混動變速器潤滑油體積電阻率的影響因素研究

遲涵文

廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院

供圖/遲涵文

中國新能源汽車技術歷經30 年的發展，通過大量科研項目的攻關、產業鏈布局的逐步完善及政策的大力扶持，培育出中國的新能源汽車產業。2018 年我國新能源汽車銷量首次突破100 萬輛，2022 年底我國新能源汽車產銷量突破688 萬輛，以比亞迪、廣汽埃安為代表的自主品牌崛起，市場份額已超過合資品牌。助力汽車行業碳達峰、碳中和目標的實現，在新能源汽車賽道上實現了彎道超車。

新能源汽車主要包括純電動汽車、插電式混合動力汽車和燃料電池汽車3 種類型，在其傳動系總成的技術發展過程中，油冷化、集成化、輕量化、小體積的系統一直是主要趨勢。在如今高功率密度和高轉矩密度的條件下，采用傳統冷卻方式的驅動電機散熱能力不足，使得車輛在最高車速和高寒等應用環境下的使用都受到了限制，而油冷電機技術的應用能夠很好地解決該問題。潤滑油絕緣性能良好，沸點比水高，凝點比水低，使之可以深入到電動機轉子、定子繞組等的內部進行更高效的熱交換，提高了電機的冷卻效率，提高軸承的潤滑冷卻效果[1]；同時，減少了冷卻水道和風扇等之后，可以使變速器結構更加緊湊。

新技術帶來新材料，新材料面臨新挑戰。油冷技術之下，潤滑油也不再僅僅考慮軸齒保護性能、防腐防銹性能、摩擦磨損性能等，還需要著重考慮電機材料的兼容性和潤滑油材料本身的電學性能，這都是傳統車用潤滑油未能關注的內容，包括體積電阻率、導電率、擊穿電壓、介電常數等。鑒于油冷變速器使用的電氣部件越來越多，潤滑油的電氣性能非常重要，為表征潤滑油的絕緣性能和消除靜電耗散的能力，本文著重研究了體積電阻率的影響因素和設計限值[2]。

新能源混動汽車變速器越來越多地使用集成油冷電機，面對變速器內日益增多的電氣元件，潤滑油的電氣特性受到廣泛關注。其中，體積電阻率是表征潤滑油的絕緣性能及消除靜電耗散能力的一項重要指標。本文以一款市售混動變速器潤滑油為研究對象，從油品組成和使用狀況角度考察了其體積電阻率的影響因素。研究結果表明，基礎油體積電阻率在105 ～106 MΩ·m，成品潤滑油的體積電阻率在6～150 MΩ·m，添加劑[ω（基礎油）：ω（復合添加劑包）=25:75]的體積電阻率在0.1～10 MΩ·m，均在絕緣范圍，添加劑的加入是成品油體積電阻率下降的主要原因；隨著潤滑油的含水量上升（含水量≤3 000 mg/kg），體積電阻率有下降趨勢，而在125 ℃，含水量3 000 mg/kg時，油品體積電阻率為0.89 MΩ·m，依然是絕緣的；在10 萬km 的行車試驗中，試驗油品的體積電阻率隨行駛里程的增加，從新油的150 MΩ·m 降低到90 MΩ·m 左右，這一體積電阻率的降低是由油品的高溫氧化、運動黏度降低及磨損金屬元素的增加共同導致的。

試驗部分

試驗材料

試驗材料為一款已量產混動變速器潤滑油的成品油，及其所使用的III 類基礎油、復合添加劑包。成品油的理化性能參數見表1。

表1 混動變速器潤滑油的理化性能參數

試驗設備及測試方法

使用Tettex InstrumentsTM2830/2831 精密介電分析儀進行體積電阻率測量，其能夠分析從室溫到150 ℃的液體樣品。每次測量前，用庚烷徹底清洗樣品池，并在氮氣環境下晾干，將40 mL 油樣放入一個帶屏蔽測量電極的圓柱形測試池中，當樣品達到測試溫度時，施加500 V 直流電壓 60 s，得出導電率后計算出體積電阻率。

