高速電驅系統的油量和效率關系研究

袁仲謀 張廣杰

基金項目：湖南省制造業關鍵產品“揭榜掛帥”項目（2023GXGG018）

摘要：新能源汽車的高速發展，推動了電驅動系統技術的快速迭代升級，驅動電動機的轉速越來越高。為研究電驅動系統高速化對系統效率的影響，深入探究了高速運行狀態下，潤滑油量與電驅系統效率之間的關系。以一款120kW電驅系統為研究對象，首先利用Masta- NanoFlowedX軟件進行不同轉矩、不同轉速下的效率仿真分析，通過臺架試驗進行測試，驗證了潤滑油量和不同轉速與電驅系統運行效率的相互聯系，驗證了理論分析與實際情況的吻合性。提出了一種基于實際工況的優化策略，對電驅動系統優化設計具有一定的理論指導價值，也為實際操作提供了方法論參考，對推動新能源汽車相關技術的發展具有重要影響。

關鍵詞：電驅動系統；潤滑；效率

在新能源汽車領域，電驅系統作為核心技術，主要通過潤滑油來實現關鍵部件的散熱和潤滑，然而，隨著轉速的增加，高速電驅系統對潤滑和散熱提出了更高要求。這其中，潤滑油量的變化，顯著影響系統的散熱效率、潤滑效果以及最終的電驅系統效率。

本研究聚焦于高速電驅系統中油量與效率的密切關系，旨在梳理潤滑油量變化對系統性能的影響機制，從而指導優化系統設計，提升能效。采用Masta軟件，并考慮系統總成的工況，深入探討了不同潤滑條件下，系統工作特性的變化規律。

在實踐案例上，特斯拉 Model S Plaid 和保時捷 Taycan 的成功應用，驗證了精確控制油量和油溫對實現高效散熱，提升電動機運行性能和可靠性的重要性。這些市場運營的樣本為我們提供了直觀的參照，也強化了我們對潤滑油量在高效電驅系統中重要作用的認識。

綜上，本研究以理論計算和實證分析為基礎，成功揭示了高速電驅系統潤滑油量與效率之間的關系，相關探索將為同行提供有價值的參考，并對推動相關技術的進步產生積極影響。

理論分析

1.油冷電驅系統潤滑油的冷卻與潤滑作用

高速運行的電驅系統會產生大量熱量，如果無法有效轉移，可能導致系統過熱、效率下降，甚至損壞相關零件。潤滑油通過齒輪、軸承及油封等關鍵零部件吸收并傳輸熱量，實現電驅系統的散熱。

電驅系統中的部件在高速旋轉和相互摩擦中工作，足夠的潤滑可以減少部件間過早磨損和故障。潤滑油在部件表面形成防護膜，降低摩擦，保護設備不受損傷。潤滑油量的控制非常重要，因為它直接影響到系統的冷卻效率、潤滑效果，從而影響到電驅系統的整體運行效率。

簡言之，潤滑油在電驅系統中擔任著至關重要的角色，其性能與油量直接影響著電驅系統的工作效率和使用壽命。因此，在設計高速電驅系統時，選擇適當的潤滑油，并且確定合適的油量，以確保電驅系統的高效穩定運行非常重要。

2.油量對電驅系統效率的影響機制

在電驅動系統中，潤滑油起到舉足輕重的作用，關乎系統效能與穩定性。本節將從冷卻與潤滑兩方面深入探討油量如何影響電驅系統的效率，并以此為基礎提出相應的優化策略。

3.油量對冷卻效率的影響

在電驅系統中，潤滑油的用量是一個需要精確控制的參數。這是因為，潤滑油的主要功能包括冷卻和潤滑，兩者都對系統的效率和壽命產生直接影響。當油量過少或過多時，可能會對系統的運行造成不利影響。

（1）油量對冷卻效果的影響 潤滑油主要負責帶走電驅系統運行過程中產生的熱量，而熱量傳遞的效率直接依賴于油量。不合理的油量，無論過多或過少，都可能導致冷卻效率下降。

1）油量過多：過大的油量會引發一系列問題，它將延長油在系統內部的停留時間，使得系統內部溫度升高。根據公式q= mcΔT（q為熱量，m為油量，c為潤滑油的比熱容，ΔT為潤滑油的溫升幅度）可以看出，過多的油量對系統效率產生了消極影響。

