Innovativa lubrificazione a base d’acqua per veicoli elettrici

La gestione TERMICA delle precedenti generazioni di veicoli elettrici (EV) ad alta densità di potenza richiedeva strategie di raffreddamento diretto. In questo approccio, il fluido di raffreddamento entrava in a contatto diretto con le zone calde del motore elettrico. Nei motori sincroni a magneti permanenti (PMSM), l’avvolgimento terminale dello statore e i magneti del rotore generavano una certa quantità di calore. Questo calore non poteva essere dissipato efficacemente tramite il tradizionale sistema di raffreddamento ad acqua. che non può essere efficacemente dissipato tramite il tradizionale sistema di raffreddamento ad acqua.

Da qui è emerso lo sviluppo della tecnologia di raffreddamento diretto dell’olio, in cui l’olio della trasmissione funge da da refrigerante per il motore elettrico. Questa nuova architettura di raffreddamento generalmente prevede un albero rotore cavo attraverso il quale scorre l’olio della trasmissione. Inoltre, i fori posizionati lungo entrambi i bordi dell’albero del rotore consentono all’olio della trasmissione di essere spruzzato sugli avvolgimenti terminali grazie alla forza centrifuga. Questo sistema di raffreddamento diretto dell’olio notevolmente migliora il trasferimento di calore.

Questo cambiamento non è stato motivato dal fatto che un olio per trasmissioni possieda proprietà di raffreddamento superiori rispetto a un refrigerante a base d’acqua. Al contrario, l’acqua è spesso un fluido di raffreddamento ideale grazie alla sua elevata conducibilità termica (fattore quattro rispetto all’olio), elevata capacità termica (fattore due) e bassa viscosità. Tuttavia, si pensava che l’applicazione dell’acqua non fosse fattibile per due motivi principali. In primo luogo, il fluido di raffreddamento interagisce direttamente con i componenti elettrici, dove si verificano correnti e tensioni elettriche elevate.

Pertanto, è richiesta una bassa conducibilità elettrica caratteristica che gli oli lubrificanti riescono vantaggiosamente a soddisfare. In secondo luogo, il fluido entra in contatto diretto con ingranaggi e cuscinetti, richiedendo qualità lubrificanti; ciò conferisce un ulteriore vantaggio agli oli lubrificanti rispetto all’acqua. Tutti questi aspetti possono essere migliorati attraverso la formulazione chimica dell’acqua. Il nostro obiettivo era sviluppare un WBL innovativo che possedesse buone proprietà lubrificanti pur mantenendo l’eccezionale proprietà di raffreddamento dell’acqua. Il nostro WBL è in grado di soddisfare tutti i requisiti per un singolo fluido progettato per la lubrificazione e il raffreddamento dell’unità di azionamento elettrico (EDU). L’utilizzo  di un WBL può persino superare gli oli lubrificanti in molte caratteristiche, in particolare con un impatto ambientale, che apre le porte a una rivoluzione nell’industria dei lubrificanti e automobilistica.

Efficienza di raffreddamento

TotalEnergies ha sviluppato un flusso di lavoro per simulazione al fine di studiare il raffreddamento del motore elettrico. I diversi strumenti di simulazione illustrati nella Fig. 1, ci consentono di affrontare in modo esaustivo la modellazione termica del motore elettrico in modo completo.

Al fine di delineare il flusso di lavoro, è stata selezionata una tipica condizione operativa da una mappa di efficienza di un motore elettrico: 6000 rpm con una coppia di 90 N.m. Questo scenario rappresenta un’auto che viaggia costantemente a 70 km/h. All’interno dell’architettura di raffreddamento a liquido diretto, sono stati confrontati due fluidi: un lubrificante a base di olio di riferimento e TotalEnergies WBL. Il sistema di raffreddamento diretto a liquido comprende un albero cavo e quattro canali posizionati sulla parte anteriore e posteriore dell’albero, come mostrato in Fig. 2. Il liquido viene spruzzato sugli avvolgimenti terminali attraverso i quattro canali grazie alla forza centrifuga fornita dalla rotazione del rotore. La temperatura di ingresso del fluido è di 60°C e la portata è di 5 L/min

Abbiamo utilizzato Particleworks, un software CFD meshless basato su Moving Particle Simulation (MPS). Il metodo MPS è stato originariamente proposto dal professor Koshizuka per fornire modellazione e simulazione flessibili per complessi problemi di contorno in movimento.1 Grazie alla sua caratteristica meshless, è particolarmente adatto a gestire geometrie complesse come gli avvolgimenti di motori elettrici o parti mobili come il rotore.

