高速电驱系统的油量和效率关系研究

袁仲谋 张广杰

基金项目：湖南省制造业关键产品“揭榜挂帅”项目（2023GXGG018）

摘要：新能源汽车的高速发展，推动了电驱动系统技术的快速迭代升级，驱动电动机的转速越来越高。为研究电驱动系统高速化对系统效率的影响，深入探究了高速运行状态下，润滑油量与电驱系统效率之间的关系。以一款120kW电驱系统为研究对象，首先利用Masta- NanoFlowedX软件进行不同转矩、不同转速下的效率仿真分析，通过台架试验进行测试，验证了润滑油量和不同转速与电驱系统运行效率的相互联系，验证了理论分析与实际情况的吻合性。提出了一种基于实际工况的优化策略，对电驱动系统优化设计具有一定的理论指导价值，也为实际操作提供了方法论参考，对推动新能源汽车相关技术的发展具有重要影响。

关键词：电驱动系统；润滑；效率

在新能源汽车领域，电驱系统作为核心技术，主要通过润滑油来实现关键部件的散热和润滑，然而，随着转速的增加，高速电驱系统对润滑和散热提出了更高要求。这其中，润滑油量的变化，显著影响系统的散热效率、润滑效果以及最终的电驱系统效率。

本研究聚焦于高速电驱系统中油量与效率的密切关系，旨在梳理润滑油量变化对系统性能的影响机制，从而指导优化系统设计，提升能效。采用Masta软件，并考虑系统总成的工况，深入探讨了不同润滑条件下，系统工作特性的变化规律。

在实践案例上，特斯拉 Model S Plaid 和保时捷 Taycan 的成功应用，验证了精确控制油量和油温对实现高效散热，提升电动机运行性能和可靠性的重要性。这些市场运营的样本为我们提供了直观的参照，也强化了我们对润滑油量在高效电驱系统中重要作用的认识。

综上，本研究以理论计算和实证分析为基础，成功揭示了高速电驱系统润滑油量与效率之间的关系，相关探索将为同行提供有价值的参考，并对推动相关技术的进步产生积极影响。

理论分析

1.油冷电驱系统润滑油的冷却与润滑作用

高速运行的电驱系统会产生大量热量，如果无法有效转移，可能导致系统过热、效率下降，甚至损坏相关零件。润滑油通过齿轮、轴承及油封等关键零部件吸收并传输热量，实现电驱系统的散热。

电驱系统中的部件在高速旋转和相互摩擦中工作，足够的润滑可以减少部件间过早磨损和故障。润滑油在部件表面形成防护膜，降低摩擦，保护设备不受损伤。润滑油量的控制非常重要，因为它直接影响到系统的冷却效率、润滑效果，从而影响到电驱系统的整体运行效率。

简言之，润滑油在电驱系统中担任着至关重要的角色，其性能与油量直接影响着电驱系统的工作效率和使用寿命。因此，在设计高速电驱系统时，选择适当的润滑油，并且确定合适的油量，以确保电驱系统的高效稳定运行非常重要。

2.油量对电驱系统效率的影响机制

在电驱动系统中，润滑油起到举足轻重的作用，关乎系统效能与稳定性。本节将从冷却与润滑两方面深入探讨油量如何影响电驱系统的效率，并以此为基础提出相应的优化策略。

3.油量对冷却效率的影响

在电驱系统中，润滑油的用量是一个需要精确控制的参数。这是因为，润滑油的主要功能包括冷却和润滑，两者都对系统的效率和寿命产生直接影响。当油量过少或过多时，可能会对系统的运行造成不利影响。

（1）油量对冷却效果的影响 润滑油主要负责带走电驱系统运行过程中产生的热量，而热量传递的效率直接依赖于油量。不合理的油量，无论过多或过少，都可能导致冷却效率下降。

1）油量过多：过大的油量会引发一系列问题，它将延长油在系统内部的停留时间，使得系统内部温度升高。根据公式q= mcΔT（q为热量，m为油量，c为润滑油的比热容，ΔT为润滑油的温升幅度）可以看出，过多的油量对系统效率产生了消极影响。

