油冷電驅動中電子油泵的設計開發

劉芳，單凱凌，王健

上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海 200041

0 引言

《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》中明確指出到2035年，我國新能源汽車電驅動系統產品總體達到國際先進水平。乘用車電機比功率為7.0 W/g，電機系統超過80%的高效率區有95%的乘用車電機控制器功率密度達到70 kW/L；純電驅動系統比功率為3.0 kW/kg，綜合使用效率為90%。這意味著變速箱油與電機直接接觸進行冷卻降低電機的工作溫度、提高電機的功率密度成為必然。

1 電機類型

按照冷卻介質的不同，可以分為油冷電機、水冷電機、風冷電機等。目前常用的只有油冷電機和水冷電機。由于油冷電機的冷卻方式需要電機內部的熱源通過層層材料傳遞到外部，再被水道帶走。然而電機線圈內部的繞組，因為有熱阻的存在，從繞組到水冷機殼，存在溫度梯度，繞組無法直接冷卻，導致溫度堆積，形成局部熱點，需要直接冷卻熱源來提升冷卻效率。由于水冷電機存在機殼液冷的這個缺陷，限制了其進一步發展，從而使得油冷電機得到了推廣應用。

圖1為一典型的油冷電驅動冷卻系統的結構簡圖。由圖可以看到，油液由動力元件電子油泵從油底殼吸油，通過不同的油路來實現冷卻電子定子、繞組。由于具有不導磁、不導電的特性，對電機磁路無影響，因此選擇油來作為內部直接冷卻的介質。油冷是直接冷卻的需要，也是冷卻效率提高的直接途徑，也就成為未來發展的必然趨勢。

圖1 油冷電驅動冷卻系統的結構簡圖

2 電子油泵的結構和工作原理

電子油泵作為油冷電機系統的動力元件和關鍵子系統，由油泵、BLDC(brushless DC motor)、PCB(power control box)等組成，如圖2所示。涉及粉末冶金、塑料、鋁合金、稀土等多種材料以及燒結、注塑、壓鑄、沖壓等工藝過程。

圖2 電子油泵的結構剖面

電子油泵收到來自上位機的動作指令，初始化完成后進入控制狀態，并通過電機的驅動軸帶動油泵內轉子轉動。如圖3所示，當油泵內轉子圍繞中心O1順時針轉動時，帶動外轉子繞轉子中心O2作同向轉動。這時，由內轉子齒線頂和外轉子齒線形成密封容腔，隨著轉子的轉動，內、外轉子齒線由兩個嚙合點之間形成的吸油腔密封容積逐漸擴大，形成真空度，在大氣的壓力下油泵吸入油液；同時，內、外轉子齒線由兩個嚙合點之間形成的排油腔密封容積逐漸縮小，將形成壓力的油品排出油腔，內、外轉子的齒線在兩個嚙合點間形成最大空間時(圖3下封油點)，該吸油完畢，排油開始。

當轉子繼續旋轉時，內、外轉子齒線兩個嚙合點形成的排油腔密封容積便逐漸減小，油液受擠壓，于是通過另一配油窗口即排油道將油經排油口排出，至內轉子的一齒與外轉子兩齒嚙合(圖3上封油點)時，排油完畢；內轉子每轉一周，與外轉子形成5次吸油、排油，當內轉子連續轉動時，即完成了齒輪泵的吸、排油過程。

圖3 齒輪轉子工作示意

油泵排出的油液用來直接冷卻驅動電機定子、轉子以及潤滑軸承齒輪等。

3 開發過程中關鍵因素分析

本文的電子油泵額定功率為150 W，油泵、BLDC、控制器集成為一體。設計目標：總效率大于35%，在距離0.3 m處3 000 r/min轉速的條件下，噪聲低于68 dB(A)。轉速控制在0～6 000 r/min范圍內，轉速控制精度在5%以內。

3.1 油泵與BLDC的效率匹配

在傳統的油泵和BLDC中，泵部分和電機部分都是獨立設計的，這樣會帶來電機的最佳效率區間同泵的最高效率區間是不重疊的，也就意味著同樣的輸出會使得電機做功比較多[1]。如圖4所示，需要將電子油泵工作點下的效率同時轉化為電機效率和油泵的效率，目標應用區間按照系統需求所需的冷卻流量轉化成最優的轉速所對應的最高效率區間。效率匹配直接決定了電子油泵開發的成敗，主要涉及油泵的效率(容積效率、機械效率、總效率)和電機效率的匹配。在油泵結構方面，需要合理設計并控制內、外轉子與泵體的端面間隙以及內、外轉子齒頂的徑向間隙，其一，可以降低泄漏量，提高容積效率；其二，可以降低旋轉零部件間的拖拽扭矩，提高機械效率，從而提高油泵總效率。工作介質油液的黏度是隨溫度的變化而變化的，這也導致油泵在不同的溫度條件下的效率有著不同效率云圖。電機方面，需要優化電機的轉子結構。本案例中，線徑由1.06 mm調整為0.9 mm，線圈匝數由10調整為14，槽滿率可以到75%，高效區的效率也可以達到80%以上。圖5為電機效率分布云圖。結合電子油泵的應用策略可得到比較合理的效率云圖。