I risultati mostrati in Fig. 3 e Fig. 4 confermano che il WBL di TotalEnergies fornisce un migliore raffreddamento del motore elettrico. Dal -16% negli avvolgimenti al -58% nell’albero, è stata calcolata una significativa riduzione della temperatura per ogni parte dell’e-motor. Anche con un valore di viscosità molto basso, tali riduzioni di temperatura non sarebbero state ottenute con un lubrificante a base di olio. La superiore capacità di trasferimento del calore dell’acqua consente al WBL di TotalEnergies di raggiungere queste eccezionali prestazioni di raffreddamento. Il raffreddamento diretto con un WBL ha aperto la strada a un motore elettrico a densità di potenza più elevata e a una strategia di raffreddamento ottimizzata.

Compatibilità dei materiali

Uno dei fattori principali che ostacola l’utilizzo di un refrigerante a base d’acqua per il raffreddamento diretto del motore elettrico è il timore di perdite di corrente a causa dell’elevata conduttività elettrica dell’acqua. È vero che il contatto diretto tra acqua e il rame metallico avrebbe portato a conseguenze fatali.

Tuttavia, non c’è mai un contatto diretto tra il fluido di raffreddamento e il rame metallico nel motore elettrico. I fili di rame sono rivestiti con diversi strati di materiali isolanti. In generale, le sostanze chimiche degli smalti per fili includono poliestere (PE), poliestere-immide (PEI), poliammide-immide (PAI) o polietere-etere-chetone (PEEK). Il sistema di isolamento può essere ulteriormente rafforzato aggiungendo uno strato di resina impregnante. Pertanto, si può presumere che la proprietà di isolamento elettrico sia pienamente supportata dai materiali isolanti del filo e che sia possibile utilizzare un fluido di raffreddamento a base d’acqua se ha una buona compatibilità con i materiali isolanti.

Il test di scarica parziale (PD) è un potente strumento per verificare la proprietà di isolamento dei materiali di avvolgimento. Il PD è un fenomeno di rottura localizzato attraverso una porzione dell’isolamento tra due conduttori.2 Ciò si verifica quando l’intensità del campo elettrico supera la forza di rottura di una porzione del materiale isolante. Il PD può portare al fallimento del sistema di isolamento. Il valore di tensione necessario per avviare PD è la tensione di inizio della scarica parziale (PDIV). Una volta avviato, PD continuerà fino a quando la tensione scende al di sotto della tensione di estinzione di scarica parziale (PDEV).

Le misure di PDIV e PDEV sono state effettuate su doppini intrecciati Damid 200 (rivestimento misto PEI/PAI).

I doppini intrecciati sono costituiti da due fili di rame isolati intrecciati insieme. I doppini intrecciati sono immersi nel nostro WBL per diversi tempi di invecchiamento in un forno a 90°C e confrontati con un gruppo di riferimento di doppini intrecciati che non sono stati immersi in alcun fluido, come mostrato in Fig. 5.

Quindi, PDIV e PDEV vengono misurati in diversi tempi di invecchiamento con un generatore ad alta tensione. In Fig. 6 sono mostrati i risultati degli esperimenti.

Da 24 a 672 ore, il PDIV e il PDEV complessivi rimangono a un valore relativamente stabile e vicino al riferimento, il che indica chiaramente che il WBL di TotalEnergies è compatibile con i cavi di avvolgimento. Anche dopo un processo di invecchiamento di 672 ore nel WBL di TotalEnergies, il filo di avvolgimento mantiene la sua proprietà di isolamento elettrico incontaminata.

