戈爾是一家以材料科技為本的全球性公司，專注于研發(fā)創(chuàng)新產品及技術，為清潔能源、汽車、醫(yī)藥、移動電子等諸多領域的客戶解決產品及工藝方面的復雜難題。2022年12月8日，由蓋世汽車主辦的2022第三屆汽車電驅動及關鍵技術大會中，據戈爾（深圳）有限公司中國區(qū)應用工程總監(jiān)方偉介紹，如果電機中的壓力下降，對應的集成電壓也會下降，從而會帶來放電風險，影響電機壽命。面對電驅系統(tǒng)內部復雜的油汽環(huán)境，方偉強調，需找到合適的透氣方案，迅速平衡電驅系統(tǒng)內外部的壓差；此外還需要防止水、灰塵、冷凍液等污染物進入電驅系統(tǒng)內。

經過眾多汽車制造商和各級供應商的證明和驗證，適用于電驅系統(tǒng)的GORE?汽車防水透氣產品（GPV）擁有出眾的性能，不僅能防止水和污物進入電驅系統(tǒng)，還能夠有效降低傳動系統(tǒng)或共腔油冷系統(tǒng)油液涉水乳化的風險，從而提高電驅系統(tǒng)的可靠性。

方偉 | 戈爾（深圳）有限公司 中國區(qū)應用工程總監(jiān)

以下為演講內容整理：

談到汽車防水透氣產品可能大家既陌生，又不陌生。陌生是因為這個產品比較小，且一般安裝在比較隱秘的地方；而不陌生是因為防水透氣產品在汽車中上百個或更多零部件內都需要用到。今天，我將分享戈爾在電驅系統(tǒng)領域的一些經驗和理解以及測試數據，希望能為行業(yè)的技術發(fā)展貢獻微薄之力。

趨勢和挑戰(zhàn)：電動汽車的電驅系統(tǒng)

隨著新能源汽車性能提高，對驅動電機也提出了更多要求。從性能角度出發(fā)，更好的駕駛體驗通常需要電機具有更低成本、更高效率、更高功率密度、更長壽命等。為了解決這些問題，電機技術也在不斷革新。其中，扁線、高壓電機、油冷電機，多電機近年的關注度比較高，對于提升電機功率密度、提升效率降低損耗具有顯著作用。此外，800V高壓、多電機技術、輪邊電機、輪轂電機等近年來也越來越受到關注。

電機新技術對于防水透氣產品有什么不一樣的要求？有些朋友會想，為何要使用防水透氣產品，而不是干脆直接把電機密封好？對于車內的密閉腔體來說，頻繁的溫度變化、海拔的變化都會導致腔體內外有壓差，如果壓差沒有被及時釋放，長期以來將導致密封失效，因此我們需要透氣功能。

在透氣的同時，也不能讓水和灰塵等污染物進入電驅系統(tǒng)。尤其是油冷電機對于油品中的水和污物含量要求較嚴格，且承受能力更低。過去電驅系統(tǒng)的防水要求通常為IP67，但如今越來越多廠家提出了IP68，IP69K的防水要求，且還需通過嚴格的整車涉水測試。另外如果電機透氣不暢，根據帕邢定律，電機腔體內的負壓會增加線圈電弧放電的風險，這也會影響電機壽命。

圖片來源：戈爾

可能有些朋友還不是很了解帕邢定律（Paschen’s law），這里做個簡單的介紹。右圖中的橫坐標是電極距離和氣體壓力的乘積，縱坐標是開始形成電弧或放電的擊穿電壓。在電機驟冷或海拔迅速下降等工況下，電機內氣壓就會有所降低。而這個曲線從右往左看，如果電極間距離一定，隨著氣壓降低，對應的耐受擊穿電壓近似于線性降低，這會帶來電弧放電的風險，將影響電機壽命。

那么該如何減少電弧放電風險？是否要增加安全電氣距離，也就是增加線圈繞組之間的距離，或者干脆降低系統(tǒng)電壓，又或者是把絕緣涂層做得更好一點來避免這樣的風險？但這并不符合電機越來越緊湊、電壓越來越高的趨勢。因此可以考慮采用合適的透氣方案，使壓力快速趨向平衡，來降低電弧放電風險。

