電動汽車驅傳動系統用潤滑油性能要求及研究進展

王燕，王凱明，張霞玲

(中國石油克拉瑪依石化有限責任公司，新疆 克拉瑪依 834000)

0 引言

為了減少石油消耗和碳排放，傳統燃油汽車將面臨被替代的局面，很多國家及汽車企業都已制定停止和生產銷售傳統燃油汽車時間表，新能源汽車已經成為汽車工業的重要發展方向，國家持續出臺相關政策和戰略，全力推動新能源汽車行業的發展。市場調研公司IHS Markit預測，2030年前各類電動汽車的市場總份額將會達到40%～70%左右。中國汽車工業協會的統計數據顯示，中國新能源汽車在2019年的銷量為120.6萬輛，雖說沒有預期之多，但中國依然連續四年位居全球新能源汽車產銷第一大國，從2020年7月份開始，新能源汽車迎來恢復性增長，當月銷量接近10萬臺，同比增長了19.3%，這對油品行業來說是一個不錯的信號，因為汽車產業發展動向被認為是油品行業的風向標[1]。

在全球各地，尤其在中國和歐盟區域穩定增長的混合動力和純電動汽車的數量，將對潤滑油技術的發展產生影響。新能源汽車包括純電動汽車、增程式電動汽車、混合動力汽車和燃料電池電動汽車等[2]，本文主要介紹純電動汽車驅傳動系統用潤滑油性能要求及研究進展。

早期電動汽車通常采用的是通用型電機——由傳統燃油汽車傳動系統的一些軸承和零件組成。而在新型電動汽車上，為使傳動裝置結構緊湊，傳遞部件少，并能夠最大限度的降低功率損耗、減輕機件磨損、冷卻摩擦副，通常電機和機械傳動部分已逐步采用一體化驅動系統[3]，電動汽車的驅傳動系統正由通用化向專用化方向發展，這給潤滑油的冷卻性、絕緣性和抗腐蝕性方面都提出了新的挑戰，能夠適應更復雜工作環境、兼容性更強的產品，將是車用潤滑油未來的發展趨勢。因此，了解電動汽車驅傳動系統的發展和驅傳動系統用潤滑油的特點及發展趨勢，對未來電動汽車驅傳動系統專用潤滑油的研發具有重要意義。

1 電動汽車與傳統燃油汽車用油的不同之處

對于混動汽車來說，傳統燃油汽車的動力系統依然存在，但是增加了電動機動力系統等；對于純電動汽車來說，由于完全由電池提供動力，沒有發動機，因此不需要使用發動機油，但是電動汽車的其他傳動系統用油依然存在[4]。

從燃油汽車升級到混合動力和純電動汽車，對于汽車潤滑領域會有兩大變化：第一個變化是傳統部件潤滑油和潤滑脂的變化，也就是說，傳統的發動機油會升級成混合動力發動機油和用于混合動力變速器的電驅系統油；第二個變化是新能源汽車新增零部件所需的油品，例如電池冷卻液、電池外殼的腐蝕抑制劑以及電機軸承潤滑脂等。

2 電動汽車驅傳動系統用潤滑油的研究進展

2.1 電動汽車驅傳動系統潤滑油性能要求

考慮到成本和研發的問題，也許還有很多人認為傳統燃油汽車的潤滑油是可以直接應用于電動汽車中，但其實這是不可行的，因為電動汽車的系統更加復雜，整合了數量龐大的電子元器件，電機系統對油品的需求更為苛刻。因此，電動汽車潤滑用油在化學和物理性能要求方面面臨非常多的挑戰[5-6]。

首先，變速箱油要在高速運轉的電機所產生的高溫下保持很好的氧化安定性，同時發揮高效的散熱性能。由于驅動電機的轉速非常高，一般的電機轉速每分鐘達到1.5萬轉，有的甚至超過了2萬轉，其運轉時的溫度可在瞬間達到非常高的水平，相比水冷來說，油冷的速度會慢一些。因此，在制定潤滑油配方時，必須考慮高溫下散熱效率和穩定的氧化安定性能，保護機械部件免受損耗，同時針對高轉速的軸承，需要提供非常好的抗泡沫特性。

其次，需要提供非常好的冷卻能力，潤滑油黏度越小，油越薄，散熱性越好，這對電機有好處，但相對較薄的油膜又不利于對減速器內齒輪和軸承的保護。這對潤滑油的黏度指數提出了挑戰。

