EODI润滑油——电动车油冷电机现状和技术发展趋势的关键问题是什么?

随着新能源汽车驱动电机技术的不断发展，油冷电机是否成为未来发展的关键？电机的散热方式对整车性能有何影响？由此引发的散热能力的挑战如何解决？国内新能源汽车技术路线主要采用水冷和油冷方式，哪种更具优势？油冷电机的润滑方案有哪些需求？如何保证油冷电机的效率和性能？随着新能源汽车驱动电机技术的不断发展，驱动电机越来越向高转矩密度、高功率密度的方向发展。高效的散热能力可以提高电机的持续功率和持续扭矩，进而提升整车性能和效率。为应对技术发展趋势，油冷电机成为备受关注的发展方向。油冷电机通过直接冷却热源，提升冷却效率，具有良好的绝缘性能和机油热特性，有助于提高电机性能和整车功率密度。为确保油冷电机的高效运行，润滑方案需考虑散热、绝缘和运行稳定性等因素。

随着新能源汽车驱动电机技术的不断发展，驱动电机越来越向高转矩密度、高功率密度的方向发展，这些都与电机的散热方式紧密相关，高效的散热能力可以提高电机的持续功率和持续扭矩。

从电动汽车的直观表现来看，高效的散热能力提高了电机的爬坡能力、加速能力，降低了电机的重量，实现了铁心的轻量化，或者在电机有效质量不增加的情况下增加了额定功率和峰值功率；降低了动力总成的空间体积及重量，有效提高了驱动电机的功率密度，从而降低整车重量，提高整车性能以及效率。

随着新能源汽车对电机功率密度要求越来越高，工信部和发改委提出规划在2025年乘用车电机的功率密度要>4kW/kg，电机的技术发展趋势必然要求提高冷却效率。因此选择油冷直接冷却，或者选择水冷直接冷却和外壳冷却等复合冷却方式是倒逼之下的选择。

在高功率密度和高转矩密度的指标下，电机温升是最难攻克的环节，且伴随着驱动集成化的发展趋势，如今的二合一、三合一、多合一、集成式混动系统、轮毂电机这些也对系统的散热能力提出了更高的要求。

▲随着温度的升高，电机内部铜导线的电阻也随之增加

如果新能源汽车的驱动电机没有良好的散热，在持续运行中很容易出现过热。温度不断升高之后，电机内部的电阻也会增加，这时候电动机的效率和出力就会急剧下降，较高的温度也会影响到电动机内部的润滑和绝缘，极端情况下，甚至有可能烧坏电机。对于有温度监控系统的车型，此时往往会限制动力输出，起到保护的作用。

新能源汽车的驱动电机以超过10000rpm的转速旋转，对轴承的润滑有着非常高的要求，过高的温度会导致轴承润滑失效。电机内部温度升高到一定程度，就会破坏原有的润滑，造成轴承的烧蚀，有的则会破坏内部部件的绝缘功能，这些局部失效最终都可能导致电驱动系统功能失效。

对新能源汽车驱动电机的冷却系统来说，水是很好的冷却介质，它具有很大的比热和导热系数，价廉、无毒、不助燃、无爆炸危险。通水冷却的部件冷却效果较为显著，允许承受的电磁负荷比自然冷却要高很多，提高了材料的利用率。

但是水接头及各个密封点处由于水压漏水的问题有可能会造成短路、漏电以及烧毁绝缘的危险。所以水冷电动机对水道的密封性和耐蚀性要求非常严格，并且在冬天必须添加防冻液，否则易造成维护事故。

国内新能源汽车技术路线主要采用水冷的方式，技术难度较低，已经实现了大面积的产业化。新能源汽车的电机水冷系统通常不是独立的，而是和电池包以及电控系统的冷却形成一个完整的热管理系统。在电机壳体的内部，也有类似于内燃机缸体内部那样的水道，冷却液通过水泵的驱动在中间流动，从而达到散热效果。

通过布置在电动机壳体内的水道，冷却液将电动机工作时产生的热量带走，确保电动机在高效率区间运行，同时保证电机的润滑和绝缘。

当然，水冷系统要兼顾电池包和驱动电机两方面的冷却，锂电池工作温度大约25℃，不同于电机冷却液温度60℃，有的热管理系统还和空调等系统相连，这样涉及到多个子系统，在设计方面就比较复杂了。