然而要找到一個合適的透氣方案卻沒那么簡單。目前汽車電子元器件防水透氣普遍采用的是膨體聚四氟乙烯（ePTFE）透氣膜，但在共腔油冷電機的減速器上，透氣膜被油浸潤后往往會導致其防水功能和透氣功能失效。

在共腔體油冷電驅系統(tǒng)內，首先液體油會通過齒輪運動和車輛運動飛濺到腔體內的各個位置；其次是油霧化、氣溶膠，通常不可見，是潤滑油液被高速轉動的齒輪剪切造成的；另外還有油蒸汽，由電機線圈的高熱導致冷卻油中小部分沸點較低的成分揮發(fā)形成。所以整個腔體內有油液、油霧、油汽共同存在，簡單的透氣膜直接面對這些物質會很快失效，因此普通的透氣膜方案不太適用于油冷電驅系統(tǒng)。

總結一下：對于電驅系統(tǒng)，尤其是油冷電機的防水透氣產品需要能夠應對多重挑戰(zhàn)，首先要迅速平衡內外部壓差，其次是要防止雨水、灰塵、車用液體等污染物的進入，再就是電驅動的防水透氣方案必須能面對內部復雜的油汽環(huán)境。

適用于電驅系統(tǒng)的GORE?汽車防水透氣產品

戈爾是怎么解決這些問題的？戈爾公司發(fā)明的防水透氣產品VE2048不僅適用于電驅動，還可用于傳統(tǒng)油車的傳動系統(tǒng)和驅動系統(tǒng)。這款產品于2008年上市，至今已有14年歷史，目前美國、歐洲、日本等地的許多大型主機廠都在使用這款產品，該產品出貨量已超過了3000萬件。近年來，這款產品在電驅動上的應用量已超過200萬件。

圖片來源：戈爾

接下來具體看一下這款產品的內部結構。上層白色的薄膜是由戈爾發(fā)明的ePTFE透氣膜，具有防水、防塵、透氣以及疏油的功能。它頂部有保護蓋，可以防止這層透氣膜受到來自外部的機械沖擊。下層的灰色部分是預過濾器，起到吸附氣溶膠的作用，這是由戈爾通過多年廣泛的材料篩選和大量的實驗室測試比較后得到的最優(yōu)設計。最下邊的尖錐結構可直接插入電驅系統(tǒng)或減速箱上的膠管進行安裝，方便快捷。

戈爾的VE2048目前已經用于油冷電機、減速機，以及油冷電機和減速共腔體的集成型電驅系統(tǒng)。該產品最早用于電驅系統(tǒng)上是在2017年，至今已超過5年。超過20個已量產的電驅平臺采用VE2048作為其防水透氣方案，并且至今保持零售后投訴。值得強調的是，有部分應用VE2048的車型屬于網約車和出租車市場，眾所周知，這些車的使用頻率和每年行駛里程遠超于普通私家車，這也驗證了VE2048的高可靠性和耐久性。正因如此，目前已有越來越多的客戶正在和戈爾探討如何將VE2048應用于混動車和純電車的電驅動平臺。

正如前面所說，電驅系統(tǒng)和其他電子產品相比，在防水透氣方面有其特殊性，應用環(huán)境較惡劣，外部有水、灰塵、砂石甚至有腐蝕性液體，內部有各種形態(tài)的油液、油霧、油汽，再加上各種振動、機械沖擊等，這需要我們在設計電驅動的早期階段就要考慮如何設計和選擇防水透氣方案，否則后期可能將面臨無法達到設計目標或驗證不夠充分的情況。

圖片來源：戈爾

戈爾推薦采用膠管連接的安裝方式，也有部分廠家出于空間、成本以及生產組裝方面的考慮自己設計了一些其他類型的安裝方式，總之VE2048下面的接口適用于多種安裝方式。除了安裝方式之外，還有一些通用的原則來保證這款透氣塞的可靠性和壽命。

首先要在安裝透氣塞的通孔下需設計擋油板或者迷宮結構，避免油液直接飛濺進透氣塞，導致透氣塞提前失效。

再是它的安裝位置，將這款防水透氣產品盡量布置于遠離氣溶膠來源的地方（如主齒輪）可使其壽命更長，且需要盡量遠離產生油蒸汽的高溫線圈，因此需盡量在開發(fā)早期就考慮到該產品的安裝設計。