第三，良好的電化學性能。為了提高潤滑油的高低溫性能和對齒輪的保護，潤滑油中添加的一些活性元素(比如硫、磷等)會對銅線等產生腐蝕，因此對潤滑油與電器元件的相容性提出了更高要求。所以，研究潤滑油配方時要同時考慮高低溫性能、對齒輪的保護、以及與電器元件的相容性、導電率控制等多方面要求。從而增加變速箱油的耐久性，延長換油周期。

2.2 國外研究進展

國外對電動汽車的研究起步較早，已對電動汽車驅傳動系統用潤滑油開展了一些研究工作。一些大的汽車制造商已制定了電動汽車傳動系統用潤滑油相關標準，如通用汽車公司的GM 9986144標準，GM 9986144標準的技術要求見表1。

表1 GM 9986144標準的技術要求

表1(續)

此外，還要求電動汽車驅傳動系統用潤滑油必須通過以下兩項試驗：

(1)旋轉損失試驗：在油溫為40 ℃時，分別測定時速56.4 km、80.5 km和112.7 km時的旋轉損失，要求測定值不能超過美孚參考油XRL-1957AA-6的測定值。

(2)橡膠相容性試驗：通用汽車公司制定了GM 6297M標準來評價車用潤滑油與多種橡膠的相容性，測試條件根據油品類型而定。

尼桑公司的專利US 2011/0092402 A1介紹了一種汽車傳動油組合物，其是由基礎油與含磷添加劑組成的。該潤滑油組合物的運動黏度(80 ℃)為1.5～4.0 mm2/s，體積電阻率(80 ℃)在1×107Ω·m以上，該潤滑油組合物適用于混合動力汽車或電動汽車的驅傳動系統。這種汽車傳動油組合物組成配比見表2，其性能參數測定結果見表3。

表2 汽車傳動油組合物的組成配比

表3 汽車傳動油組合物的性能參數

日本出光興產株式會社的專利CN 107429186 A介紹了一種齒輪特性、離合器特性、冷卻性和電絕緣性優異的電動汽車或混合動力車用潤滑油組合物。組成配比及其性能參數測定結果見表4[7]。

表4 組成配比及其性能參數測定結果

表4(續)

日本吉坤日礦日石能源株式會社的專利CN 104560297 A介紹了一種低溫流動性和剪切穩定性優異、能夠節油耗能的耐摩耗性和疲勞壽命優異的混合動力車或電動汽車的減速器用潤滑油組合物。其基礎油選用的是合成油，組成配比及其性能參數測定結果見表5[8]。

表5 組成配比及其性能參數測定結果

2.3 國內研究進展

目前，國內對電動汽車驅傳動系統用潤滑油的研究還處于起步階段。江蘇龍蟠科技股份有限公司的楊操等發明了一種電動汽車變速箱用潤滑油組合物及其制備方法(專利號CN 107828481 A[9])，該組合物包括添加劑4%～7%的聚甲基丙烯酸酯黏度指數改進劑，變速箱油專用復合劑10%～13%，降凝劑0.3%～0.5%，該組合物的優點是制得的油品在長期的高速剪切力作用下黏度保持不變，為電動汽車變速箱提供可靠保護；具有優異的剪切穩定性、出眾的低溫流變性和在較低的劑量下可大幅提高油品的高溫增稠能力，具有良好的分散性，可減少油品氧化物的沉積，配合與變速箱專用復合劑使用，提高油品的清凈分散性能；中國石油天然氣股份有限公司的姚元鵬等發明了一種電動車傳動系統用潤滑油組合物(專利號CN 105087113 A[10])，該組合物包括至少一種高黏度指數深精制礦物油，或PAO，或烷基苯，或烷基萘，或以上組分的任意組合物，再添加黏度指數改進劑、抗磨劑、金屬鈍化劑、抗氧劑、分散劑、金屬清凈劑、抗泡劑，該組合物具有優良的絕緣性能，新油擊穿電壓超過70 kV，老化后油品的擊穿電壓超過60 kV，同時具有良好的潤滑冷卻性能和摩擦特性。2011年8月，中國石油潤滑油公司與上海交通大學共建聯合實驗室，開發出電動車傳動系統專用潤滑油，但還未見市售產品。開發滿足電動汽車制造商要求、適用于新型電動汽車的專用潤滑油，應該是潤滑油和添加劑公司需要及早考慮的問題。

2.4 小結

根據文獻查詢對比分析，電動汽車潤滑用油在化學和物理性能要求方面面臨非常多的挑戰，主要有：(1)優異的抗氧化性能、抗磨性能；(2)黏度小，黏度指數高；(3)優異的絕緣性能。對比情況見表6。