Superlubrificazione dei lubrificanti a base d’acqua in EHL I fluidi contenenti acqua mostrano un comportamento di attrito eccezionale. Sono in grado di raggiungere quella che viene chiamata superlubricità, vale a dire lo stato di bassissimo attrito tra due superfici in moto relativo. Un coefficiente di attrito dell’ordine di 0,001 è stato misurato in condizioni EHL in molti studi.3 Spiegano che la superlubricità si ottiene grazie alla formazione di uno strato di idratazione che si adatta facilmente al taglio, il che si traduce in un attrito estremamente basso.4

Le misurazioni dell’attrito sono state eseguite utilizzando la tecnica ball-on-disc implementata dalla Mini-Traction Machine (MTM) progettata da PCS Instruments. La Fig. 7 mostra una vista schematica del tribometro. La sfera e il disco in acciaio sono immersi nel lubrificante. Sono azionati da motori separati in una determinata condizione di rotolamento/slittamento e il coefficiente di attrito viene misurato durante la prova. Sono state applicate impostazioni sperimentali rappresentative del regime EHL: una pressione hertziana massima di 1,2 GPa, una velocità di trascinamento di 1 m/s, una temperatura di prova di 40°C e vari rapporti scorrimento-rotolamento (SRR) per disegnare un pieno curva di attrito. Sono stati sperimentati due fluidi, il nostro TotalEnergies WBL e un fluido EV di riferimento, un lubrificante a base di olio.

I risultati nella Fig. 8 mostrano chiaramente il fenomeno della superlubricità ottenuto dal WBL di TotalEnergies. Il coefficiente di attrito varia da 0,0004 a 0,002 all’aumentare dell‘‘SRR dal 5% (rollio quasi puro) al 100% (slittamento puro), mentre il fluido EV di riferimento ha quasi due ordini di grandezza superiori. Esiste un divario qualitativo tra il comportamento all’attrito dei WBL e i lubrificanti a base di olio.

Gestione del regime di lubrificazione limite

L’acqua non è un liquido piezoviscoso; la sua sensibilità alla pressione è molto meno accentuata rispetto all’olio.5 La viscosità dell’olio aumenta notevolmente con la pressione, raddoppiando approssimativamente ogni volta che la pressione aumenta di 50 MPa, Questo contribuisce così alla formazione di uno spessore del film lubrificante più spesso a contatto operando ad alta pressione.

la scarsa risposta alla pressione-viscosità dell’acqua rende lo spessore del film WBL inferiore di circa il 50% rispetto agli oli e rende più probabile il passaggio da una lubrificazione a film intero più sicura al regime di lubrificazione limite più rischioso.6

Prestazioni da sballo

Una delle modalità di guasto degli ingranaggi relative al regime di lubrificazione limite è lo sfregamento degli ingranaggi. Lo sfregamento si verifica nel contatto operante ad alta pressione e ad alta velocità di scorrimento, quando il film lubrificante nel contatto collassa, provocando danni da usura estesi.7 Vari studi hanno attribuito le prestazioni anti-scuffing alla crescita di un tribofilm protettivo sulla superficie. Il tribofilm deriva da una reazione chimica tra lubrificante antiusura/additivi per pressioni estreme e asperità di contatto sotto sollecitazioni tribologiche. Nel contesto della lubrificazione a base acquosa, gli additivi devono essere scelti con cura per resistere ai vincoli di lubrificazione limite.

I test FZG standard A20/8.3/90, A10/16.6/90 e S-A10/16.6R/90 sono ampiamente utilizzati per la valutazione delle proprietà di abrasione degli oli per ingranaggi. I Test di Scuffing FZG consistono nell’aumentare gradualmente il carico applicato alla coppia di ingranaggi lubrificati a carter che girano a velocità costante. Dopo ogni fase di carico, i fianchi dei denti vengono ispezionati alla ricerca di danni superficiali e vengono annotati eventuali cambiamenti nell’aspetto. Lo stadio di carico di rottura (FLS) viene raggiunto se si stima che l’ampiezza totale sommata del danno presente su tutti i denti del pignone sia uguale o superiore alla larghezza di un dente. Il test è considerato completo quando il criterio di fallimento è stato soddisfatto o quando la fase di carico 12 viene eseguita senza soddisfare il criterio di fallimento.

La versione A10/16.6/90 è più severa di A20/8.3/90 poiché la velocità della linea primitiva è aumentata da 8.3 a 16.6 m/s e viene utilizzato un pignone più stretto con una larghezza di 10 mm invece di 20 mm, che aumenta la pressione di contatto. Il test d’urto S-A10/16.6R/90 è il test FZG più severo, in quanto il carico non viene applicato gradualmente. Non c’è rodaggio, quindi le superfici di contatto non sono levigate, il che porta a maggiori vincoli meccanici. Va detto che la temperatura delle procedure standard è stata abbassata a 60°C per essere adattata allo “studio WBL”. Per un dato stress termico, la temperatura dell’acqua sarebbe inferiore a quella dell’olio, grazie alla sua migliore capacità di raffreddamento.

