劉芳，單凱凌，王健

上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 200041

0 引言

《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》中明確指出到2035年，我國新能源汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)品總體達(dá)到國際先進(jìn)水平。乘用車電機(jī)比功率為7.0 W/g，電機(jī)系統(tǒng)超過80%的高效率區(qū)有95%的乘用車電機(jī)控制器功率密度達(dá)到70 kW/L；純電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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(jī)直接接觸進(jìn)行冷卻降低電機(jī)的工作溫度、提高電機(jī)的功率密度成為必然。

1 電機(jī)類型

按照冷卻介質(zhì)的不同，可以分為油冷電機(jī)、水冷電機(jī)、風(fēng)冷電機(jī)等。目前常用的只有油冷電機(jī)和水冷電機(jī)。由于油冷電機(jī)的冷卻方式需要電機(jī)內(nèi)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(jī)線圈內(nèi)部的繞組，因?yàn)橛袩嶙璧拇嬖?，從繞組到水冷機(jī)殼，存在溫度梯度，繞組無法直接冷卻，導(dǎo)致溫度堆積，形成局部熱點(diǎn)，需要直接冷卻熱源來提升冷卻效率。由于水冷電機(jī)存在機(jī)殼液冷的這個(gè)缺陷，限制了其進(jìn)一步發(fā)展，從而使得油冷電機(jī)得到了推廣應(yīng)用。

圖1為一典型的油冷電驅(qū)動(dòng)冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖。由圖可以看到，油液由動(dòng)力元件電子油泵從油底殼吸油，通過不同的油路來實(shí)現(xiàn)冷卻電子定子、繞組。由于具有不導(dǎo)磁、不導(dǎo)電的特性，對(duì)電機(jī)磁路無影響，因此選擇油來作為內(nèi)部直接冷卻的介質(zhì)。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(fā)展的必然趨勢(shì)。

圖1 油冷電驅(qū)動(dòng)冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖

2 電子油泵的結(jié)構(gòu)和工作原理

電子油泵作為油冷電機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)力元件和關(guān)鍵子系統(tǒng)，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(jié)、注塑、壓鑄、沖壓等工藝過程。

圖2 電子油泵的結(jié)構(gòu)剖面

電子油泵收到來自上位機(jī)的動(dòng)作指令，初始化完成后進(jìn)入控制狀態(tài)，并通過電機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)油泵內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖3所示，當(dāng)油泵內(nèi)轉(zhuǎn)子圍繞中心O1順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)外轉(zhuǎn)子繞轉(zhuǎn)子中心O2作同向轉(zhuǎn)動(dòng)。這時(shí)，由內(nèi)轉(zhuǎn)子齒線頂和外轉(zhuǎn)子齒線形成密封容腔，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)、外轉(zhuǎn)子齒線由兩個(gè)嚙合點(diǎn)之間形成的吸油腔密封容積逐漸擴(kuò)大，形成真空度，在大氣的壓力下油泵吸入油液；同時(shí)，內(nèi)、外轉(zhuǎn)子齒線由兩個(gè)嚙合點(diǎn)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(nèi)、外轉(zhuǎn)子的齒線在兩個(gè)嚙合點(diǎn)間形成最大空間時(shí)(圖3下封油點(diǎn))，該吸油完畢，排油開始。

當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)、外轉(zhuǎn)子齒線兩個(gè)嚙合點(diǎn)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(jīng)排油口排出，至內(nèi)轉(zhuǎn)子的一齒與外轉(zhuǎn)子兩齒嚙合(圖3上封油點(diǎn))時(shí)，排油完畢；內(nèi)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周，與外轉(zhuǎn)子形成5次吸油、排油，當(dāng)內(nèi)轉(zhuǎn)子連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，即完成了齒輪泵的吸、排油過程。

圖3 齒輪轉(zhuǎn)子工作示意

油泵排出的油液用來直接冷卻驅(qū)動(dòng)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子以及潤滑軸承齒輪等。

