Wasser

Das Wärmemanagement früherer Generationen von Elektrofahrzeugen (EVs) mit hoher Leistungsdichte erfordert direkte Kühlstrategien, bei denen die Kühlflüssigkeit in direktem Kontakt mit den heißen Stellen des Elektromotors steht. Bei einem Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM) erzeugen die Statorkopfwicklung und die Rotormagnete eine gewisse Wärmemenge, die durch eine herkömmliche Wassermantelkühlung nicht ausreichend gekühlt werden kann. Daher die Entwicklung der Direktölkühlungstechnologie, bei der das Getriebeöl als Kühlmittel für den Elektromotor verwendet wird. Diese neue Kühlarchitektur implementiert im Allgemeinen eine hohle Rotorwelle, durch die das Getriebeöl fließt. Darüber hinaus ermöglichen Löcher an beiden Kanten der Rotorwelle, dass das Getriebeöl dank der Zentrifugalkraft auf die Wicklungsköpfe spritzt. Das direkte Ölkühlsystem verbessert die Wärmeübertragung deutlich.

Diese Verschiebung wurde nicht durch die Tatsache motiviert, dass ein Getriebeöl bessere Kühleigenschaften als ein wasserbasiertes Kühlmittel hat. Im Gegenteil ist Wasser aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit (Faktor vier im Vergleich zu Öl), seiner hohen Wärmekapazität (Faktor zwei) und seiner niedrigen Viskosität oft eine ideale Kühlflüssigkeit. Es wurde jedoch angenommen, dass die Anwendung von Wasser aus zwei Hauptgründen nicht durchführbar sei. Erstens interagiert die Kühlflüssigkeit direkt mit elektrischen Komponenten, wo hohe elektrische Ströme und Spannungen auftreten. Daher ist eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit erforderlich, die von Schmierölen vorteilhaft erreicht wird. Zweitens kommt die Flüssigkeit in direkten Kontakt mit Zahnrädern und Lagern, denn sie soll Schmiereigenschaften haben, was einen weiteren Vorteil von Schmierölen gegenüber Wasser darstellt.

All diese Aspekte können durch die chemische Formulierung von Wasser verbessert werden. Unser Ziel war es, einen innovativen wasserbasierten Schmierstoff zu entwickeln, der über gute Schmiereigenschaften verfügt und gleichzeitig die hervorragende Kühleigenschaft von Wasser beibehält. Unser WBL kann alle Anforderungen an eine einzige Flüssigkeit zur Schmierung und Kühlung der elektrischen Antriebseinheit (EDU) erfüllen. Der Einsatz eines WBL kann Schmieröle in vielen Eigenschaften sogar übertreffen, insbesondere im Hinblick auf den ökologischen Fußabdruck, was die Tür zu einer Revolution in der Schmierstoff- und Automobilindustrie öffnet.

TotalEnergies hat einen Simulationsworkflow zur Untersuchung der Kühlung von Elektromotoren entwickelt. Die in Abb. 1 dargestellten verschiedenen Simulationswerkzeuge ermöglichen uns einen umfassenden Ansatz zur thermischen Modellierung des Elektromotors.

Um den Arbeitsablauf zu artikulieren, wurde ein für ein E-Motor-Effizienzkennfeld typischer Betriebszustand ausgewählt: 6000 U/min mit einem Drehmoment von 90 Nm. Dies stellt ein Auto dar, das gleichmäßig mit 70 km/h fährt. Innerhalb der direkten Flüssigkeitskühlungsarchitektur wurden zwei Flüssigkeiten verglichen: ein Referenzschmiermittel auf Ölbasis und ein wasserbasiertes Schmiermittel von TotalEnergies. Das direkte Flüssigkeitskühlsystem besteht aus einer Hohlwelle und vier Kanälen an der Vorder- und Rückseite der Welle, wie in Abb. 2 dargestellt. Dank der Zentrifugalkraft, die durch die Rotorrotation entsteht, wird Flüssigkeit über die vier Kanäle auf die Wickelköpfe gespritzt. Die Flüssigkeitseinlasstemperatur beträgt 60 °C und die Durchflussrate beträgt 5 l/min.