此外，雖然戈爾的這款產品的膜是疏油性的，偶爾接觸到油液不影響其防水透氣性，但應避免長期被油浸泡，這也是剛剛為什么要強調需要設計擋油板或者迷宮結構。

再來看一下戈爾是如何驗證VE2048的性能的。戈爾通過了汽車行業(yè)的各種認證，對產品本身嚴格按照汽車行業(yè)的標準做了防侵入、溫度、環(huán)境、機械、化學等各種測試，所以我們的產品是受到業(yè)界認可和客戶信賴的。除此之外，我們也有選擇性地做了一些車載測試。

圖片來源：戈爾

幾年前戈爾就開始做了實車的涉水測試。戈爾將這款防水透氣產品裝載在車輛后橋齒輪箱上完成了多次涉水試驗，深度為450毫米和600毫米，遠高于國標及企業(yè)標準，該產品在測試過程中經受了比較強烈的水沖擊。我們在不同測試階段共做了5次循環(huán)，并在不同階段抽樣測試了齒輪箱內油品的水含量，發(fā)現(xiàn)沒有任何變化，這說明VE2048即使在高強度的涉水測試中也有良好的防護表現(xiàn)。

我們還比較了僅采用防水透氣膜的同類防水透氣產品和戈爾帶有集成預過濾部分的管道安裝型防水透氣產品，發(fā)現(xiàn)在行駛超過24萬公里后，戈爾的VE2048防水透氣產品透氣量只略微減少，衰減較為平緩。而僅用同類防水透氣膜的透氣產品，在行駛不足800公里后就被氣溶膠堵塞，衰減幾乎垂直往下，透氣量降至0，這就是為什么我們需要在有油的環(huán)境或電驅動的環(huán)境內對防水透氣方案進行特殊考量。

對比測試

圖片來源：戈爾

這是市面上用于電驅動或傳動系統(tǒng)最常見的三個方案。我們對比了三個方案的各項性能和綜合成本的比較，標紅色的表示得分最低的部分。

第一個是長的通氣管，可以看到它的紅色項目最多，這也是為什么現(xiàn)在的電驅系統(tǒng)中透氣管方案已經比較少見，因為無論是防水防塵和設計安裝難度，還是在總成本方面它都不占優(yōu)勢。

第二個是金屬帶彈簧結構的透氣帽，這個方案目前應用得較多，它在單件成本和設計安裝難度上都表現(xiàn)不錯。但考慮到它在壓力平衡和防水方面的缺陷，其風險成本也較高。

綜合來看，戈爾VE2048可以說是目前電驅系統(tǒng)最優(yōu)的防水透氣方案。當然，近年來市場上也有少數外形和VE2048類似的產品出現(xiàn)。

我們有一個實際案例。一家OEM的初始設計是這樣一根通氣管，總長超過一米，并且有7個固定卡扣，設計比較復雜。在車輛上市前幾個月，該OEM發(fā)現(xiàn)這個方案無法通過100%涉水測試，所以他們急需找到一個能提供更好防護的解決方案。于是他們選擇了戈爾的防水透氣產品VE2048，就在很短的時間內完成了10萬公里車載耐久測試。

在完成10萬公里測試后打開VE2048的保護蓋，透氣膜上已經覆蓋了很多泥土。而即使是這樣惡劣的工況下，該產品的透氣量還有80ml/min, 且把透氣膜用水簡單清洗一下后透氣量又大幅恢復，達到了284ml/min。值得一提的是，該OEM的耐久試驗條件可能相對比較惡劣，實際上我們看到很多返回的樣品上并沒有這么臟。而且我們在涉水工況或者是洗車的時候，這些灰塵和泥土都可以被沖掉?？偠灾?，即使經過了10萬公里的測試，VE2048產品本身并未受到很大影響，仍保持了良好的透氣量。相對于長通氣管，戈爾VE2048提供了更簡潔可靠的方案。

圖片來源：戈爾

再來看一組對比試驗，第一次實驗車上安裝的是戈爾的VE2048，第二次實驗車上安裝的是金屬透氣帽。我們可以看到在涉水后，兩種透氣方案的齒輪箱都因為溫度驟降，內部壓力也相應降低，形成負壓。但在VE2048的測試中，負壓在涉水結束后迅速恢復到常壓，而金屬透氣帽的方案中，負壓保持了相當長的一段時間。