3 開發(fā)過程中關(guān)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(shè)計(jì)目標(biāo)：總效率大于35%，在距離0.3 m處3 000 r/min轉(zhuǎn)速的條件下，噪聲低于68 dB(A)。轉(zhuǎn)速控制在0～6 000 r/min范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速控制精度在5%以內(nèi)。

3.1 油泵與BLDC的效率匹配

在傳統(tǒng)的油泵和BLDC中，泵部分和電機(jī)部分都是獨(dú)立設(shè)計(jì)的，這樣會(huì)帶來電機(jī)的最佳效率區(qū)間同泵的最高效率區(qū)間是不重疊的，也就意味著同樣的輸出會(huì)使得電機(jī)做功比較多[1]。如圖4所示，需要將電子油泵工作點(diǎn)下的效率同時(shí)轉(zhuǎn)化為電機(jī)效率和油泵的效率，目標(biāo)應(yīng)用區(qū)間按照系統(tǒng)需求所需的冷卻流量轉(zhuǎn)化成最優(yōu)的轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的最高效率區(qū)間。效率匹配直接決定了電子油泵開發(fā)的成敗，主要涉及油泵的效率(容積效率、機(jī)械效率、總效率)和電機(jī)效率的匹配。在油泵結(jié)構(gòu)方面，需要合理設(shè)計(jì)并控制內(nèi)、外轉(zhuǎn)子與泵體的端面間隙以及內(nèi)、外轉(zhuǎn)子齒頂?shù)膹较蜷g隙，其一，可以降低泄漏量，提高容積效率；其二，可以降低旋轉(zhuǎn)零部件間的拖拽扭矩，提高機(jī)械效率，從而提高油泵總效率。工作介質(zhì)油液的黏度是隨溫度的變化而變化的，這也導(dǎo)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(jī)方面，需要優(yōu)化電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。本案例中，線徑由1.06 mm調(diào)整為0.9 mm，線圈匝數(shù)由10調(diào)整為14，槽滿率可以到75%，高效區(qū)的效率也可以達(dá)到80%以上。圖5為電機(jī)效率分布云圖。結(jié)合電子油泵的應(yīng)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(qū)間

圖5 電機(jī)效率分布云圖

3.2 油泵噪聲

機(jī)械噪聲主要產(chǎn)生于油泵與外轉(zhuǎn)子之間，外轉(zhuǎn)子與泵體之間、轉(zhuǎn)子與驅(qū)動(dòng)軸、油封與驅(qū)動(dòng)軸、驅(qū)動(dòng)軸與軸承等轉(zhuǎn)動(dòng)零部件之間的機(jī)械摩擦或沖擊，其中內(nèi)、外轉(zhuǎn)子的正確嚙合影響最大；保證內(nèi)、外轉(zhuǎn)子正確嚙合需要控制內(nèi)、外轉(zhuǎn)子的加工精度，控制旋轉(zhuǎn)零件摩擦副之間的合理間隙，使內(nèi)、外轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)過程中盡量接近理論嚙合點(diǎn)，尤其不能有卡滯現(xiàn)象[2]；在流量允許的條件下，增加內(nèi)、外轉(zhuǎn)子的齒頂間隙，增加轉(zhuǎn)子與泵體的端面間隙，可以適當(dāng)增加泄漏量降低流量脈動(dòng)，對(duì)降低噪聲有利；在空間允許情況下，采用較多的內(nèi)轉(zhuǎn)子齒數(shù)，同樣可以降低流量脈動(dòng)。流量脈動(dòng)用流量脈動(dòng)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(dòng)率為50%左右。間隙過大將無法獲得所需的供油壓力，當(dāng)然也就達(dá)不到目標(biāo)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(chǎn)成本增加，還會(huì)增加油泵配合零件之間的拖拽扭矩，容易出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象。外轉(zhuǎn)子與泵體的間隙一般為0.03～0.06 mm，內(nèi)外轉(zhuǎn)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(dòng)曲線