Wir verwendeten Particleworks, eine netzlose CFD-Software, die auf Moving Particle Simulation (MPS) basiert. Die MPS-Methode wurde ursprünglich von Professor Koshizuka vorgeschlagen, um eine flexible Modellierung und Simulation komplexer Bewegungsrandprobleme zu ermöglichen.1 Dank ihrer netzlosen Funktion eignet sie sich besonders für die Verwaltung komplexer Geometrien wie Elektromotorwicklungen oder beweglicher Teile wie dem Rotor.

Die in Abb. 3 und Abb. 4 dargestellten Ergebnisse bestätigen, dass der wasserbasierte Schmierstoff von TotalEnergies für eine bessere Kühlung des E-Motors sorgt. Von -16 % in den Wicklungen bis zu -58 % in der Welle wurde für jeden Teil des E-Motors eine deutliche Temperaturreduzierung berechnet. Selbst bei einem sehr niedrigen Viskositätswert wären diese Temperatursenkungen mit einem Schmiermittel auf Ölbasis nicht erreicht worden. Die hervorragende Wärmeübertragungsfähigkeit von Wasser ermöglicht es dem WBL von TotalEnergies, diese herausragende Kühlleistung zu erreichen. Die direkte Kühlung mit einem WBL ebnete den Weg zu einem E-Motor mit höherer Leistungsdichte und einer optimierten Kühlstrategie.

Ein Hauptgrund, der die Verwendung eines wasserbasierten Schmiermittels für die direkte Kühlung von Elektromotoren verhindert, ist die Angst vor Stromlecks aufgrund der hohen elektrischen Leitfähigkeit von Wasser. Zwar hätte ein direkter Kontakt zwischen Wasser und metallischem Kupfer tödliche Folgen gehabt. Es besteht jedoch nie ein direkter Kontakt zwischen der Kühlflüssigkeit und metallischem Kupfer im E-Motor. Kupferdrähte sind mit mehreren Lagen Isoliermaterial ummantelt. Im Allgemeinen umfassen die chemischen Zusammensetzungen der Drahtlacke Polyester (PE), Polyesterimid (PEI), Polyamidimid (PAI) oder Polyetheretherketon (PEEK). Durch das Auftragen einer Imprägnierharzschicht kann das Dämmsystem zusätzlich verstärkt werden. Daher kann man davon ausgehen, dass die elektrische Isolationseigenschaft durch die Drahtisolationsmaterialien vollständig unterstützt wird und eine wasserbasierte Kühlflüssigkeit verwendet werden kann, wenn diese eine gute Verträglichkeit mit Isolationsmaterialien aufweist.

Der Teilentladungstest (PD) ist ein leistungsstarkes Werkzeug zur Überprüfung der Isolationseigenschaften von Wickelmaterialien. PD ist ein lokalisiertes Durchbruchphänomen in einem Teil der Isolierung zwischen zwei Leitern.2 Dies geschieht, wenn die elektrische Feldstärke die Durchschlagsfestigkeit eines Teils des Isoliermaterials übersteigt. PD kann zum Versagen des Isolationssystems führen. Der zum Auslösen der PD erforderliche Spannungswert ist die Teilentladungsanfangsspannung (PDIV). Sobald die PD eingeleitet ist, wird sie fortgesetzt, bis die Spannung unter die Teilentladungslöschspannung (PDEV) fällt.

PDIV- und PDEV-Messungen wurden an verdrillten Paaren aus Damid 200 (gemischte PEI/PAI-Beschichtung) durchgeführt. Twisted Pairs bestehen aus zwei isolierten Kupferdrähten, die miteinander verdrillt sind. Die verdrillten Paare werden für unterschiedliche Alterungszeiten in einem Ofen bei 90 °C in unser Gleitmittel auf Wasserbasis eingetaucht und mit einer Referenzgruppe von verdrillten Paaren verglichen, die in keine Flüssigkeit eingetaucht waren, wie in Abb. 5 dargestellt.

Anschließend werden PDIV und PDEV bei unterschiedlichen Alterungszeiten mit einem Hochspannungsgenerator gemessen. In Abb. 6 sind die Ergebnisse der Experimente dargestellt.

Von 24 bis 672 Stunden bleiben PDIV und PDEV insgesamt auf einem relativ stabilen Wert und nahe an der Referenz, was deutlich zeigt, dass die WBL von TotalEnergies mit Wickeldrähten kompatibel ist. Selbst nach einem Alterungsprozess von 672 Stunden im WBL von TotalEnergies behält der Wickeldraht seine makellose elektrische Isolationseigenschaft.