表6 國內外電動汽車用潤滑油性能對比

3 電動汽車驅傳動系統用潤滑油在我國的發展前景

據統計，2019年1-12月，國內新能源汽車產量124.2萬輛，同比下降2.3%，銷量120.6萬輛，同比下降4%；純電動汽車產量102萬輛，同比增長3.4%，銷量97.2萬輛，同比下降1.2%，產銷量同比數據均好于同期整個新能源汽車市場。2019年新能源汽車產銷量首次出現下滑，在未來經濟增速持續回落的大背景下，中國新能源汽車行業將可能持續回落[11]。但綜合來看，未來新能源汽車產業仍將是中國乃至全球汽車產業發展的重點，具有廣闊的發展前景。一方面從能源的角度來看。近年來，我國經濟持續快速穩定地發展，化石能源需求持續增長，對石油資源需求不斷增多，中國油氣資源的不足，能源供需矛盾的突出，對進口石油的依賴度不斷提升。另一方面在汽車文化成熟的國家而言，汽車不只是一種交通工具，汽車的需求與居民個人意識、收入高度相關[12]。總的來看，隨著經濟的發展，居民收入的增長，對汽車的需求仍將持續增長。與德國、日本、韓國、以及美國等發達國家以及其他中等收入國家相比，中國汽車千人保有量仍處于相對較低的水平，具有較高的提升空間[13]。而單靠傳統燃油汽車，在很大程度上會導致石油資源的高度緊張。并且當原油或者燃料油供給不足時，甚至會引起社會動蕩，影響社會穩定[14]。因此發展新能源汽車在某種程度上可以說是由我國資源決定的一種必要的也必須發展的汽車技術路線。而從汽車產業發展趨勢來看，電子化是汽車功能發展與提升的不變趨勢。隨著信息化時代的到來，汽車的電子化逐漸呈現出網聯化、智能化的探索，相對于傳統的燃油汽車，新能源汽車在電子化、智能化等方面具有絕對的先天性優勢。

中國的新能源汽車廠商在之前很大程度上受補貼驅動，為消費者創造的新功能不足，與傳統的燃油汽車相比，僅僅是動力結構變化以及駕駛體驗少量改變，消費者購買的動力在很大程度上來自于補貼與稅收的減免，當補貼退坡，行業自然陷入較大的困境[14]。總的說來，新能源汽車這一技術路線不具備競爭力，實際上是中國的汽車廠商在高端市場競爭力較弱。未來隨著行業內企業的發展，市場競爭進一步激化，預計中國新能源汽車產業將進入一段調整期，市場集中度將會顯著提升。

傳統燃油汽車的驅傳動系統和潤滑油都需要定期保養，與之相比，電動汽車的保養工作量相對較少，電動汽車也因此備受稱贊。但事實上，電動汽車的驅傳動系統還是離不開合適的潤滑油，而且就很多方面而言，它對潤滑油性能提出的難題絲毫不亞于燃油汽車的驅傳動系統。

電動汽車驅傳動系統對潤滑油提出的最大難題在于：電動汽車的電機可以在轉速為0的條件下輸出最大扭矩。與此同時，電動汽車必須通過采用黏度更低的油品和減少接觸面積，以實現最高的傳動能效和續航里程，這需要精心調制出合適的潤滑油添加劑配方，才能在所有的運行條件下，既能保證油膜具備足夠的強度，又能使摩擦降至最小[15]。

在2020年6月份，福斯已經與中國著名的電驅動公司浙江龍芯簽署了戰略合作協議，共同探討開發電動車潤滑油的整體解決方案。2020年11月召開的國際汽車變速器及驅動技術研討會上殼牌推出E-fluids系列潤滑油——針對集成式電驅系統推出的專用潤滑油，它不僅具備常規潤滑油的功能，而且還具備良好的絕緣性能以保護驅動箱內的電路系統，同時還兼具為電機散熱以及確保電路中的銅制導線不被腐蝕等功效。

4 結論

車用潤滑油是潤滑油市場的重要增長因素，隨著汽車產銷量及保有量的增長，車用潤滑油的需求也會隨之增長。電動汽車目前還是沿用傳統燃油汽車潤滑油，但未來隨著電機、驅傳動系統結構設計的發展變化，需要使用配套的專用潤滑油，這對潤滑油行業提供了更多的機遇與挑戰。相對于傳統燃油汽車變速箱，電驅變速箱中增加了電機，所以油品必須具備優異的絕緣性能，同時還需具有良好的氧化安定性能、剪切穩定性、抗磨損性能和摩擦特性等。