擺線轉(zhuǎn)子齒輪泵結(jié)構(gòu)方面，提前開啟進(jìn)油角，延遲關(guān)閉排油角，避免吸油的不充分。進(jìn)、排油腔在圓周上的位置尺寸需要根據(jù)進(jìn)油區(qū)和排油區(qū)上內(nèi)、外轉(zhuǎn)子嚙合點(diǎn)的位置來確定，即圖3的上封油點(diǎn)和下封油點(diǎn)。從泵的工作原理可知，工作過程中泵的轉(zhuǎn)子齒廓屬于多點(diǎn)嚙合，需要合理控制齒廓精度。根據(jù)擺線嚙合理論形成的轉(zhuǎn)子是理想轉(zhuǎn)子，內(nèi)外轉(zhuǎn)子沒有間隙；由于加工的誤差，內(nèi)外轉(zhuǎn)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(dá)到最佳齒廓，得到合理的側(cè)間隙，這種修形的轉(zhuǎn)子不參與傳動(dòng)力的齒廓不互相嚙合。

3.3 電機(jī)噪聲與控制

電機(jī)結(jié)構(gòu)方面，降低電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩和扭矩波動(dòng)。齒槽轉(zhuǎn)矩和扭矩波動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)制。齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁電機(jī)繞組不通電時(shí)永磁體和定子鐵芯之間相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩頻率與定子或轉(zhuǎn)子的機(jī)械共振頻率一致時(shí)，齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲將被放大[1]。

控制方面，盡可能降低電機(jī)的扭矩波動(dòng)，提高電機(jī)的控制精度。目前市場主流的無刷直流電機(jī)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(yōu)勢(shì)。FOC是采用數(shù)學(xué)方法實(shí)現(xiàn)三相馬達(dá)的力矩與勵(lì)磁的解耦控制，F(xiàn)OC控制方式可以認(rèn)為是正弦波控制的升級(jí)版本，實(shí)現(xiàn)了電流矢量的控制，也實(shí)現(xiàn)了電機(jī)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(biāo)轉(zhuǎn)速，經(jīng)過和電流環(huán)速度環(huán)實(shí)現(xiàn)FOC控制策略。首先把dq變成三相弦波ABC要先經(jīng)過反Park變換得到Iα、Iβ，再經(jīng)過反Clark變化成為三相電Ia、Ib、Ic，電流控制達(dá)到電機(jī)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(huán)實(shí)現(xiàn)，如圖7所示。實(shí)際的齒槽轉(zhuǎn)矩為37.5 mNm，扭矩波動(dòng)只有375 mNm，如圖8和圖9所示。

圖7 FOC控制邏輯

圖8 電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩

圖9 電機(jī)扭矩波動(dòng)

匹配方面，避開共振區(qū)，比如油泵的轉(zhuǎn)子齒數(shù)和電機(jī)的極數(shù)、槽數(shù)不要出現(xiàn)公約數(shù)。系統(tǒng)方面電子油泵所在系統(tǒng)的管路特性、轉(zhuǎn)速范圍、電驅(qū)系統(tǒng)負(fù)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(shí)別

由于油泵自帶PCB，故障模式的識(shí)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(zhuǎn)、預(yù)驅(qū)動(dòng)、MOS自檢等。電子油泵作為油冷電驅(qū)動(dòng)中的關(guān)鍵動(dòng)力元件，期望實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是在任何條件下都能夠支持整車運(yùn)行的基本輸出。

3.5 低溫啟動(dòng)性能

低溫的啟動(dòng)性能涉及整車或電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)低溫的實(shí)際需求、工作介質(zhì)油液的低溫特性、油泵的低溫啟動(dòng)策略。

一般情況下，低溫下驅(qū)動(dòng)電機(jī)的冷卻需求不是很明顯，但是為了電驅(qū)系統(tǒng)中軸承和齒輪的潤滑需求，需要電子油泵能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在追求效率改善電驅(qū)動(dòng)散熱能力的驅(qū)使下，工作介質(zhì)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(huì)變差，導(dǎo)致抗磨的效果變差，會(huì)產(chǎn)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(qū)動(dòng)的油液黏度在100 ℃下一般在4.5～6 mm2/s范圍內(nèi)，本案例中油液在100 ℃下的黏度為5.3 mm2/s。