Wasserhaltige Flüssigkeiten zeigen ein außergewöhnliches Reibungsverhalten. Sie sind in der Lage, die sogenannte Superschmierfähigkeit zu erreichen, also den Zustand extrem geringer Reibung zwischen zwei relativ bewegten Oberflächen. In vielen Studien wurde unter EHL-Bedingungen ein Reibungskoeffizient in der Größenordnung von 0,001 gemessen.3 Sie erklären, dass Superschmierfähigkeit durch die Bildung einer Hydratationsschicht erreicht wird, die Scherkräfte leicht aufnimmt, was zu einer extrem niedrigen Reibung führt.4

Reibungsmessungen wurden mit der Ball-auf-Scheibe-Technik durchgeführt, die mit der von PCS Instruments entwickelten Mini-Traction Machine (MTM) implementiert wurde. Abb. 7 zeigt eine schematische Ansicht des Tribometers. Die Stahlkugel und die Scheibe sind in Schmiermittel getaucht. Sie werden von separaten Motoren in einem bestimmten Roll-/Gleitzustand angetrieben und der Reibungskoeffizient wird während des Tests gemessen. Es wurden experimentelle Einstellungen angewendet, die für das EHL-Regime repräsentativ sind: ein maximaler Hertzscher Druck von 1,2 GPa, eine Mitnahmegeschwindigkeit von 1 m/s, eine Testtemperatur von 40 °C und verschiedene Gleit-zu-Rollen-Verhältnisse (SRR), um ein Vollbild zu zeichnen Reibungskurve. Es wurden zwei Flüssigkeiten experimentiert, unser wasserbasiertes TotalEnergies-Schmiermittel und eine Referenz-EV-Flüssigkeit, ein ölbasiertes Schmiermittel.

Die Ergebnisse in Abb. 8 zeigen deutlich das Superschmierfähigkeitsphänomen, das durch die WBL von TotalEnergies erreicht wird. Der Reibungskoeffizient variiert zwischen 0,0004 und 0,002, indem der SRR von 5 % (fast reines Rollen) auf 100 % (reines Gleiten) erhöht wird, während die Referenz-EV-Flüssigkeit fast zwei höhere Größenordnungen aufweist. Es besteht eine qualitative Lücke zwischen dem Reibungsverhalten von WBLs und ölbasierten Schmierstoffen.

Wasser ist keine piezoviskose Flüssigkeit; seine Druckempfindlichkeit ist viel weniger ausgeprägt als bei Öl.5 Die Ölviskosität steigt mit dem Druck dramatisch an und verdoppelt sich etwa bei jedem Anstieg um 50 MPa. Dies trägt dazu bei, bei Kontakt mit hohem Druck einen dickeren Schmierfilm aufzubauen. Aufgrund der schlechten Druck-Viskositäts-Reaktion von Wasser ist die Dicke des Schmierfilms auf Wasserbasis etwa 50 % geringer als bei Ölen, und der Übergang von der sichereren Vollfilmschmierung zum risikoreicheren Grenzschmiersystem ist wahrscheinlicher.6

Eine der Getriebeausfallarten im Zusammenhang mit dem Grenzschmiersystem ist der Getriebeverschleiß. Beim Kontaktbetrieb mit hohem Druck und hoher Gleitgeschwindigkeit kommt es zu Abrieb, wenn der Schmierfilm im Kontakt zusammenbricht, was zu erheblichen Verschleißschäden führt.7 Verschiedene Studien führten die Anti-Abriebwirkung auf das Wachstum eines schützenden Tribofilms auf der Oberfläche zurück. Der Tribofilm entsteht durch eine chemische Reaktion zwischen Schmierstoff-Verschleißschutz-/Extremdruckadditiven und Kontaktunebenheiten unter tribologischen Belastungen. Im Zusammenhang mit der wasserbasierten Schmierung müssen die Additive sorgfältig ausgewählt werden, um den Einschränkungen der Grenzschmierung standzuhalten.

