可應(yīng)用于新能源汽車的新型電子機(jī)油泵

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

當(dāng)前汽車市場需要新的電氣設(shè)備，并且對這些電氣設(shè)備的要求越來越高，規(guī)格也愈加繁多。介紹了1種新型汽車用集成無刷直流電機(jī)的電子機(jī)油泵。為了覆蓋典型的汽車運(yùn)行溫度范圍，對其進(jìn)行了升級，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)新能源汽車動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)所要求的高功率密度和小型化。在動力組件內(nèi)部，采用校準(zhǔn)過的機(jī)油循環(huán)系統(tǒng)來冷卻集成的發(fā)動機(jī)控制單元（ECU）和電機(jī)。在該情況下，產(chǎn)生的熱量被不斷帶走，因此動力組件允許工作的環(huán)境溫度可以提高到140 ℃，而不會對電子元件產(chǎn)生負(fù)面影響?；谛枰臋C(jī)油壓力，該動力組件可以與不同的模塊化油泵元件（葉輪、內(nèi)齒輪、直齒輪、平衡直齒輪）組合，以覆蓋不同的應(yīng)用領(lǐng)域。如果油泵裝配內(nèi)齒輪，則適合博世eAxle電驅(qū)動系統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)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(tài)扭矩矢量分配系統(tǒng)，應(yīng)具備高效率齒輪，因?yàn)樵撓到y(tǒng)需要的壓力更高。研究采用了多變量驗(yàn)證模擬工具，對比了電子機(jī)油泵元件不同的組合，并運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測了油泵內(nèi)油溫水平，結(jié)果顯示其具有較高的精度。

電子機(jī)油泵;電動汽車;冷卻系統(tǒng);模塊化;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

0 前言

雖然電氣化是當(dāng)前汽車市場的主要發(fā)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(shè)施和電池性能仍然不夠充足和穩(wěn)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(guān)注，結(jié)合了成熟內(nèi)燃機(jī)（ICE）技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和一些局限性。在電子機(jī)油泵的開發(fā)過程中，本研究的目標(biāo)是涵蓋每個應(yīng)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(lǐng)域的要求，如更高溫度和更強(qiáng)振動范圍下的噪聲-振動-平順性（NVH）要求和布置。為了提高產(chǎn)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(yīng)用領(lǐng)域，如潤滑、冷卻、驅(qū)動等，并適應(yīng)廣泛的應(yīng)用案例，如電驅(qū)動、自動變速箱、扭矩矢量分配、電池冷卻等。電子機(jī)油泵的功率范圍為100～500 W（電機(jī)側(cè)，電力來自電池），可以滿足上述不同的應(yīng)用要求。

從最終應(yīng)用到詳細(xì)的電機(jī)設(shè)計(jì)，以及特定控制策略的應(yīng)用，研究人員通過驗(yàn)證過的仿真工具進(jìn)行仿真計(jì)算，對電子機(jī)油泵的液壓工作點(diǎn)進(jìn)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(tǒng)

在發(fā)動機(jī)艙內(nèi)使用電氣產(chǎn)品面臨的1個主要問題是發(fā)動機(jī)艙內(nèi)最高溫度可達(dá)到140 ℃，特別是對于自動變速器來說。在發(fā)動機(jī)艙內(nèi)，發(fā)動機(jī)控制單元（ECU）是最關(guān)鍵的部件，為了避免開發(fā)帶有非標(biāo)汽車零件的專用ECU，研究人員在電機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)了集成式的特殊冷卻系統(tǒng)（圖1），可以使傳統(tǒng)的ECU適應(yīng)新的應(yīng)用場景。這種方法可節(jié)省零部件成本。為了防止ECU在臨界溫度下?lián)p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(tǒng)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(zhàn)性的布置空間要求，并且發(fā)動機(jī)艙內(nèi)缺乏空氣流動，傳統(tǒng)對流冷卻系統(tǒng)已不適用。因此，研究人員需要配置內(nèi)部集成冷卻系統(tǒng)，利用泵內(nèi)機(jī)油的流動來帶走ECU元件產(chǎn)生的熱量。

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

圖3給出了用于模擬的油泵系統(tǒng)熱力學(xué)模型。該模型再現(xiàn)了泵內(nèi)外的熱交換形式[1]。該模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征如下：電路板元件和間隙填充物具備熱力學(xué)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(huán)境溫度;（2）機(jī)油流量（關(guān)于油泵運(yùn)行工況點(diǎn)的函數(shù)）;（3）電子元件熱流量（關(guān)于油泵運(yùn)行工況點(diǎn)的函數(shù)）[2-4]。

電子機(jī)油泵的一維仿真模型如圖4所示?；诖四Ｐ?，研究人員進(jìn)行了更精確的研究。為了保護(hù)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(tǒng)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(tǒng)密切相關(guān)。通過熱力學(xué)模擬，研究人員比較了如下2種不同的冷卻系統(tǒng)：（1）油冷式，有內(nèi)部機(jī)油再循環(huán)，無外部空氣對流;（2）風(fēng)冷式，無內(nèi)部機(jī)油再循環(huán)，有外部空氣對流。