油泵的低溫啟動(dòng)涉及系統(tǒng)需求、軟件中的啟動(dòng)策略、PCB的硬件能力、油液低溫下的黏溫特性等多個(gè)方面。

3.6 裝配及質(zhì)量控制

結(jié)合電子油泵的結(jié)構(gòu)，涉及焊接、熱套、充磁、壓裝、軟件刷寫、下線測(cè)試等多種關(guān)鍵工序。每一道工序的溫度、時(shí)間、壓裝力、校驗(yàn)特點(diǎn)都需要詳細(xì)的定義和嚴(yán)格地執(zhí)行。

質(zhì)量控制也是整個(gè)生產(chǎn)過程中最有力的保障，制定合理的控制計(jì)劃，控制好每道工序的控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)料法環(huán)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(shè)計(jì)、異物控制程序、無塵車間管理、清潔監(jiān)視與測(cè)量、清潔度管理培訓(xùn)與執(zhí)行、清潔度問題分析及持續(xù)改善。清潔度如果發(fā)生異常，可能會(huì)導(dǎo)致通信不良、短路、堵轉(zhuǎn)甚至喪失功能。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

油液的黏度在一定程度上也會(huì)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(huì)提高。但是也并不是黏度越低越好，超低黏度的油液會(huì)引起低溫下的噪聲問題。本案例使用的工作介質(zhì)油液的黏溫參數(shù)見表1。

表1 油液黏溫參數(shù)

油冷電機(jī)系統(tǒng)電子油泵的關(guān)鍵參數(shù)見表2。其中電機(jī)油泵的接線方法采用三角形，主芯片型號(hào)采用S912ZVMC12F3WKH。

表2 油冷電機(jī)系統(tǒng)電子油泵的關(guān)鍵參數(shù)

4.1 效率匹配

不同溫度條件下電子油泵的實(shí)測(cè)效率匹配云圖如圖10所示。從實(shí)測(cè)的匹配云圖可以看出，在70%以上的負(fù)載區(qū)間內(nèi)，總效率大于35%，基本達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4.2 實(shí)測(cè)噪聲

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

圖11 本案例噪聲和國內(nèi)外案例對(duì)比

4.3 電機(jī)的控制

在油溫40 ℃條件下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制精度隨電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速的變化情況如圖12所示，基本達(dá)到控制目標(biāo)。

圖12 轉(zhuǎn)速控制精度隨電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速的變化情況

4.4 軟件的故障模式識(shí)別

過溫、過流、傳感器故障、供電電壓異常、通信異常、堵轉(zhuǎn)、預(yù)驅(qū)動(dòng)、MOS自檢等故障模式按照故障的程度進(jìn)行分級(jí)處理。對(duì)于較輕故障會(huì)增加故障判斷次數(shù)或降額運(yùn)行來進(jìn)行再次識(shí)別，直至退出故障模式。對(duì)于較嚴(yán)重的故障，程序會(huì)做出對(duì)電子油泵的停機(jī)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(shí)踐表明可以較好地滿足系統(tǒng)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(jī)的定子裝配、電機(jī)的轉(zhuǎn)子裝配、油泵的裝配以及電子油泵總成裝配等。防錯(cuò)、焊接質(zhì)量檢查、氣密測(cè)試、功能測(cè)試、噪聲測(cè)試等是綜合檢查裝配質(zhì)量的有效手段。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合油冷電機(jī)的必然趨勢(shì)，介紹了電子油泵的結(jié)構(gòu)和工作原理。從電子油泵開發(fā)過程的關(guān)鍵因素，逐步詳細(xì)描述效率匹配、噪聲、低溫啟動(dòng)性能、裝配機(jī)質(zhì)量控制等，最后結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證的效率匹配、噪聲、電機(jī)的控制精度、低溫性能輸出等相關(guān)數(shù)據(jù)強(qiáng)力證明了開發(fā)的合理性和正確性，為油冷電機(jī)的必然趨勢(shì)提供了有利條件。