Zur Beurteilung der Fresseigenschaften von Getriebeölen werden häufig die FZG-Standardtests A20/8,3/90, A10/16,6/90 und S-A10/16,6R/90 eingesetzt. Bei den FZG-Abriebtests wird die Belastung des mit Ölwanne geschmierten Zahnradpaares bei konstanter Drehzahl stufenweise erhöht. Nach jeder Belastungsstufe werden die Zahnflanken auf Oberflächenschäden untersucht und eventuelle Veränderungen im Aussehen notiert. Die Ausfalllaststufe (FLS) wird erreicht, wenn die summierte Gesamtbreite der Schäden an allen Zähnen des Ritzels schätzungsweise gleich oder größer als die Breite eines Zahns ist. Der Test gilt als abgeschlossen, wenn entweder das Ausfallkriterium erfüllt ist oder wenn die Belastungsstufe 12 durchgeführt wird, ohne dass das Ausfallkriterium erfüllt ist.

Die Version A10/16,6/90 ist strenger als A20/8,3/90, da die Geschwindigkeit der Teilungslinie von 8,3 auf 16,6 m/s erhöht wird und ein schmaleres Ritzel mit einer Breite von 10 mm anstelle von 20 mm verwendet wird, was die Geschwindigkeit erhöht Anpressdruck. Der Schocktest S-A10/16,6R/90 ist der härteste FZG-Test, da die Belastung nicht stufenweise erfolgt. Es findet kein Einlaufen statt, die Kontaktflächen werden also nicht geglättet, was zu höheren mechanischen Belastungen führt. Es sollte erwähnt werden, dass die Temperatur der Standardverfahren zur Anpassung an die „WBL-Studie“ auf 60 °C gesenkt wurde. Bei gegebener thermischer Belastung wäre die Wassertemperatur aufgrund der besseren Kühlleistung niedriger als die des Öls.

Die Ergebnisse sind in Abb. 9 dargestellt. Im Allgemeinen erfordern die meisten EV-Flüssigkeitsspezifikationen einen FLS von mehr als 12 in FZG A20/8,3/90. Das wasserbasierte Gleitmittel von TotalEnergies erfüllt diese Anforderung und hält härteren Versionen von FZG mit einer sehr guten Leistung stand.

Graufleckigkeit ist eine Form der Oberflächenermüdung, die bei Zahnrädern und Wälzlagern sehr häufig auftritt. ISO 15243 definiert diesen Schaden als oberflächeninitiierte Ermüdung.8 Ueda et al. legen fest, dass es durch Spannungsschwankungen aufgrund von Rauheits-Unebenheitswechselwirkungen in Roll-Gleit-Kontakten verursacht wird.9 Es äußert sich durch die Bildung von brünierten Bereichen, Unebenheits-Mikrorissen und Unebenheits-Mikroabplatzungen.

Das von PCS Instruments entwickelte MPR (Micro Pitting Rig) wird häufig zur Beurteilung der Micropitting-Leistung eingesetzt. Das MPR ist ein Dreikontakt-Scheibentribometer, bei dem drei Ringe mit einem Durchmesser von 54 mm gleichzeitig mit einer zentralen Rolle mit einem Durchmesser von 12 mm in Kontakt stehen. Diese in Abb. 10 dargestellte geometrische Anordnung ermöglicht es, die Prüfwalze über einen kurzen Zeitraum vielen Kontaktzyklen auszusetzen, wodurch Graufleckenbildung begünstigt wird. Der Test wird über einen Zeitraum von 20 Stunden durchgeführt. Das Micropitting-Phänomen wird von einem Beschleunigungsmesser erfasst, der an einen Vibrationsmonitor angeschlossen ist. Mithilfe der Überwachung des Vibrationssignals kann festgestellt werden, ob im Material Mikropitting aufgetreten ist. Eine optische Mikroaufnahme der Reibspur entlang der Walzrichtung bestätigt, dass es sich bei dem entstandenen Schaden tatsächlich um Grauflecken handelt.

Das in dieser Studie implementierte Testverfahren wurde speziell entwickelt, um das Graufleckenverhalten von Getriebeschmierstoffen hinsichtlich ihrer Leistung im FZG-Teststandard C/9/90 zu bewerten. Lediglich die Testtemperatur wurde zur Anpassung an WBLs auf 60 °C geändert. Es wurden zwei Flüssigkeiten experimentiert, unsere TotalEnergies WBL und eine Referenzflüssigkeit für Elektrofahrzeuge (EV). Die Ergebnisse sind in Abb. 11 dargestellt.