這是因為戈爾的方案中，透氣膜是通過ePTFE微孔迅速的進行內外壓力平衡；而金屬通氣蓋的產品因為其固有的結構設計，無法迅速從負壓中恢復過來。此時如果周邊有殘留的水滴就很容易因為負壓被吸入腔體，帶來機油乳化的風險或產生絕緣問題。另外，這種負壓帶來的另一個風險就是在帕邢定律下，負壓會導致電弧放電風險。因此金屬透氣帽方案將對電驅系統(tǒng)尤其是油冷電機帶來相當風險，越來越多的客戶和主機廠也因此逐漸轉向了戈爾的方案。

圖片來源：戈爾

防水透氣產品最早由戈爾在2008年發(fā)明，但此后市場上逐漸出現(xiàn)了與我們外形相似的產品。這是VE2048和市場上和VE2048外形比較類似的一款產品的對比，我們稱之為B零件。這個測試由戈爾美國實驗室通過右上角的油氣溶膠模擬裝置來完成。這個裝置可以產生將大量的油氣溶膠，然后被氣流輸送經過透氣塞，模擬驅動系統(tǒng)里的油汽環(huán)境，讓透氣塞快速失效，最后測試透氣量來判斷樣件的耐久時間。

我們測試了5個VE2048，其透氣量衰減曲線基本一致，大約在70小時后透氣量降到失效標準。而用于對比的B零件，雖然其初始透氣量遠高于VE2048， 但只過了約17小時就會失效。當然也需要說明，這個測試結果采用的是戈爾的實驗室模擬測試條件，只能用于參考，不能完全代表在實際車輛上的壽命表現(xiàn)。

戈爾產品在可靠性、技術專長和全球支持等方面，一直得到業(yè)內各個合作伙伴的深度認可。戈爾所有車規(guī)級產品均符合業(yè)界嚴格的測試標準，且戈爾在中國、日本、歐洲和美國都有測試實驗室，為客戶技術支持服務。也可以提供樣件的分析測試，協(xié)助客戶排查應用風險。

這款產品上市已超過14年，經過眾多汽車制造商和各級供應商的證明和驗證，為各種傳動驅動系統(tǒng)提供高質量的保護和壓力平衡。我們也希望戈爾的這款產品方案能助力更多的電驅系統(tǒng)，減少故障和風險，讓電驅系統(tǒng)更加可靠耐用。

關于戈爾

戈爾是一家以材料科技為本的全球性公司，專注于材料科技，我們致力于把產品用在各種嚴苛的產品應用環(huán)境中，解決技術難題。我們在全球擁有12000名員工，是美國200家最大的私有企業(yè)之一。我們的研發(fā)和工廠分布于美國、德國、英國、日本和中國，銷售辦事處遍布全球各地。戈爾現(xiàn)在擁有超過5500個專利，年銷售額超過45億美金。戈爾擁有獨特的企業(yè)文化，即員工的每個想法和每項發(fā)明都會得到重視，這使得戈爾連續(xù)十年被全球評為最佳職場。

根據不同行業(yè)的屬性，戈爾公司內部有三大事業(yè)板塊，分別是紡織品事業(yè)部、醫(yī)療產品事業(yè)部和汽車產品所在的創(chuàng)新方案事業(yè)部。創(chuàng)新方案事業(yè)部致力于提供突破性的高性能解決方案和復雜產品，涵蓋幾個關鍵市場和行業(yè)，例如半導體、航空航天、?汽車、移動電子設備和生物制藥，汽車燃料電池上的質子交換膜也是戈爾業(yè)界領先的產品。

戈爾公司進入汽車行業(yè)已經有超過35年的歷史，一直與汽車制造領域的各大Tier1 和OEM保持良好的合作。除了電驅系統(tǒng)，我們在電動車上的典型應用涉及到自動駕駛/ADAS傳感器、底盤與傳動系統(tǒng)以及動力儲能系統(tǒng)等。憑借可靠的科學基礎和專業(yè)知識，戈爾為電動汽車電子元器件的綜合防護提供解決方案。

（以上內容來自戈爾（深圳）有限公司應用工程總監(jiān)方偉于2022年12月8日，由蓋世汽車主辦的2022第三屆汽車電驅動及關鍵技術大會發(fā)表的《適用于電驅系統(tǒng)的GORE?防水透氣產品》主題演講。）

返回第一電動網首頁 >