高速電驅系統(tǒng)的油量和效率關系研究

袁仲謀 張廣杰

基金項目：湖南省制造業(yè)關鍵產品“揭榜掛帥”項目（2023GXGG018）

摘要：新能源汽車的高速發(fā)展，推動了電驅動系統(tǒng)技術的快速迭代升級，驅動電動機的轉速越來越高。為研究電驅動系統(tǒng)高速化對系統(tǒng)效率的影響，深入探究了高速運行狀態(tài)下，潤滑油量與電驅系統(tǒng)效率之間的關系。以一款120kW電驅系統(tǒng)為研究對象，首先利用Masta- NanoFlowedX軟件進行不同轉矩、不同轉速下的效率仿真分析，通過臺架試驗進行測試，驗證了潤滑油量和不同轉速與電驅系統(tǒng)運行效率的相互聯(lián)系，驗證了理論分析與實際情況的吻合性。提出了一種基于實際工況的優(yōu)化策略，對電驅動系統(tǒng)優(yōu)化設計具有一定的理論指導價值，也為實際操作提供了方法論參考，對推動新能源汽車相關技術的發(fā)展具有重要影響。

關鍵詞：電驅動系統(tǒng)；潤滑；效率

在新能源汽車領域，電驅系統(tǒng)作為核心技術，主要通過潤滑油來實現關鍵部件的散熱和潤滑，然而，隨著轉速的增加，高速電驅系統(tǒng)對潤滑和散熱提出了更高要求。這其中，潤滑油量的變化，顯著影響系統(tǒng)的散熱效率、潤滑效果以及最終的電驅系統(tǒng)效率。

本研究聚焦于高速電驅系統(tǒng)中油量與效率的密切關系，旨在梳理潤滑油量變化對系統(tǒng)性能的影響機制，從而指導優(yōu)化系統(tǒng)設計，提升能效。采用Masta軟件，并考慮系統(tǒng)總成的工況，深入探討了不同潤滑條件下，系統(tǒng)工作特性的變化規(guī)律。

在實踐案例上，特斯拉 Model S Plaid 和保時捷 Taycan 的成功應用，驗證了精確控制油量和油溫對實現高效散熱，提升電動機運行性能和可靠性的重要性。這些市場運營的樣本為我們提供了直觀的參照，也強化了我們對潤滑油量在高效電驅系統(tǒng)中重要作用的認識。

綜上，本研究以理論計算和實證分析為基礎，成功揭示了高速電驅系統(tǒng)潤滑油量與效率之間的關系，相關探索將為同行提供有價值的參考，并對推動相關技術的進步產生積極影響。

理論分析

1.油冷電驅系統(tǒng)潤滑油的冷卻與潤滑作用

高速運行的電驅系統(tǒng)會產生大量熱量，如果無法有效轉移，可能導致系統(tǒng)過熱、效率下降，甚至損壞相關零件。潤滑油通過齒輪、軸承及油封等關鍵零部件吸收并傳輸熱量，實現電驅系統(tǒng)的散熱。

電驅系統(tǒng)中的部件在高速旋轉和相互摩擦中工作，足夠的潤滑可以減少部件間過早磨損和故障。潤滑油在部件表面形成防護膜，降低摩擦，保護設備不受損傷。潤滑油量的控制非常重要，因為它直接影響到系統(tǒng)的冷卻效率、潤滑效果，從而影響到電驅系統(tǒng)的整體運行效率。

簡言之，潤滑油在電驅系統(tǒng)中擔任著至關重要的角色，其性能與油量直接影響著電驅系統(tǒng)的工作效率和使用壽命。因此，在設計高速電驅系統(tǒng)時，選擇適當的潤滑油，并且確定合適的油量，以確保電驅系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行非常重要。

2.油量對電驅系統(tǒng)效率的影響機制

在電驅動系統(tǒng)中，潤滑油起到舉足輕重的作用，關乎系統(tǒng)效能與穩(wěn)定性。本節(jié)將從冷卻與潤滑兩方面深入探討油量如何影響電驅系統(tǒng)的效率，并以此為基礎提出相應的優(yōu)化策略。

3.油量對冷卻效率的影響

在電驅系統(tǒng)中，潤滑油的用量是一個需要精確控制的參數。這是因為，潤滑油的主要功能包括冷卻和潤滑，兩者都對系統(tǒng)的效率和壽命產生直接影響。當油量過少或過多時，可能會對系統(tǒng)的運行造成不利影響。

（1）油量對冷卻效果的影響 潤滑油主要負責帶走電驅系統(tǒng)運行過程中產生的熱量，而熱量傳遞的效率直接依賴于油量。不合理的油量，無論過多或過少，都可能導致冷卻效率下降。

