马勒开发新款直冷式“多合一”机油管理模块 有助于提升电机功率

2020年10月27日，《节能与新能源汽车技术路线图2.0》正式发布。该 告中提出，到2035年，乘用车电机的比功率须达到7.0 kW/kg，电机系统的高效运转工况区应覆盖全部工况区的80%，电机最高效率应超过95%。

0 前言

目前，新能源汽车对电机功率密度的要求越来越高，对电机散热效率的要求也在相应提高。随着汽车驱动系统集成化的发展，业界对驱动系统的散热能力提出了更高的要求。相比水冷系统，散热效率更高的直接式机油冷却系统的市场需求有望实现快速增长。根据知名研究机构埃信华迈（IHS Markit）的预测，到2030年，直接式机油冷却系统所占的市场份额将提升至35%以上。

1 马勒开发紧凑高效的“多合一”机油管理模块

部分电动汽车的动力装置搭载了机油冷却系统，为满足其日益增长的机油管理需求，马勒旗下的研究人员开发了1款集成了过滤器、电动机油泵，以及机油冷却器的“多合一”机油管理模块（图1）。马勒的这项创新能够帮助汽车厂商应对电驱动系统所带来的技术挑战。

图1 马勒新款机油管理模块所包含的零件

2 马勒“多合一”机油管理模块彰显差异化优势

马勒旗下的研究人员在开发新款机油管理模块时，须满足直冷式动力总成系统所需要的全部功能，包括冷却、过滤和机油输送等方面，并应确保系统内部具有最低的压力损失、尽可能轻的质量、良好的噪音表现，以及安装灵活性。研究人员通过减少机油管理模块与动力总成系统的接口，明显减少了安装时所需要的零件数量，相应减轻了整车质量，并降低了总成本。

3 成本更低、智能化程度更高的机油回路热管理系统

为了减少发动机冷起动初期的压力损失，并快速调节机油的参数（图2（a）），研究人员可以打开旁通阀，使机油在流动时可以绕过机油冷却器。上述功能可以通过蜡式节温器来实现。随着温度的提高，蜡式节温器可以关闭旁通阀，从而使机油流过机油冷却器。电控节温器可使阀门开启速度显著提升（图2（b））。目前，研究人员通过采用配备了比例阀的直接控制式节温器，可有效降低成本。该款直接控制式节温器的最佳温度控制范围约为45～60 ℃。对商用车而言，阀门的快速开启有利于降低燃油耗，并可以实现250 kPa的压降和150 L/min的体积流量（100 ℃条件下），从而使系统可在短时间内快速加热机油回路。

（a）机油管理模块的布局

（b）电控节温器

图2 机油管理模块的布局及电控节温器

4 已获专利的压力侧过滤方案

目前，马勒旗下的研究人员针对压力侧过滤研发出了一系列方案，并获得了相关专利。研究人员通过采用该方案，对机油泵的类型、尺寸和功率能进行更灵活的选择。该项设计方案显著降低了机油泵吸入侧出现起泡和穴蚀等现象的概率，相应提升了机油泵的流量，并使机油泵在低流量时也能实现更有效和更精确的控制过程。在60～80 ℃的温度控制范围内，该方案可使机油泵的体积流量达到20 L/min。

机油滤清器采用了全合成材料，该类材料对直径为11 μm的颗粒的过滤效率高达50%，并且在70 ℃时仅有10 kPa的压力损失。滤芯由2层材料构成，分别为无纺布（PET）和聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）（图3）。研究人员将PET作为主滤材，并将PBT作为支撑层。滤芯具有较好的透气性，由此可以显著降低压力损失，并使机油滤清器具有良好的冷起动性能和耐久性能。

（a）机油滤清器滤芯

（b）机油滤清器2层过滤材料的微观结构

图3 机油滤清器滤芯和2层过滤材料的微观结构

5 第3代机油冷却器

研究人员在为纯电驱动系统和混合动力驱动系统选择机油冷却器时，须使机油冷却器具有足够的冷却性能，并使机油侧具有较低的压降。机油冷却器的压降及机油回路中的其他部件决定了电动机油泵的排量，从而决定了驱动系统的功率损失程度。为满足电驱动系统的要求，马勒旗下的研究人员目前正在开发新一代机油冷却器（图4）。相比原产品，新款机油冷却器的质量减轻了10%，高度降低了15%，压降减少了5%。该功能主要可通过优化冷却液侧的热传递过程来实现。与内燃机的机油回路相比，电力驱动系统的机油回路的工作压力更低，因此可以使用壁厚更薄的部件。

图4 马勒机油冷却器

6 滑动钟摆式电动机油泵

为了有效排出电机运行时产生的废热，研究人员通常会采用水-乙二醇冷却液，以提升冷却效果。如果研究人员直接用绝缘油作为冷却介质，可以显著提高冷却性能。

由于无法提供连续的机械输入，因此纯电动汽车和混合动力汽车中的部件冷却需要使用电动机油泵。湿式油底壳和干式油底壳的润滑系统都需要在﹣40～130 ℃的温度条件下将机油输送到相关的零件上。电动机油泵的技术要求与内燃机机油泵差异较大，所需要的体积流量通常较低，并且其油压数值也低于典型的内燃机机油泵。除了必要的冷却性能之外，机油泵所需要的最高功率很大程度上取决于通过管道、过滤器和机油冷却器等部件的压降，以及机油泵本身的功率损失。机油泵可由集成的脉冲宽度调制（PWM）、控制器局域网络（CAN）、局域互联网络（LIN）等通信系统进行控制。由于具有机油供给系统所需要的高容积效率和机械效率，并表现出良好的耐磨损性能，马勒滑动钟摆式电动机油泵更适合于电驱动力系统。无论油压和转速如何，与电动内齿轮泵和叶片泵相比，滑动钟摆式电动机油泵的整体效率更高（图5）。在供油的低压工况范围内，滑动钟摆式电动机油泵的容积效率较高，并且该参数会随着转速的提高而增加。在0.25～0.80 MPa的油压范围和2 000 r/min的转速条件下，与电动内齿轮泵和叶片泵相比，滑动钟摆式电动机油泵的效率要高出7%～12%。在0.4～0.8 MPa的油压范围与4 000 r/min的转速条件下，滑动钟摆式电动机油泵的效率最多可高出20%。

（a）马勒滑动钟摆式电动机油泵的数字模型

（b）马勒滑动钟摆式电动机油泵的内部结构

图5 马勒滑动钟摆式电动机油泵

7 低噪声水平

对于电驱动力系统而言，具有较低的噪声水平尤为重要，该目标通过优化模块结构设计即可实现。在声学开发期间的模拟过程证实了这一点，研究人员测量了机油泵和模块外壳上的结构噪声，并进行了相关验证。与采用铝制外壳的机油管理模块相比，由于全塑料模块的杨氏模量较低，因此会带来更严重的声学问题。研究人员通过在相关区域布设加强元件，可以显著提高塑料模块的固有频率，并可将A加权声压级降低到60 dB以下。

8成熟的开发经验与广泛的应用领域

由于马勒直冷式“多合一”机油管理模块采用了先进的设计理念，并具有优越的性能表现，因此已在欧洲某款电动汽车平台上得到了批量使用。表1为针对轻型车辆和重型车辆而开发的机油管理模块参数。图6为针对轻型车辆和重型车辆而开发的新款机油管理模块组件。目前，马勒正在与全球范围内的多家重要客户就该款产品进行商业洽谈。

表1 针对轻型车辆和重型车辆而开发的新款机油管理模块的参数

图6 针对轻型车辆和重型车辆而开发的新款机油管理模块组件