材料成分對成品油體積電阻率的影響

體積電阻率與導電率的關系

體積電阻率和導電率互為倒數關系。體積電阻率和導電率的計算公式如下：

式中：

ρ—體積電阻率，Ω·m；

R—電阻，Ω；

S—導體截面積，m2；

L—導體長度，m；

κ—導電率，Ω-1·m-1(S/m)。

以純水的電學性能為例，其在25 ℃下的體積電阻率為1 000 MΩ·m，則對應的導電率為10-9S/m。

基礎油和添加劑的體積電阻率

通過比較基礎油、成品油、復合添加劑包在不同溫度下的體積電阻率來研究其影響作用，因添加劑液體黏度過大，將25%（質量分數，下同）基礎油+75%復合添加劑包進行混兌，代表添加劑進行測試?；靹幼兯倨鳚櫥筒煌M分的體積電阻率隨溫度變化值如圖1 所示（為方便比較液體體積電阻率數量級的差距，采用對數軸）。

圖1 混動變速器潤滑油不同組分的體積電阻率

由圖1 可以看出，與金屬導電性能相反，成品油和添加劑的體積電阻率隨著溫度增加而降低，lgρ與溫度基本呈線性關系，符合阿倫尼烏斯經驗公式的一般情況。但基礎油的電阻率在高溫時下降較快，阿倫烏尼斯方程呈非線性關系，猜測是試驗過程中發生了高溫氧化反應，產生一定的極性較強的氧化產物導致電阻率加速降低；含有添加劑的油不出現該現象，是因為添加劑復合包中含有抗氧劑，在一定程度上抵制了氧化反應的發生。油品整體電阻率隨溫度升高而降低的原理可以依據Walden 規則“溶液中極限摩爾電導率與黏度的乘積為一常數”來解釋[3]，是由于溫度升高油的黏度降低，電荷載體的流動速度隨之增加，并且溫度增加提高了添加劑的溶解性，極性離子濃度增加，導致溶液中的體積電阻率進一步降低。所以，體積電阻率隨溫度的變化是跟黏度變化相關的。

測試油樣（ 基礎油、 添加劑、成品油）的體積電阻率大約在0.1～106MΩ·m 范圍內，但在整個材料體系里只是一個比較小的范圍而已，一般的金屬導體的體積電阻率約為10-14MΩ·m，絕緣體塑料的體積電阻率約為106～1010MΩ·m，因此認定油在其電阻率范圍內是絕緣的，不必擔心電機短路的風險。同時業內普遍認為如果油的體積電阻率過高，它在靜電消散方面的效果就會降低，可能導致電荷累積，靜電放電造成電機元器件損壞的風險。

實際上，幾乎沒有一種絕緣材料是絕對不導電的，任何一種絕緣材料在其兩端施加電壓，總會有一定電流通過，這種電流的有功分量叫做泄漏電流，而這種現象也叫做絕緣體的泄漏。漏電電流是一定電氣設備工作時允許的漏電電流值的標準，旨在保障電氣設備的正常運行，ISO6469-3《電動汽車的安全規范》中規定漏電電流不得高于2 mA。計算公式如下：

式中：

I——電流，A；

U——電壓，V；

a——變速器的腔體電阻常數，m/m2；

ρ——體積電阻率，Ω·m。

變速器的腔體電阻常數范圍在0.8 ～1.0 m/m2之間，取最小值0.8 m/m2，成品油體積電阻率取最高工作溫度100 ℃時為8.0 MΩ·m，設計電壓350 V，計算得到漏電量I為54.7μA，遠遠小于ISO 規定的漏電限值2 000μA。同理，a和I取最大值時，可計算得到安全體積電阻率的最小值，為0.175 MΩ·m，150 ℃之內潤滑油的體積電阻率設計值不應低于此。

成品油是由添加劑與基礎油兩大類組成的，成品油的體積電阻率略高于添加劑?；A油的體積電阻率比成品油的體積電阻率高出 4～5個數量級，但是它們之間的黏度變化不超過2 倍，說明添加劑的引入是影響體積電阻率的主要因素，而不是黏度的變化。添加劑中清凈分散劑等極性物質有利于電荷遷移，電荷載體數量的增加導致成品油的體積電阻率大幅低于基礎油[4]。

使用狀況對成品油體積電阻率的影響

水分的影響

混動變速器中油冷電機對于潤滑油中含水量比較敏感，高壓元器件會使水分在一些存在壓差的死角富集，存在絕緣失效的風險。但是成品油中本身就存在著微量水分，在華南潮濕地區，車輛運行過程也會導致含水量的上升，因此對加水后的油水混合物體積電阻率進行研究，測量25 ℃下的體積電阻率（測試方法：在成品油中加入一定量去離子水，機械攪拌0.5 h，攪拌泵速率15 000 r/min。），同時測量了相應的擊穿電壓（采用ASTM D1816），結果如圖2 所示。