圖4 電子泵效率需求區間

圖5 電機效率分布云圖

3.2 油泵噪聲

機械噪聲主要產生于油泵與外轉子之間，外轉子與泵體之間、轉子與驅動軸、油封與驅動軸、驅動軸與軸承等轉動零部件之間的機械摩擦或沖擊，其中內、外轉子的正確嚙合影響最大；保證內、外轉子正確嚙合需要控制內、外轉子的加工精度，控制旋轉零件摩擦副之間的合理間隙，使內、外轉子運轉過程中盡量接近理論嚙合點，尤其不能有卡滯現象[2]；在流量允許的條件下，增加內、外轉子的齒頂間隙，增加轉子與泵體的端面間隙，可以適當增加泄漏量降低流量脈動，對降低噪聲有利；在空間允許情況下，采用較多的內轉子齒數，同樣可以降低流量脈動。流量脈動用流量脈動率來表征，也就是油泵輸出最大流量與最小流量的差值同平均流量之比值。如圖6所示，本案例中流量脈動率為50%左右。間隙過大將無法獲得所需的供油壓力，當然也就達不到目標流量；間隙小可以提高容積效率，但是間隙過小，加工精度高，生產成本增加，還會增加油泵配合零件之間的拖拽扭矩，容易出現卡滯現象。外轉子與泵體的間隙一般為0.03～0.06 mm，內外轉子的齒頂嚙合間隙一般為0.02～0.10 mm。

圖6 油泵的流量脈動曲線

擺線轉子齒輪泵結構方面，提前開啟進油角，延遲關閉排油角，避免吸油的不充分。進、排油腔在圓周上的位置尺寸需要根據進油區和排油區上內、外轉子嚙合點的位置來確定，即圖3的上封油點和下封油點。從泵的工作原理可知，工作過程中泵的轉子齒廓屬于多點嚙合，需要合理控制齒廓精度。根據擺線嚙合理論形成的轉子是理想轉子，內外轉子沒有間隙；由于加工的誤差，內外轉子間必須有間隙，這種間隙可以通過齒形修正的方法來獲得，達到最佳齒廓，得到合理的側間隙，這種修形的轉子不參與傳動力的齒廓不互相嚙合。

3.3 電機噪聲與控制

電機結構方面，降低電機的齒槽轉矩和扭矩波動。齒槽轉矩和扭矩波動產生的機制。齒槽轉矩是永磁電機繞組不通電時永磁體和定子鐵芯之間相互作用產生的轉矩，是由永磁體與電樞齒之間相互作用力的切向分量引起的[3]。轉矩頻率與定子或轉子的機械共振頻率一致時，齒槽轉矩產生的振動和噪聲將被放大[1]。

控制方面，盡可能降低電機的扭矩波動，提高電機的控制精度。目前市場主流的無刷直流電機的控制方式有3種：FOC(filed oriented control)、方波控制(也稱為梯形波控制、120°控制、6步換向控制)和正弦波控制，3種控制方式各有優勢。FOC是采用數學方法實現三相馬達的力矩與勵磁的解耦控制，FOC控制方式可以認為是正弦波控制的升級版本，實現了電流矢量的控制，也實現了電機定子磁場的矢量控制[2]。本案例通過CAN通信接收到期望目標轉速，經過和電流環速度環實現FOC控制策略。首先把dq變成三相弦波ABC要先經過反Park變換得到Iα、Iβ，再經過反Clark變化成為三相電Ia、Ib、Ic，電流控制達到電機的力矩控制。電流控制通過控制力矩(電流)和傳感器返回值形成閉環實現，如圖7所示。實際的齒槽轉矩為37.5 mNm，扭矩波動只有375 mNm，如圖8和圖9所示。

圖7 FOC控制邏輯

圖8 電機齒槽轉矩

圖9 電機扭矩波動

匹配方面，避開共振區，比如油泵的轉子齒數和電機的極數、槽數不要出現公約數。系統方面電子油泵所在系統的管路特性、轉速范圍、電驅系統負載特性、吸油特性、油量、油液中含水量等在不同程度上決定噪聲的大小。