现在的潮流是把电动机、电控单元和减速器做成三合一的一体设计，而都要发出热量的电控单元和电机都通过水冷系统散热。

当前BEV驱动电机主要以水冷方式为主，而在HEV/PHEV上多采用与发动机、变速箱更方便集成的油冷电机。

▲现阶段主流电机产品冷却方式

▼水冷与油冷电机的应用差异对比

水冷技术是目前主流的散热方式，但是由于电机高温部分主要集中在绕组端部，流体介质无法直接接触高温点、无法直接冷却热源，绕组处的热量需经过槽内绝缘层、电机定子才能传递至外壳被水带走，传递路径长、散热效率低，且各部件之间的配合公差也影响了传递路径的热阻大小。因为有热阻的存在，从绕组到水冷机壳，存在温度梯度，绕组无法直接冷却，导致温度堆积形成局部热点。

为了进一步提高电机的散热能力，需要直接冷却热源来提升冷却效率。而油本身因为局部不导磁、不易燃、不导电、导热好的特性，对电机磁路无影响，因此散热效率更高的油冷技术成为研究热点，国内外一些研究机构及企业大力发展喷油冷却方式，对电机绕组端部实现喷油冷却。

油冷相对于水冷的优势在于绝缘性能良好、机油沸点比水高、凝点比水低，使冷却液在低温下不易结冰、高温下不易沸腾。油冷电机对端部裸露面积更大的扁线绕组电机的冷却效果更明显，能够主动冷却到内部转子部件；同时有利于电机与变速箱的集成，提高轴承的润滑冷却效果、环境温度较低时加热变速箱油提高润滑搅拌效率，因此，从整个驱动系统上讲，油冷电机相对水冷具备一定的技术优势。

按照冷却油与定子轭部的接触形式主要分为直接油冷和间接油冷方式。直接油冷又包括浸油式和喷油式两类。浸油冷却方式是将电机的定、转子均浸没在冷却油里进行冷却；喷油冷却方式是通过油泵等装置喷到定子端部或其他发热处进行冷却。

由于冷却用油的绝缘性，使之可以深入到电动机转子、定子绕组等的内部进行更完全的热交换，冷却效果更佳，比如油冷电机可以采用定子喷油、转子甩油的油路结构，减速箱与电机间无油封，减速箱油一部分经过定子导油管对定子端部绕组进行冷却；另一部分经过电机空心轴对电机轴承与转子磁钢进行冷却，转轴两端开有径向油孔，转子高速旋转时甩油到定子端部绕组内壁面，进一步冷却定子绕组。

此外，为进一步提升冷却效果，国内外也有采用组合式冷却方式，在沿用定子水道水冷的基础上增加定转子同时油冷。

▼水冷与油冷电机设计寿命与可靠性对比

集成化、高速化对电机和总成轴承与油封的润滑冷却及可靠运行提出较高要求，油冷系统可省去电机与变速箱之间的油封，或采用寿命更高的油润滑轴承，提高使用寿命

通过特定的径向/轴向油路、油道设计，冷却转子磁钢，降低转子退磁风险的同时提高磁钢材料利用率

冷却、润滑高速轴承，降低轴承内外圈温差，提高轴承运行寿命与可靠性

油冷电机对从开发设计到批量生产制造整个寿命周期内电机绝缘系统耐油性、油质清洁度管控、电机油路一致性等提出较高要求

▼水冷与油冷电机功率密度和输出扭矩对比

驱动系统的高速化是未来趋势，为进一步提高功率密度，当电机的转速高到20000rpm以上时，转子散热与轴承的润滑与冷却成为限制瓶颈因素，此时采用湿式转子如转子油冷是主要解决手段

电机额定输出特性主要取决于电机散热水平，由于采用直接冷却，冷却介质直接带走温度最高的端部绕组热量，相对间接水冷散热，油冷电机的散热效果更好，持续性能更好，能够满足部分性能车日益提高的最高车速对应持续性能要求。

▼水冷与油冷电机成本对比分析

油冷电机定子直接冷却，散热好，热负荷选值高，电机总体体积及铜线用量相对少

油冷电机转子主动冷却，转子磁钢温度可控，辅助转子温升估算模型，实时控制转子磁钢温度，在保证磁钢不退磁的前提下调整磁钢牌号与永磁体用量，降低电机成本

油冷要求整个绝缘系统材料具备耐油性，一定程度上增加电机成本

油冷电机无内水套、取消高速油封，油润滑轴承替代脂润滑轴承

油冷电机旋变、NTC、接插件及三相高压出线考虑耐油性增加一定成本

为冷却转子轴承与转子磁钢，油冷电机的转子大多要加工成空心轴，不同设计与加工工艺对空心轴成本有一定影响

目前水冷电机生产成本低，油冷电机生产成本高、设备折旧费用高，目前还有待新技术突破

▼对油冷电机当前产业应用情况的分析

由于A0、A级或紧凑SUV等整车运行工况对电机的持续性能要求相对没那么敏感；同时对于100kW电桥或电机，功率相对较小，电机温升相对不是瓶颈因素，因此无论是常规的水冷冷却还是理论上冷却效果更好的油冷冷却对整个电机系统的成本、性能影响相对不大