2）油量過少：反之，油量過少則會導致冷卻面積不足，無法帶走足夠的熱量，可能導致電驅系統內部溫度上升，從而損害設備性能和壽命。

由此可見，為了保證冷卻的高效進行，油量的控制必須合理。

（2）油量對潤滑效果的影響 潤滑油在電驅系統中另一個功能是潤滑。通過形成一層油膜防止部件間直接接觸，減少摩擦和磨損，這對系統效率和設備壽命都具有重大影響。

1）油量過多：潤滑油量過大，會形成較厚的油膜，使部件失去接觸并增加攪油損失，影響傳動效率。同時，過多的潤滑油還會引發冷卻問題、泄漏風險，并造成浪費。

2）油量過少：油量過少，可能無法形成足夠厚度的油膜，無法阻止部件的直接接觸，導致摩擦和磨損增加。根據公式h=ηu/ p（h是潤滑膜厚度，η是黏度，u是相對速度，p是油的動態壓力）可以看到，潤滑效果與油量密切相關。

因此，為了確保電驅系統穩定高效運行，需要對潤滑油量進行合理控制，使其在冷卻效率和潤滑效果兩方面都能達到最優。

試驗設計與數據分析

為了深入探究潤滑油量如何影響高速電驅系統效率的問題，設計了一系列試驗并對結果進行了詳盡的數據分析。

1.試驗設計

本研究的試驗對象是一個120kW電驅系統。該系統的設計充分考慮了齒輪、軸承等部位的潤滑需求（見圖1）。系統的冷卻結構由大齒輪攪油，通過殼體上的油道和集油環等組成完整的油路。

圖1 總成模型

針對不同潤滑油量，設置了四個級別：1.4L60℃、1.4L90℃、1.7L60℃和1.7L90℃。在每個級別下，精確控制潤滑油的使用量和溫度，并讓電驅系統持續運行數小時，期間收集各項關鍵參數數據。

2.理論分析

首先，利用Masta軟件進行建模，并設置相關參數，對電驅系統進行效率分析，分析數據見表1～表4。

3.試驗檢測

利用臺架，對電驅系統效率進行檢測（見圖2），測試數據表5～表8。

4.分析數據

（1）描述性統計 根據收集的數據，計算出不同潤滑油量級別下電驅系統效率的平均值：

1）1.4L潤滑油量60℃，電驅系統理論效率為93.04%，實際效率為93.53%。

2）1.4L潤滑油量90℃，電驅系統理論效率為94.52%，實際效率為94.25%。

3）1.7L潤滑油量60℃，電驅系統理論效率為91.99%，實際效率為92.36%。

4）1.7L潤滑油量90℃，電驅系統理論效率為94.01%，實際效率為94.03%。

（2）相關性分析 通過試驗發現，潤滑油量與電驅系統效率之間呈中度負相關，這意味著潤滑油量的增加會在一定程度上導致電驅系統效率降低。

通過這種試驗設計和數據分析，為深入理解潤滑油量如何影響高速油冷電驅系統效率提供了科學依據，為相關優化策略的制定奠定了基礎。

結語

本研究通過一系列詳細的試驗和深入的數據分析，對潤滑油量與高速電驅系統效率之間的內在聯系進行了全面探索。

結果表明，潤滑油量與電驅系統效率之間呈現出一定程度的關聯性。隨著潤滑油量的不斷增加，系統效率在初步上升后開始出現下降趨勢。然而，值得注意的是，潤滑油量與電驅系統效率的關系可能會受到諸多因素的影響，如潤滑油的類型、使用溫度、電驅類型等，因此，這項研究的結論并不能直接適用于所有場景。對于具體的電驅系統而言，最理想的潤滑油量可能各有差異，需要根據更多的現實數據來精準調整和優化。

盡管如此，本研究依然為理解潤滑油量如何影響電驅系統效率提供了重要視角。揭示了潛在的因果關系，并為電驅系統的設計與運行優化提供了一定的參考價值。同時，也構建了一種基礎的理論框架，可供未來研究者在此基礎上進行更深入、全面的探索。

參考文獻：

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