纯电动汽车对传动液的要求

张丙伍，陈星宇，朱洁

(江苏双江能源科技股份有限公司，江苏 江阴 214431)

0 引言

我国是能源进口依赖度较大的国家之一，能源紧缺是全球所面临的越来越严峻的问题，关系到经济与军事安全。2020年中国向世界庄严承诺，将提高国家自主贡献力度，采取更有利的政策和举措，力争于2030年前达到二氧化碳排放峰值，努力争取2060年前实现碳中和，从相对减排到绝对减排[1]。

汽车在给人类带来便利的同时也严重污染生态环境，其发展导致了石油资源的巨大消耗，燃油车的尾气排放会导致温室效应，同时也会引起臭氧层的破坏，形成酸雨等环境问题。为降低对石油能源的依赖及减少碳排放，全球汽车行业正在向电动化大步迈进。

近年来纯电动汽车在中国市场发展迅猛，明显展现出引领全球市场的趋势。据中汽协会数据报道，截至2021年6月底，全国新能源汽车保有量达603万辆，占汽车总量的2.1%。其中纯电动汽车保有量493万辆，占新能源汽车总量的81.7 %[2]。随着电池及快充技术的突破，预计未来纯电动汽车的占比更高。

1 纯电动汽车工作原理

纯电动汽车是完全由可充电电池提供动力源，以电动机作为驱动系统的汽车。和传统内燃机汽车相比，纯电动汽车取消了发动机，增加了电源系统和驱动电机等新机构。由于以上系统功能的改变，纯电动汽车由新的四大部分组成，即电力驱动控制系统、底盘、车身和辅助系统[3]，结构如图1所示。其工作原理为车载动力电池输出电能，通过电机控制驱动电机运转产生动力，再通过减速机构，将动力传给驱动车轮，使车辆行驶。

图1 纯电动汽车结构示意

2 纯电动汽车和传统内燃机汽车比较

从动力方面看，纯电动汽车是电能直接驱动车辆行驶，电能可来自风能、太阳能、水力发电等清洁能源，而传统内燃机汽车使用化石燃料为动力来源；从结构方面看，纯电动汽车无发动机，而是用电机驱动，发动机舱减少了很多部件，例如发动机、进排气、排气消声等配置。因动力、结构和工作原理的不同，两者的性能比较见表1。

表1 纯电动汽车和传统内燃机汽车比较

3 纯电动汽车对传动液特殊要求

纯电动汽车的电驱动变速箱中增加了电机，其输入转速较高，单级减速箱的转速可达12000～20000 r/min，而传统内燃机汽车最高转速为6000～8000 r/min。高转速产生高摩擦，进而产生高温，并且一般电机是油浸式润滑和冷却，油温一般可达到100 ℃甚至更高；电动汽车的电机电压一般为336 V或384 V，电动大客车一般是580～600 V。随着电气化技术的不断发展，需要油品在更高温度、更高系统电压、更多电子元器件以及更高转速的工作环境下进行润滑，因此对传动液产生了新的要求，这些新的性能主要包括如电性能、热特性、铜腐蚀和摩擦磨损性能等[4-7]。

3.1 电性能

纯电动汽车在比传统内燃机汽车高得多的电流条件下运行，从而引发了人们对潜在安全问题的关注。过高的导电性会导致泄漏，这可能导致电机关键部件受到电击或短路的风险。如果流体作为绝缘体过于有效，静电荷就会积聚，直到导致放电，从而损坏车辆中的部件，这显然是不可接受的[8]。为了避免上述两种风险，必须选择在整个传动液使用寿命期间具有适当电阻和介电强度的传动液。

传动液的导电性也可以通过在基础油中添加添加剂来改变，其中降低导电性的添加剂包括水杨酸钙、烷基磺酸钙、离子液体、硬脂酸等，增加导电性的添加剂包括ZDDP(二烷基二硫代磷酸锌)、MoDTC(二烷基二硫代氨基甲酸钼)、聚异丁烯琥珀酰亚胺等[9-10]。另外，传动液中的水分及极性添加剂会使电阻率降低，介损增加，击穿电压也会下降；而悬浮的颗粒尤其是金属颗粒会在电场的作用下形成电桥，降低油品的击穿电压。纯电动汽车电机在高速下运转，易在传动液中产生气泡，加之变速箱体积小，消泡空间受限，会进一步加剧气泡的形成，导致其绝缘性能下降[11]。

评估传动液的介电性能时需要考虑下列因素：

电阻率：是用来表示各种物质电阻特性的物理量，测试方法可参考GB/T 10581《绝缘材料在高温下电阻和电阻率的试验方法》，即某种材料制成的长为1 m，横截面积为1 m2的导体的电阻，在数值上等于这种材料的电阻率。理想情况下，电阻不应低于千欧姆，以避免电流流动，也不应高于千兆欧姆，以避免静电冲击。

介质损耗因数(tanδ)：指的是绝缘材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在其内部引起的能量损耗，也叫介质损失或损耗角正切，简称介损。电阻率和介损的测试方法可参考GB/T 5654 《液体绝缘材料相对电容率、介质损耗因数和直流电阻率的测量》。

击穿电压：电介质在足够强的电场作用下将失去其介电性能成为导体，称为电介质击穿,所对应的电压称为击穿电压，通常以千伏(kV)表示，测试方法可参考GB/T 507《绝缘油击穿电压测定法》。绝缘油在室温下通常具有50 ～100 kV的击穿电压。

