可應用于新能源汽車的新型電子機油泵

A.FAUDA L.MARCHETTI F.COLA L.ARENA

當前汽車市場需要新的電氣設備，并且對這些電氣設備的要求越來越高，規格也愈加繁多。介紹了1種新型汽車用集成無刷直流電機的電子機油泵。為了覆蓋典型的汽車運行溫度范圍，對其進行了升級，目標是實現新能源汽車動力系統設計所要求的高功率密度和小型化。在動力組件內部，采用校準過的機油循環系統來冷卻集成的發動機控制單元（ECU）和電機。在該情況下，產生的熱量被不斷帶走，因此動力組件允許工作的環境溫度可以提高到140 ℃，而不會對電子元件產生負面影響。基于需要的機油壓力，該動力組件可以與不同的模塊化油泵元件（葉輪、內齒輪、直齒輪、平衡直齒輪）組合，以覆蓋不同的應用領域。如果油泵裝配內齒輪，則適合博世eAxle電驅動系統電機轉子或變速器齒輪潤滑的低壓要求。如果油泵裝配直齒輪，可用于純電動汽車（EV）或混合動力汽車（HEV）的變速箱。對于高動態扭矩矢量分配系統，應具備高效率齒輪，因為該系統需要的壓力更高。研究采用了多變量驗證模擬工具，對比了電子機油泵元件不同的組合，并運用神經網絡預測了油泵內油溫水平，結果顯示其具有較高的精度。

電子機油泵;電動汽車;冷卻系統;模塊化;神經網絡

0 前言

雖然電氣化是當前汽車市場的主要發展趨勢，但其如何深化還不明朗。純電動汽車（EV）雖已上市，但充電設施和電池性能仍然不夠充足和穩定。混合動力汽車（HEV）作為1種過渡和可靠的解決方案受到關注，結合了成熟內燃機（ICE）技術的優點和一些局限性。在電子機油泵的開發過程中，本研究的目標是涵蓋每個應用場景中最惡劣的情況，以滿足來自電動汽車和混合動力汽車這2個領域的要求，如更高溫度和更強振動范圍下的噪聲-振動-平順性（NVH）要求和布置。為了提高產品競爭力，研究人員有必要采用模塊化的方法來覆蓋不同的應用領域，如潤滑、冷卻、驅動等，并適應廣泛的應用案例，如電驅動、自動變速箱、扭矩矢量分配、電池冷卻等。電子機油泵的功率范圍為100～500 W（電機側，電力來自電池），可以滿足上述不同的應用要求。

從最終應用到詳細的電機設計，以及特定控制策略的應用，研究人員通過驗證過的仿真工具進行仿真計算，對電子機油泵的液壓工作點進行了研究，確保了高功率密度和可靠的壽命。

1 集成式冷卻系統

在發動機艙內使用電氣產品面臨的1個主要問題是發動機艙內最高溫度可達到140 ℃，特別是對于自動變速器來說。在發動機艙內，發動機控制單元（ECU）是最關鍵的部件，為了避免開發帶有非標汽車零件的專用ECU，研究人員在電機內部設計了集成式的特殊冷卻系統（圖1），可以使傳統的ECU適應新的應用場景。這種方法可節省零部件成本。為了防止ECU在臨界溫度下損壞，研究人員采取了降低油泵性能的策略。這種高效的集成冷卻系統即使在某些惡劣條件下也能拓展油泵的工作范圍。

對于新能源汽車來說，由于具有挑戰性的布置空間要求，并且發動機艙內缺乏空氣流動，傳統對流冷卻系統已不適用。因此，研究人員需要配置內部集成冷卻系統，利用泵內機油的流動來帶走ECU元件產生的熱量。

研究人員設計了1個鋁制殼體來封裝ECU，同時殼體底部與機油接觸。機油直接來自油泵的高壓側，在油道內采用1個集成的和校準過的節流閥來控制其流量，旨在確保通過鋁板進行最佳的熱交換。熱力學換熱模擬可以確定ECU和鋁板之間的間隙，機油通過電機轉子流回油泵的進油側。該方案有助于保持其內部溫度穩定，避免磁鐵和銅保護涂層過熱。這種電機布置方式被稱為“濕式布置”，沒有采用密封件將油路與電機和磁性零件分隔開（圖2）。

圖3給出了用于模擬的油泵系統熱力學模型。該模型再現了泵內外的熱交換形式[1]。該模型的內部結構特征如下：電路板元件和間隙填充物具備熱力學特征;元件之間的熱量自然對流。該模型的邊界條件包括：（1）環境溫度;（2）機油流量（關于油泵運行工況點的函數）;（3）電子元件熱流量（關于油泵運行工況點的函數）[2-4]。

電子機油泵的一維仿真模型如圖4所示。基于此模型，研究人員進行了更精確的研究。為了保護電子元件，ECU切換到低性能模式，這意味著通過軟件降低了電氣系統功率，從而降低了電子元件的熱量，防止電子元件過熱。油泵開始降低性能時的溫度與不同的冷卻系統密切相關。通過熱力學模擬，研究人員比較了如下2種不同的冷卻系統：（1）油冷式，有內部機油再循環，無外部空氣對流;（2）風冷式，無內部機油再循環，有外部空氣對流。