1）油量過多：過大的油量會引發(fā)一系列問題，它將延長油在系統(tǒng)內部的停留時間，使得系統(tǒng)內部溫度升高。根據公式q= mcΔT（q為熱量，m為油量，c為潤滑油的比熱容，ΔT為潤滑油的溫升幅度）可以看出，過多的油量對系統(tǒng)效率產生了消極影響。

2）油量過少：反之，油量過少則會導致冷卻面積不足，無法帶走足夠的熱量，可能導致電驅系統(tǒng)內部溫度上升，從而損害設備性能和壽命。

由此可見，為了保證冷卻的高效進行，油量的控制必須合理。

（2）油量對潤滑效果的影響 潤滑油在電驅系統(tǒng)中另一個功能是潤滑。通過形成一層油膜防止部件間直接接觸，減少摩擦和磨損，這對系統(tǒng)效率和設備壽命都具有重大影響。

1）油量過多：潤滑油量過大，會形成較厚的油膜，使部件失去接觸并增加攪油損失，影響傳動效率。同時，過多的潤滑油還會引發(fā)冷卻問題、泄漏風險，并造成浪費。

2）油量過少：油量過少，可能無法形成足夠厚度的油膜，無法阻止部件的直接接觸，導致摩擦和磨損增加。根據公式h=ηu/ p（h是潤滑膜厚度，η是黏度，u是相對速度，p是油的動態(tài)壓力）可以看到，潤滑效果與油量密切相關。

因此，為了確保電驅系統(tǒng)穩(wěn)定高效運行，需要對潤滑油量進行合理控制，使其在冷卻效率和潤滑效果兩方面都能達到最優(yōu)。

試驗設計與數據分析

為了深入探究潤滑油量如何影響高速電驅系統(tǒng)效率的問題，設計了一系列試驗并對結果進行了詳盡的數據分析。

1.試驗設計

本研究的試驗對象是一個120kW電驅系統(tǒng)。該系統(tǒng)的設計充分考慮了齒輪、軸承等部位的潤滑需求（見圖1）。系統(tǒng)的冷卻結構由大齒輪攪油，通過殼體上的油道和集油環(huán)等組成完整的油路。

圖1 總成模型

針對不同潤滑油量，設置了四個級別：1.4L60℃、1.4L90℃、1.7L60℃和1.7L90℃。在每個級別下，精確控制潤滑油的使用量和溫度，并讓電驅系統(tǒng)持續(xù)運行數小時，期間收集各項關鍵參數數據。

2.理論分析

首先，利用Masta軟件進行建模，并設置相關參數，對電驅系統(tǒng)進行效率分析，分析數據見表1～表4。

3.試驗檢測

利用臺架，對電驅系統(tǒng)效率進行檢測（見圖2），測試數據表5～表8。

4.分析數據

（1）描述性統(tǒng)計 根據收集的數據，計算出不同潤滑油量級別下電驅系統(tǒng)效率的平均值：

1）1.4L潤滑油量60℃，電驅系統(tǒng)理論效率為93.04%，實際效率為93.53%。

2）1.4L潤滑油量90℃，電驅系統(tǒng)理論效率為94.52%，實際效率為94.25%。

3）1.7L潤滑油量60℃，電驅系統(tǒng)理論效率為91.99%，實際效率為92.36%。

4）1.7L潤滑油量90℃，電驅系統(tǒng)理論效率為94.01%，實際效率為94.03%。

（2）相關性分析 通過試驗發(fā)現，潤滑油量與電驅系統(tǒng)效率之間呈中度負相關，這意味著潤滑油量的增加會在一定程度上導致電驅系統(tǒng)效率降低。

通過這種試驗設計和數據分析，為深入理解潤滑油量如何影響高速油冷電驅系統(tǒng)效率提供了科學依據，為相關優(yōu)化策略的制定奠定了基礎。

結語

本研究通過一系列詳細的試驗和深入的數據分析，對潤滑油量與高速電驅系統(tǒng)效率之間的內在聯(lián)系進行了全面探索。

結果表明，潤滑油量與電驅系統(tǒng)效率之間呈現出一定程度的關聯(lián)性。隨著潤滑油量的不斷增加，系統(tǒng)效率在初步上升后開始出現下降趨勢。然而，值得注意的是，潤滑油量與電驅系統(tǒng)效率的關系可能會受到諸多因素的影響，如潤滑油的類型、使用溫度、電驅類型等，因此，這項研究的結論并不能直接適用于所有場景。對于具體的電驅系統(tǒng)而言，最理想的潤滑油量可能各有差異，需要根據更多的現實數據來精準調整和優(yōu)化。

盡管如此，本研究依然為理解潤滑油量如何影響電驅系統(tǒng)效率提供了重要視角。揭示了潛在的因果關系，并為電驅系統(tǒng)的設計與運行優(yōu)化提供了一定的參考價值。同時，也構建了一種基礎的理論框架，可供未來研究者在此基礎上進行更深入、全面的探索。

參考文獻：

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