Die Graufleckenbildungsleistung wird als schlecht beschrieben, wenn die Graufleckenbildungszeit weniger als zehn Stunden beträgt, als durchschnittlich, wenn die Graufleckenbildungszeit zwischen zehn und 15 Stunden beträgt, und als gut, wenn nach mehr als 15 Teststunden keine Graufleckenbildung auftritt. Es zeigt sich, dass der wasserbasierte Schmierstoff von TotalEnergies in der Lage ist, die gesamte Testdauer zu überstehen, ohne dass es zu Oberflächenrissen kommt, die für Graufleckigkeit typisch sind. Dies ist bei der Referenz-EV-Flüssigkeit nicht der Fall, die nach 6,5 Stunden versagt und eine beträchtliche Anzahl von Oberflächenrissen entlang der Reibspur mit einer „V“-Form aufweist, die typisch für oberflächenbedingte Ermüdung ist. Dies ist ein klares Zeichen dafür, dass ein Graufleckenprozess stattfindet.

Angesichts der Bedeutung der Bekämpfung des Klimawandels und der Umweltaspekte in der heutigen Welt ist es wichtig, dass die Schmierstoffindustrie den Nachhaltigkeitsaspekt in die Bewertung ihrer Produkte einbezieht. Daher ist Ökodesign unerlässlich, um den ökologischen Fußabdruck eines Schmierstoffs über seinen gesamten Lebenszyklus zu reduzieren. Einer der erwarteten Mehrwerte des Entwurfs eines WBL ist seine geringere Umweltbelastung.

In Bezug auf diesen Aspekt wurde eine Lebenszyklusbewertung (LCA) gemäß der Multikriterien-Methodik des Product Environmental Footprint (PEF) unter Verwendung der Ecoinvent 3.8-Datenbank durchgeführt, um den WBL von TotalEnergies mit seinem ölbasierten konventionellen Gegenstück zu vergleichen.

Das Problem beim Umgang mit Ökobilanzen ist der Mangel an verlässlichen Daten, insbesondere wenn viele Prozesse beteiligt sind. Aus diesem Grund wurde eine „Cradle-to-Gate“-Analyse durchgeführt, die die Rohstoffgewinnung, den Transport der Rohstoffe und den Mischprozess in den TotalEnergies-Werken berücksichtigte, für die die Daten bekannt sind (Systemgrenzenberechnung). Der Fokus lag auf den drei folgenden Umweltindikatoren, die für die Tätigkeit des Unternehmens und den Einsatzbereich des Schmierstoffs relevant sind:

Die in Abb. 12 dargestellten Ergebnisse der Ökobilanz zeigen die Umweltvorteile des WBL von TotalEnergies. Eine Reduzierung des globalen Erwärmungspotenzials um 30 % und eine Reduzierung des Wasser- und Ressourcenverbrauchs um 60 %. Die Umweltvorteile der Berücksichtigung von WBL wurden dank LCA anhand dieser drei wichtigsten Umweltindikatoren nachgewiesen.

Dank der intensiven Forschung des Forschungs- und Entwicklungsteams von TotalEnergies und seiner Partner verspricht das WBL von TotalEnergies, die Schmierstofflandschaft für Elektrofahrzeuge voranzutreiben, und das Unternehmen ist weiterhin bestrebt, fortschrittliche Flüssigkeitstechnologie für die zukünftigen Herausforderungen der Elektromobilität zu entwickeln.

TotalEnergies möchte B. Eng Yu Cao und M. Sc. unseren Dank aussprechen. Liguo Yang vom IEM RWTH Aachen University für ihre wertvolle Arbeit zu Kompatibilitätstests an Dämmstoffen. Wir möchten uns bei unseren Kollegen Goulven Bouvier, Maria Rappo, Julien Chaminand, Shimin Zhang, Eric Tinguy, Mathieu Desormeaux und Francis-Olivier Ramoni für die Forschungs- und Entwicklungsarbeit im Bereich E-Mobilität bedanken.

Bitte beachten Sie, dass dieser Artikel auch in der dreizehnten Ausgabe unserer vierteljährlichen Publikation erscheinen wird.

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