通過試驗結果可知，在固定輸入功率300 W的情況下，機油冷卻和空氣冷卻系統的降低性能時，最大ECU溫度都為150 ℃，降低性能初始時的溫度分別為135 ℃和116 ℃，如表1所示。內部油冷式冷卻系統的優勢非常明顯，即使沒有外部空氣對流，低性能模式啟動時的溫度也較高。這意味著這種創新設計可應用于沒有空氣冷卻的情況。ECU與鋁隔板之間的熱交換至關重要，其關鍵參數是間隙尺寸[5-6]，基于壓鑄工藝的特別設計可以降低生產成本。與鋁壓鑄供應商的聯合設計確保了較少的加工表面（圖5），并消除了在加工過程中產生孔隙的風險。有限但穩定的油道可確保有效的熱交換。例如，對于功率為150 W的動力組件和10～20 L/min范圍內的機油流量要求，額外用于內部冷卻的流量占總機油流量的0.5%～1.0%。圖6以絕對值和百分比值繪制了整個溫度范圍內（0～140 ℃）內部冷卻系統所需的油量。

2 濕式電機、油溫和虛擬傳感器

如果冷卻系統中的機油被污染，這將不可避免地損壞ECU部件。因此，研究人員開發了1個絕緣系統對穿過鋁板的電機三相線進行密封，確保了ECU的安全隔離。針對液壓和動態應力的密封，研究人員進行了專門的設計優化，并使用了彈性部件。

機油與電子油泵部件的接觸熱量，以及集成傳感器產生的熱量，可以通過用于設計機油泵的熱力學模型來進行計算。在這種情況下，神經網絡模型的開發提供了將所有熱學特性打包在1個“黑盒子”內的優點，其中模型的輸入和輸出是“預測數據”[7-8]。由圖7可知，在較寬的溫度范圍內，實際油溫與估測油溫之間的誤差低于5 ℃。盡管這些是初步的結果，但其精度足以滿足主要應用。車輛控制單元通過通信總線（LIN或CAN）直接獲取計算的機油溫度，并將其看作類似傳統傳感器的輸出。

在正常工作條件下，ECU和機油之間的典型溫度差保持在不高于5 °C的范圍內（圖8）。此外，如圖9所示，當發動機性能提高到極限條件時，機油流量為19 L/min，機油壓力為0.15 MPa，機油泵轉速為5 000 r/min，溫差始終保持在10 ℃以下。

3 模塊化方法

模塊化方法可以實現上述的設計概念，研究人員須考慮以下參數：（1）增加電機長度，以提高其功率范圍;（2）替換油泵元件，以覆蓋不同的應用和壓力水平，可適用于相同的動力組件。

擴展電機的金屬外殼可在所有條件下實現冷卻要求，并確保機油泵功率范圍在80～500 W以內。此外，不同的機油泵零件可與同一動力組件組合，以確保其適用于不同的壓力水平（0.1～3.0 MPa）。對于電動汽車、混合動力汽車和自動變速器的應用，根據流量和壓力等級的差異，最合適的解決方案是采用以下設計應用：（1）離心葉輪泵;（2）傳統直齒輪;（3）鋁制殼體內齒輪泵;（4）鋼制殼體內齒輪泵;（5）軸向補償直齒輪。

圖10匯總了不同機油泵的應用案例。圖11對不同機油泵類型的功率和機油流量重合區域進行了分析。由圖11可知，在等功率線上，有多種不同的機油泵元件方案可供選擇。值得關注的是，采用離心葉輪泵可以與干式電機相結合，但不能在寒冷條件下的惡劣工況點使用。改變電機金屬板長度，會使得機油泵的功率發生變化，在圖11中表現為從1條等功率線遷移到另1條等功率線。

由于ECU溫度限制幅度的減小，電子機油泵的應用范圍可以擴展到多個場景。典型應用產品的案例有：（1）eAxle電驅動系統殼體的葉輪冷卻;（2）eAxle電驅動系統的冷卻和潤滑（鋁制殼體內齒輪泵）;（3）自動變速器的驅動齒輪泵或直齒輪;（4）補償型直齒輪?? 扭矩矢量分配系統。

4 結論

采用內部冷卻系統可以將集成了ECU的電子機油泵的耐受溫度范圍提升到140 ℃，用來冷卻的額外機油需求量低于總流量的1%。這一結果表明，該電子機油泵可以應用于相關的不同場景。例如，針對電動汽車、自動變速箱和扭矩矢量分配系統可使用相同的動力組件（電機+ECU），或者只需通過更換油泵零件（如低壓泵冷卻和高壓泵驅動），同一動力組件在同一車輛即具備雙重功能。這個方案能夠兼容功率等級從80～500 W的機油泵。最優的內部熱量交換需要零件高度集成，在確保緊湊的布局和空間布置的同時，也意味著實現了更高的功率密度。將溫度維持在一定水平以下，可以提高機油泵的整體壽命，從而降低電機磁鐵和ECU元件損壞的風險。神經網絡的應用使通過通信總線獲取油溫成為可能，而無須安裝專用油溫傳感器。

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武 濤 譯自 SAE Paper 2020-24-0022

虞 展 編輯

（收稿時間：2021-03-11）