对于某些B级或更高性能车，最高车速越来越高，峰值功率与持续功率要求高、对应持续时间长、运行工况恶劣，如多次急加急减等组合运行工况，电机的持续性能与温升表现相对关键，此时油冷电机的优势更易体现出来

电机的功率密度要求越来越高，一些混动等对结构空间布置、轴向尺寸等要求苛刻的场景，油冷电机表现出一定的竞争力；此外，20000rpm以上超高速电机会成为后续技术趋势，对应的转子润滑与冷却成为技术瓶颈，此时各种类型的油冷技术成为不可或缺的解决方案

因此，油冷电机当前阶段在技术与应用上有了一定的经验积累，配套系统也相对成熟，但小功率规格的油冷电机无论是性能还是成本，相对水冷还没有表现出绝对的优势；技术成熟度上无论是温升一致性、清洁度管控、转子甩油(油速过低影响冷却效果，过高易损伤绕组表面绝缘及形成雾化，影响散热效果)等还有继续提升的空间。

然而随着市场与配套技术的进一步成熟，整车对驱动系统的功率密度与低温环境下续航里程的要求进一步提高，油冷电机在某些应用场合如持续功率密度要求高、安装空间苛刻、轴承油封可靠性要求高，尤其是超高速电机领域会取得进一步应用并体现出巨大竞争力。

▼车载油冷系统对油品的要求

油品含硫量及其他对铜的腐蚀性物质，长期工作不能出现对铜线的腐蚀

含水量要低，含水量过高会对绝缘材料造成水解，破坏绝缘

粘稠度过高，低温粘度过大，对油泵压力要求过大

润滑性能要好，油冷电机转速较高，一般采用主动油润轴承

耐热性能及热容要好，油冷电机主要散热介质是油，因此油品高温失效要求要高；由于热量主要靠油品带走，因此要求较好的热容

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油冷电机润滑方案

与市场上比较普遍的水冷技术相比，油冷技术的热传导率更高即冷却效率更高，这主要得益于油品本身不导电、不导磁，可以直接接触绕组进行冷却。为实现更佳的冷却效果，研发人员充分考虑不同OEM硬件的设计特点及其润滑、冷却、电机材料兼容性等需求，进行油品的相关验证试验并获得OEM的技术认证。

从结构特点上看，大多数OEM新型设计结构由油冷电机和减速箱组成高度集成电驱系统，以实现结构紧凑，重量低，功率高等目标，而电机的高速旋转所带来的大量热量又会造成电机效率下降，因此油冷电机技术的发展，可以显著提高电机的冷却效果，同时兼顾电机定子甚至转子的冷却。油品直接冷却不仅能够有效地降低电机运行温度，而且能够减少电机核心部件的成本，提高电机的输出效率。

基于上述考虑，油冷电机润滑油需满足：

出色的散热性能：采用低粘度设计，保证了油品良好的导热性能，从而满足高温条件下的电驱动系统冷却和散热需求

优异的电气特性：采用特殊基础油和添加剂配方，有针对性地控制油品导电性能，保证较高的抗击穿电压，以满足系统中的绝缘特性要求

卓越的油品兼容特性：独特的腐蚀抑制方案，保证油品的化学稳定性，有效避免线束的腐蚀，同时确保产品与电机绕组绝缘漆，绝缘纸，密封件，套管等非金属材料的兼容特性

升级的抗氧化性能：拥有更加优秀的氧化稳定性，防止高温热氧化，减少油泥漆膜的生成，并且减少氧化后油品的电气性能的变化，从而保证电驱动系统各部件的稳定运行

同时，考虑到减速箱系统的润滑需求，油品依旧要对齿轮轴承等部件提供良好的润滑保护，针对电机转速高达12000rpm以上以及较高的输入扭矩，油品同时需满足减速箱的润滑要求：

出色的抗磨承载特性：采用独特的抗磨配方体系，即使在低粘度下，也能对于高速旋转的齿轮齿面，输入端、输出端轴承提供抗磨承载特性，大大减少磨损量

良好的表面特性：注重油品的泡沫和空气释放性的控制，即使在高速电机输入的运行状态下，从配方上控制泡沫产生的倾向，以及可能产生的负面影响

良好的高低温性能：产品完全能够满足低温起动的要求，实现冬季启动无忧，减低启动扭矩；另外高温下，能够提供适宜的润滑油膜，保护啮合部件

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