通過試驗(yàn)結(jié)果可知，在固定輸入功率300 W的情況下，機(jī)油冷卻和空氣冷卻系統(tǒng)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(nèi)部油冷式冷卻系統(tǒng)的優(yōu)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(chuàng)新設(shè)計(jì)可應(yīng)用于沒有空氣冷卻的情況。ECU與鋁隔板之間的熱交換至關(guān)重要，其關(guān)鍵參數(shù)是間隙尺寸[5-6]，基于壓鑄工藝的特別設(shè)計(jì)可以降低生產(chǎn)成本。與鋁壓鑄供應(yīng)商的聯(lián)合設(shè)計(jì)確保了較少的加工表面（圖5），并消除了在加工過程中產(chǎn)生孔隙的風(fēng)險。有限但穩(wěn)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(nèi)的機(jī)油流量要求，額外用于內(nèi)部冷卻的流量占總機(jī)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(nèi)（0～140 ℃）內(nèi)部冷卻系統(tǒng)所需的油量。

2 濕式電機(jī)、油溫和虛擬傳感器

如果冷卻系統(tǒng)中的機(jī)油被污染，這將不可避免地?fù)p壞ECU部件。因此，研究人員開發(fā)了1個絕緣系統(tǒng)對穿過鋁板的電機(jī)三相線進(jìn)行密封，確保了ECU的安全隔離。針對液壓和動態(tài)應(yīng)力的密封，研究人員進(jìn)行了專門的設(shè)計(jì)優(yōu)化，并使用了彈性部件。

機(jī)油與電子油泵部件的接觸熱量，以及集成傳感器產(chǎn)生的熱量，可以通過用于設(shè)計(jì)機(jī)油泵的熱力學(xué)模型來進(jìn)行計(jì)算。在這種情況下，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的開發(fā)提供了將所有熱學(xué)特性打包在1個“黑盒子”內(nèi)的優(yōu)點(diǎn)，其中模型的輸入和輸出是“預(yù)測數(shù)據(jù)”[7-8]。由圖7可知，在較寬的溫度范圍內(nèi)，實(shí)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(jié)果，但其精度足以滿足主要應(yīng)用。車輛控制單元通過通信總線（LIN或CAN）直接獲取計(jì)算的機(jī)油溫度，并將其看作類似傳統(tǒng)傳感器的輸出。

在正常工作條件下，ECU和機(jī)油之間的典型溫度差保持在不高于5 °C的范圍內(nèi)（圖8）。此外，如圖9所示，當(dāng)發(fā)動機(jī)性能提高到極限條件時，機(jī)油流量為19 L/min，機(jī)油壓力為0.15 MPa，機(jī)油泵轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)上述的設(shè)計(jì)概念，研究人員須考慮以下參數(shù)：（1）增加電機(jī)長度，以提高其功率范圍;（2）替換油泵元件，以覆蓋不同的應(yīng)用和壓力水平，可適用于相同的動力組件。

擴(kuò)展電機(jī)的金屬外殼可在所有條件下實(shí)現(xiàn)冷卻要求，并確保機(jī)油泵功率范圍在80～500 W以內(nèi)。此外，不同的機(jī)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(yīng)用，根據(jù)流量和壓力等級的差異，最合適的解決方案是采用以下設(shè)計(jì)應(yīng)用：（1）離心葉輪泵;（2）傳統(tǒng)直齒輪;（3）鋁制殼體內(nèi)齒輪泵;（4）鋼制殼體內(nèi)齒輪泵;（5）軸向補(bǔ)償直齒輪。

圖10匯總了不同機(jī)油泵的應(yīng)用案例。圖11對不同機(jī)油泵類型的功率和機(jī)油流量重合區(qū)域進(jìn)行了分析。由圖11可知，在等功率線上，有多種不同的機(jī)油泵元件方案可供選擇。值得關(guān)注的是，采用離心葉輪泵可以與干式電機(jī)相結(jié)合，但不能在寒冷條件下的惡劣工況點(diǎn)使用。改變電機(jī)金屬板長度，會使得機(jī)油泵的功率發(fā)生變化，在圖11中表現(xiàn)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(jī)油泵的應(yīng)用范圍可以擴(kuò)展到多個場景。典型應(yīng)用產(chǎn)品的案例有：（1）eAxle電驅(qū)動系統(tǒng)殼體的葉輪冷卻;（2）eAxle電驅(qū)動系統(tǒng)的冷卻和潤滑（鋁制殼體內(nèi)齒輪泵）;（3）自動變速器的驅(qū)動齒輪泵或直齒輪;（4）補(bǔ)償型直齒輪?? 扭矩矢量分配系統(tǒng)。

4 結(jié)論

采用內(nèi)部冷卻系統(tǒng)可以將集成了ECU的電子機(jī)油泵的耐受溫度范圍提升到140 ℃，用來冷卻的額外機(jī)油需求量低于總流量的1%。這一結(jié)果表明，該電子機(jī)油泵可以應(yīng)用于相關(guān)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(tǒng)可使用相同的動力組件（電機(jī)+ECU），或者只需通過更換油泵零件（如低壓泵冷卻和高壓泵驅(qū)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(jī)油泵。最優(yōu)的內(nèi)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(shí)現(xiàn)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(jī)油泵的整體壽命，從而降低電機(jī)磁鐵和ECU元件損壞的風(fēng)險。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)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）