離子的溶解，而潤(rùn)滑油的碳?xì)浠衔锏呐紭O矩非常小，溶解離子的能力有限，水分子的增加可以提高帶電物質(zhì)的數(shù)量。同時(shí)，隨著含水量增加，油品擊穿電壓降低，從60 kV 降到16 kV，均高于空氣在此方法下的擊穿電壓（6 kV）。因此，認(rèn)為混動(dòng)潤(rùn)滑油中含水量低于3 000 mg/kg 時(shí)，電學(xué)性能依然保持穩(wěn)定。但實(shí)際使用過(guò)程中，考慮到一些添加劑存在水解和金屬的銹蝕，大多建議含水量控制在1 000 mg/kg 以?xún)?nèi)。

舊油的影響

在復(fù)雜的實(shí)際工況下，成品油的老化劣化等問(wèn)題也是其電學(xué)性能變化的重要影響因素。根據(jù)兩組10 萬(wàn)km 的混動(dòng)車(chē)輛行車(chē)試驗(yàn)來(lái)監(jiān)測(cè)油樣的理化性能指標(biāo)變化。更換混動(dòng)變速器內(nèi)的潤(rùn)滑油，重復(fù)3 次充分沖洗掉舊油，在試驗(yàn)場(chǎng)行駛20 min 磨合后取樣，記為0 km 油樣。后續(xù)(每10 000 km 取油樣100 mL進(jìn)行理化性能檢測(cè)，測(cè)量25 ℃下的體積電阻率，每30 000 km 定期補(bǔ)充新油。兩臺(tái)車(chē)的A 和B 油品的體積電阻率隨行駛里程的變化如圖3所示。兩臺(tái)車(chē)的理化性能數(shù)據(jù)接近，以A 車(chē)為例，運(yùn)動(dòng)黏度和磨損金屬元素含量隨行駛里程的變化如圖4所示。

圖3 兩組混動(dòng)變速器潤(rùn)滑油使用過(guò)程中的體積電阻率

圖4 A車(chē)混動(dòng)變速器潤(rùn)滑油使用過(guò)程中的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度和磨損金屬元素含量

由圖3 和圖4 可見(jiàn)，在整個(gè)行駛過(guò)程中，體積電阻率從130 MΩ·m 波動(dòng)下降到90 MΩ·m左右，變化量相對(duì)較小，基本保持穩(wěn)定。新油的體積電阻率150 MΩ·m，0 km 的體積電阻率降低至130 MΩ·m 左右，是因?yàn)槟ズ虾筮\(yùn)動(dòng)黏度下降3%導(dǎo)致的，后續(xù)運(yùn)動(dòng)黏度緩慢降低，總體變化率小于6%。并且磨合后，鐵、鋁含量增加了30～40 mg/kg，可能增加了導(dǎo)電性，因而電阻率降低。10 萬(wàn)km 行駛里程內(nèi)，含水量基本穩(wěn)定不變，在460～600 mg/kg 之間浮動(dòng)，酸值在整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)保持在0.95～1.27 mgKOH/g，可忽略含水量和酸值的影響。行車(chē)試驗(yàn)過(guò)程中，體積電阻率降低，是因?yàn)椋?/p>

◇油品高溫氧化后產(chǎn)生了更多的自由電子和酸、醛等極性物質(zhì)，增加了電荷載體；

◇潤(rùn)滑油的黏指劑等大分子物質(zhì)經(jīng)過(guò)齒輪剪切后導(dǎo)致油品運(yùn)動(dòng)黏度下降，引起一定的體積電阻率降低；

◇磨損金屬元素含量的增加，對(duì)導(dǎo)電性的增加也有一定影響。

結(jié)論

☆實(shí)驗(yàn)室所測(cè)成品潤(rùn)滑油的體積電阻率在10～103MΩ·m（工作溫度25～100 ℃）。行車(chē)試驗(yàn)中成品潤(rùn)滑油的體積電阻率實(shí)測(cè)值是90～130 MΩ·m，大于最小的安全體積電阻率0.175 MΩ·m，基本能夠滿(mǎn)足車(chē)輛安全行駛的需要。

☆體積電阻率隨溫度的變化是跟黏度變化相關(guān)的。成品油的體積電阻率略高于添加劑，基礎(chǔ)油的體積電阻率比成品油的體積電阻率高出 4～5 個(gè)數(shù)量級(jí)，添加劑的加入是成品油體積電阻率下降的主要原因。

☆普遍認(rèn)為油冷電機(jī)的潤(rùn)滑油對(duì)于其中含水量比較敏感，但含水量在3 000 mg/kg 以?xún)?nèi)的成品潤(rùn)滑油的體積電阻率在0.89 MΩ·m 以上（25～125 ℃），仍然是絕緣的，綜合考慮其他影響因素，建議控制含水量不超過(guò)1 000 mg/kg。

☆從10 萬(wàn)km 的行車(chē)試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，混動(dòng)變速器潤(rùn)滑油的體積電阻率隨試驗(yàn)里程的增加，有降低的趨勢(shì)，主要是受使用過(guò)程的高溫氧化、油品黏度下降和磨損金屬元素的增加所影響的，其主要影響因素將在后續(xù)工作中進(jìn)行深入研究。