圖2 混動變速器潤滑油不同含水量下的體積電阻率及擊穿電壓

由圖2 可以看出，當成品油中含水量在3 000 mg/kg 以下時，體積電阻率隨著含水量增加而降低，降低幅度保持在一個數量級。測試了125 ℃時3 000 mg/kg 含水量的油水混合物體積電阻率，結果為0.89 MΩ·m，仍然是絕緣的。水分子具有非常大的偶極矩，在溶液中很容易實現離子的溶解，而潤滑油的碳氫化合物的偶極矩非常小，溶解離子的能力有限，水分子的增加可以提高帶電物質的數量。同時，隨著含水量增加，油品擊穿電壓降低，從60 kV 降到16 kV，均高于空氣在此方法下的擊穿電壓（6 kV）。因此，認為混動潤滑油中含水量低于3 000 mg/kg 時，電學性能依然保持穩定。但實際使用過程中，考慮到一些添加劑存在水解和金屬的銹蝕，大多建議含水量控制在1 000 mg/kg 以內。

舊油的影響

在復雜的實際工況下，成品油的老化劣化等問題也是其電學性能變化的重要影響因素。根據兩組10 萬km 的混動車輛行車試驗來監測油樣的理化性能指標變化。更換混動變速器內的潤滑油，重復3 次充分沖洗掉舊油，在試驗場行駛20 min 磨合后取樣，記為0 km 油樣。后續(每10 000 km 取油樣100 mL進行理化性能檢測，測量25 ℃下的體積電阻率，每30 000 km 定期補充新油。兩臺車的A 和B 油品的體積電阻率隨行駛里程的變化如圖3所示。兩臺車的理化性能數據接近，以A 車為例，運動黏度和磨損金屬元素含量隨行駛里程的變化如圖4所示。

圖3 兩組混動變速器潤滑油使用過程中的體積電阻率

圖4 A車混動變速器潤滑油使用過程中的100 ℃運動黏度和磨損金屬元素含量

由圖3 和圖4 可見，在整個行駛過程中，體積電阻率從130 MΩ·m 波動下降到90 MΩ·m左右，變化量相對較小，基本保持穩定。新油的體積電阻率150 MΩ·m，0 km 的體積電阻率降低至130 MΩ·m 左右，是因為磨合后運動黏度下降3%導致的，后續運動黏度緩慢降低，總體變化率小于6%。并且磨合后，鐵、鋁含量增加了30～40 mg/kg，可能增加了導電性，因而電阻率降低。10 萬km 行駛里程內，含水量基本穩定不變，在460～600 mg/kg 之間浮動，酸值在整個試驗周期內保持在0.95～1.27 mgKOH/g，可忽略含水量和酸值的影響。行車試驗過程中，體積電阻率降低，是因為：

◇油品高溫氧化后產生了更多的自由電子和酸、醛等極性物質，增加了電荷載體；

◇潤滑油的黏指劑等大分子物質經過齒輪剪切后導致油品運動黏度下降，引起一定的體積電阻率降低；

◇磨損金屬元素含量的增加，對導電性的增加也有一定影響。

結論

☆實驗室所測成品潤滑油的體積電阻率在10～103MΩ·m（工作溫度25～100 ℃）。行車試驗中成品潤滑油的體積電阻率實測值是90～130 MΩ·m，大于最小的安全體積電阻率0.175 MΩ·m，基本能夠滿足車輛安全行駛的需要。

☆體積電阻率隨溫度的變化是跟黏度變化相關的。成品油的體積電阻率略高于添加劑，基礎油的體積電阻率比成品油的體積電阻率高出 4～5 個數量級，添加劑的加入是成品油體積電阻率下降的主要原因。

☆普遍認為油冷電機的潤滑油對于其中含水量比較敏感，但含水量在3 000 mg/kg 以內的成品潤滑油的體積電阻率在0.89 MΩ·m 以上（25～125 ℃），仍然是絕緣的，綜合考慮其他影響因素，建議控制含水量不超過1 000 mg/kg。

☆從10 萬km 的行車試驗數據來看，混動變速器潤滑油的體積電阻率隨試驗里程的增加，有降低的趨勢，主要是受使用過程的高溫氧化、油品黏度下降和磨損金屬元素的增加所影響的，其主要影響因素將在后續工作中進行深入研究。