2）油量过少：反之，油量过少则会导致冷却面积不足，无法带走足够的热量，可能导致电驱系统内部温度上升，从而损害设备性能和寿命。

由此可见，为了保证冷却的高效进行，油量的控制必须合理。

（2）油量对润滑效果的影响 润滑油在电驱系统中另一个功能是润滑。通过形成一层油膜防止部件间直接接触，减少摩擦和磨损，这对系统效率和设备寿命都具有重大影响。

1）油量过多：润滑油量过大，会形成较厚的油膜，使部件失去接触并增加搅油损失，影响传动效率。同时，过多的润滑油还会引发冷却问题、泄漏风险，并造成浪费。

2）油量过少：油量过少，可能无法形成足够厚度的油膜，无法阻止部件的直接接触，导致摩擦和磨损增加。根据公式h=ηu/ p（h是润滑膜厚度，η是黏度，u是相对速度，p是油的动态压力）可以看到，润滑效果与油量密切相关。

因此，为了确保电驱系统稳定高效运行，需要对润滑油量进行合理控制，使其在冷却效率和润滑效果两方面都能达到最优。

试验设计与数据分析

为了深入探究润滑油量如何影响高速电驱系统效率的问题，设计了一系列试验并对结果进行了详尽的数据分析。

1.试验设计

本研究的试验对象是一个120kW电驱系统。该系统的设计充分考虑了齿轮、轴承等部位的润滑需求（见图1）。系统的冷却结构由大齿轮搅油，通过壳体上的油道和集油环等组成完整的油路。

图1 总成模型

针对不同润滑油量，设置了四个级别：1.4L60℃、1.4L90℃、1.7L60℃和1.7L90℃。在每个级别下，精确控制润滑油的使用量和温度，并让电驱系统持续运行数小时，期间收集各项关键参数数据。

2.理论分析

首先，利用Masta软件进行建模，并设置相关参数，对电驱系统进行效率分析，分析数据见表1～表4。

3.试验检测

利用台架，对电驱系统效率进行检测（见图2），测试数据表5～表8。

4.分析数据

（1）描述性统计 根据收集的数据，计算出不同润滑油量级别下电驱系统效率的平均值：

1）1.4L润滑油量60℃，电驱系统理论效率为93.04%，实际效率为93.53%。

2）1.4L润滑油量90℃，电驱系统理论效率为94.52%，实际效率为94.25%。

3）1.7L润滑油量60℃，电驱系统理论效率为91.99%，实际效率为92.36%。

4）1.7L润滑油量90℃，电驱系统理论效率为94.01%，实际效率为94.03%。

（2）相关性分析 通过试验发现，润滑油量与电驱系统效率之间呈中度负相关，这意味着润滑油量的增加会在一定程度上导致电驱系统效率降低。

通过这种试验设计和数据分析，为深入理解润滑油量如何影响高速油冷电驱系统效率提供了科学依据，为相关优化策略的制定奠定了基础。

结语

本研究通过一系列详细的试验和深入的数据分析，对润滑油量与高速电驱系统效率之间的内在联系进行了全面探索。

结果表明，润滑油量与电驱系统效率之间呈现出一定程度的关联性。随着润滑油量的不断增加，系统效率在初步上升后开始出现下降趋势。然而，值得注意的是，润滑油量与电驱系统效率的关系可能会受到诸多因素的影响，如润滑油的类型、使用温度、电驱类型等，因此，这项研究的结论并不能直接适用于所有场景。对于具体的电驱系统而言，最理想的润滑油量可能各有差异，需要根据更多的现实数据来精准调整和优化。

尽管如此，本研究依然为理解润滑油量如何影响电驱系统效率提供了重要视角。揭示了潜在的因果关系，并为电驱系统的设计与运行优化提供了一定的参考价值。同时，也构建了一种基础的理论框架，可供未来研究者在此基础上进行更深入、全面的探索。

参考文献：

[1] 庄磊，张广杰，蔡央.关于油冷电驱系统油量的研究[J].汽车实用技术，2023，（15）：109-112.

[2] 张广杰，庄磊。纯电动汽车减速机润滑性能改善的研究[J].时代汽车，2023，（8）：111-113.

[3] 刘祥环，孙印程，刘平，等.基于整车工况的电动汽车动力总成系统效率优化设计方法[J].汽车制造业，2020，（7）：20-23.