3.4 軟件的故障模式識別

由于油泵自帶PCB，故障模式的識別及處理是必不可少的因素。常見的故障模式有：過溫、過流、傳感器故障、供電電壓異常、通信異常、堵轉、預驅動、MOS自檢等。電子油泵作為油冷電驅動中的關鍵動力元件，期望實現的目標是在任何條件下都能夠支持整車運行的基本輸出。

3.5 低溫啟動性能

低溫的啟動性能涉及整車或電驅動系統低溫的實際需求、工作介質油液的低溫特性、油泵的低溫啟動策略。

一般情況下，低溫下驅動電機的冷卻需求不是很明顯，但是為了電驅系統中軸承和齒輪的潤滑需求，需要電子油泵能夠正常運轉。在追求效率改善電驅動散熱能力的驅使下，工作介質油液的“低黏度”成為必然所趨。所謂的“低黏度”，并不是越低越好。降低黏度到一定程度，形成的油膜效果會變差，導致抗磨的效果變差，會產生因潤滑不良或抗磨效果變差而帶來的噪聲問題甚至硬件損壞。純電驅動的油液黏度在100 ℃下一般在4.5～6 mm2/s范圍內，本案例中油液在100 ℃下的黏度為5.3 mm2/s。

油泵的低溫啟動涉及系統需求、軟件中的啟動策略、PCB的硬件能力、油液低溫下的黏溫特性等多個方面。

3.6 裝配及質量控制

結合電子油泵的結構，涉及焊接、熱套、充磁、壓裝、軟件刷寫、下線測試等多種關鍵工序。每一道工序的溫度、時間、壓裝力、校驗特點都需要詳細的定義和嚴格地執行。

質量控制也是整個生產過程中最有力的保障，制定合理的控制計劃，控制好每道工序的控制參數，實現人機料法環的最佳融合。例如：清潔度在PCB焊接、BLDC裝配、油泵裝配過程中顯得異常重要。清潔度的控制涉及潔凈廠房的設計、異物控制程序、無塵車間管理、清潔監視與測量、清潔度管理培訓與執行、清潔度問題分析及持續改善。清潔度如果發生異常，可能會導致通信不良、短路、堵轉甚至喪失功能。

4 試驗驗證

油液的黏度在一定程度上也會影響到電子油泵的輸出效率和噪聲。從理論上來講油液的黏度越低，效率會提高。但是也并不是黏度越低越好，超低黏度的油液會引起低溫下的噪聲問題。本案例使用的工作介質油液的黏溫參數見表1。

表1 油液黏溫參數

油冷電機系統電子油泵的關鍵參數見表2。其中電機油泵的接線方法采用三角形，主芯片型號采用S912ZVMC12F3WKH。

表2 油冷電機系統電子油泵的關鍵參數

4.1 效率匹配

不同溫度條件下電子油泵的實測效率匹配云圖如圖10所示。從實測的匹配云圖可以看出，在70%以上的負載區間內，總效率大于35%，基本達到設計目標。

4.2 實測噪聲

對電子油泵進行了頻譜的采集，在0.3 m處3 000 r/min額定負載的條件下噪聲為64.5 dB(A)。同時分別和國內、國外某案例噪聲在同樣輸出流量條件下和同樣的測試距離條件下進行了對比，如圖11所示。本案例的噪聲水平占有一定優勢。

圖11 本案例噪聲和國內外案例對比

4.3 電機的控制

在油溫40 ℃條件下，電機的轉速控制精度隨電機目標轉速的變化情況如圖12所示，基本達到控制目標。

圖12 轉速控制精度隨電機目標轉速的變化情況

4.4 軟件的故障模式識別

過溫、過流、傳感器故障、供電電壓異常、通信異常、堵轉、預驅動、MOS自檢等故障模式按照故障的程度進行分級處理。對于較輕故障會增加故障判斷次數或降額運行來進行再次識別，直至退出故障模式。對于較嚴重的故障，程序會做出對電子油泵的停機處理。

4.5 低溫性能輸出

本案例中電子油泵的低溫性能輸出如圖13所示，實踐表明可以較好地滿足系統需求。

圖13 電子油泵的低溫性能輸出

4.6 裝配工藝過程

裝配工藝過程涉及PCB的SMT組裝、電機的定子裝配、電機的轉子裝配、油泵的裝配以及電子油泵總成裝配等。防錯、焊接質量檢查、氣密測試、功能測試、噪聲測試等是綜合檢查裝配質量的有效手段。

5 結束語

本文結合油冷電機的必然趨勢，介紹了電子油泵的結構和工作原理。從電子油泵開發過程的關鍵因素，逐步詳細描述效率匹配、噪聲、低溫啟動性能、裝配機質量控制等，最后結合試驗驗證的效率匹配、噪聲、電機的控制精度、低溫性能輸出等相關數據強力證明了開發的合理性和正確性，為油冷電機的必然趨勢提供了有利條件。