3.2 热性能

纯电动汽车的电机高速运转，会产生大量的热，尤其是在大功率输入的情况下，电机线圈瞬间会高达180 ℃。线圈的有效冷却可以更好地利用电动机并提高车辆效率，但对润滑剂提出了更高的热负荷要求，其传动液必须是热稳定的，且比传统的变速箱油具有更好的传热特性[12]。

物质的传热特性可用牛顿冷却定律衡量，它是一个经验性的关系，其表述一个物体所损失热量的速率与物体和其周围环境间的温度差成比例，具体见公式(1)、(2)：

Q=hA(TW-Tf)

(1)

式(1)中：

Q——热量传递，W；

A——传热面积，m2；

TW——固体表面温度，K；

Tf——液相温度，K；

h——传热系数，和介质的密度、比热容、导热系数成正比例关系，和介质的运动黏度成反比例关系。

h∝ρ0.33Cp0.33K0.67V-0.17

(2)

式(2)中：

ρ——密度，kg/m3；

Cp——比热容，kJ/(kg·K)；

K——导热系数，W；

V——运动黏度，mm2/s。

Keiichi Narita研究表明[12]，API Ⅲ类基础油的冷却性能高于环烷基基础油，聚α-烯烃(PAO)具有较高的冷却速度；无支链的长链基础油传热速度快，分子链较短且含有大量甲基支链的基础油的传热效率较低。作者分析认为对于传动液等相对低分子质量的化合物，传热是由分子间碰撞产生的热振动能决定的，分子链长度的影响最大。当分子处于流动状态时，由于碳-碳键的旋转，链长较长的分子运动范围较大，具有和相邻分子高频碰撞的优势，因此其分子链移动较多；相反，在具有较多分支的较短分子链中，分子链移动较少且与相邻分子碰撞的频率较低。

3.3 铜腐蚀性能

最新的电动机和电池对于热管理的需求已经很大，但随着更大容量电池的应用及电池充电速度的不断提高，预计热管理的需求还会继续增加。电动汽车比传统内燃机汽车含有更多的铜，其中大部分都携带电流，且一些部件与传动液或冷却剂直接接触，因此特别需要避免铜腐蚀，设计与铜高度兼容的传动液至关重要，测试方法可参照ASTM D130 《石油产品铜片腐蚀试验法》。

3.4 与其他材料的相容性

由于传动液与车辆的电气和电子部件直接接触，因此还需要与涂层中使用的不同材料兼容，保证传动液和不同材料浸泡一定时间后的长度变化、硬度变化和体积变化在一定范围内。测试方法可参考ASTM D5662 《汽车齿轮油与典型油封弹性体兼容性试验法》。

3.5 运动黏度

纯电动汽车的传动液既用来润滑减速器又用来冷却电动机，一部分传动液淋洒在电动机的定子和线圈上对其进行冷却，另一部分直接将传动液通入空心的太阳轮轴，再经过分油路润滑行星齿轮轴及其轴承。所以其黏度应该适中，既要有较好的流动性保证冷却效果，又要有足够的黏度保证润滑效果。

3.6 其他性能

电动汽车电动轮的工况相对恶劣，上要支撑车身的质量，下要承受车轮的振动，转速高、体积小，运转速度更高，热负荷条件苛刻[13]，因此对传动液的摩擦系数、持久的耐磨性和可靠的耐冲击性能、氧化安定性和热安定性以及抗泡性能均提出了更高的性能要求[14-15]。

4 纯电动汽车传动液的研发

4.1 添加剂选择

纯电动汽车传动液研发所选择的添加剂可借鉴传统内燃机油和车辆齿轮油的添加剂的性能，但也要注意它们之间的性能差异，具体见表2。

表2 添加剂在传统内燃机油和纯电动汽车传动液中的作用

例如，Tang T. H. -Z研究表明[16]，为了保持电动汽车变速箱高温清净性，变速箱油中需要添加清净剂和分散剂，清净剂具有清净性和抗腐蚀性能，但会增加油品的电导率；而含N、P和B元素的分散剂，当((B+P)/N质量比从0.1到0.8∶1.0的区间具有较低电导率和油品分散性，因此需要综合考虑。

4.2 纯电动汽车传动液研发现状

自 2018 年底以来，多家欧美公司推出了专门为电动乘用车销售的传动液，包括道达尔、摩特、马石油、壳牌、埃克森美孚、福斯、嘉实多和胜牌。然而，仍有一些OEM(原始设备制造商)认为市场销售的纯电动汽车传动液还不能完全满足要求，这一类特殊油品的研发还亟待开展。

5 结论

(1)“碳达峰、碳中和”是中国转型的的巨大驱动力，促进了纯电动汽车的飞速发展，并将相应地促进纯电动汽车传动液的发展。

(2)纯电动汽车和传统内燃机汽车的工作原理及结构不同，导致二者对传动液的性能要求差距较大，纯电动汽车对传动液的电性能、热性能以及铜腐蚀等提出了更高的要求。

(3)不同种类的基础油会对纯电动汽车传动液的热性能产生不同的影响，不同种类的添加剂也会对纯电动汽车传动液的电性能和腐蚀性能等产生不同的影响，应结合实际工况的需求，做好基础油和添加剂的平衡搭配与设计。