I risultati sono presentati in Fig. 9. Generalmente, la maggior parte delle specifiche del fluido EV richiede un FLS superiore a 12 in FZG A20/8.3/90. Il WBL di TotalEnergies soddisfa tale requisito e può resistere a versioni più severe di FZG con prestazioni molto buone.

Prestazioni di pitting

Il micropitting è un tipo di fatica superficiale molto comune negli ingranaggi e nei cuscinetti a rulli. Secondo la norma ISO 15243, questo danno è definito come fatica che ha origine dalla superficie.8 Ueda et al. stabiliscono che è causato da fluttuazioni di stress dovute alle interazioni asperità rugosità nei contatti rotolamento-scorrimento.9 Si manifesta formando aree brunite, microfessure di asperità e microscheggiature di asperità.

L’MPR (Micro Pitting Rig) progettato da PCS Instruments è ampiamente utilizzato per valutare le prestazioni di micropitting. L’MPR è un tribometro a disco a tre contatti in cui tre anelli del diametro di 54mm sono simultaneamente a contatto con un rullo centrale del diametro di 12mm. Questa disposizione geometrica mostrata in Fig. 10 consente di sottoporre il rullo di prova a molti cicli di contatto in un breve periodo, favorendo il micropitting. La prova si svolge per un periodo di 20 ore. Il fenomeno del micropitting viene rilevato da un accelerometro collegato a un monitor di vibrazione. Il monitoraggio del segnale di vibrazione può essere utilizzato per determinare se si è verificato micropitting all’interno del materiale. Una microfotografia ottica della pista di sfregamento lungo la direzione di rotolamento confermerà che il danno generato è effettivamente micropitting.

La procedura di prova implementata in questo studio è stata specificamente sviluppata per valutare le prestazioni di micropitting dei lubrificanti per ingranaggi in relazione alle loro prestazioni nello standard di prova FZG C/9/90. Solo la temperatura del test è stata modificata a 60°C per essere adattata ai WBL. Sono stati sperimentati due fluidi, il nostro TotalEnergies WBL e un fluido di riferimento per veicoli elettrici (EV). I risultati sono mostrati in Fig. 11.

Le prestazioni di micropitting sono descritte come scarse se il tempo di micropitting è inferiore a dieci ore, medie se il tempo di micropitting è compreso tra dieci e 15 ore e buone in assenza di micropitting dopo più di 15 ore di test. Si può vedere che il WBL di TotalEnergies è in grado di soddisfare l’intera durata del test senza manifestare crepe superficiali tipiche del micropitting. Non è il caso del fluido EV di riferimento, che cede a 6,5 ore e mostra un numero significativo di crepe superficiali lungo la pista di sfregamento, con una forma a “V”, tipica della fatica iniziata in superficie. È un chiaro segno di un processo di micropitting in atto.

Valutazione del ciclo di vita

Dato l’importante ruolo nell’affrontare il cambiamento climatico e le considerazioni ambientali nel mondo di oggi, è essenziale che l’industria dei lubrificanti includa l’aspetto della sostenibilità nella valutazione dei suoi prodotti. Pertanto, l’eco-design è essenziale per ridurre l’impatto ambientale di un lubrificante durante il suo intero ciclo di vita. Uno dei valori aggiunti attesi dalla progettazione di un WBL è il minor impatto ambientale.

Per quanto riguarda questo aspetto, è stato condotto un Life Cycle Assessment (LCA) secondo la metodologia multicriteri Product Environmental Footprint (PEF) utilizzando il database Ecoinvent 3.8 per confrontare il WBL di TotalEnergies con la sua controparte convenzionale a base di petrolio.

Il problema quando si tratta di LCA è la mancanza di dati affidabili, soprattutto quando sono coinvolti molti processi. Per questo motivo è stata condotta un’analisi “dalla culla al cancello”, considerando l’estrazione delle materie prime, il trasporto delle materie prime e il processo di miscelazione negli impianti di TotalEnergies, per i quali i dati sono ben noti (calcolo dei confini del sistema).

L’attenzione si è concentrata sui tre seguenti indicatori ambientali rilevanti per l’attività dell’azienda e il campo di applicazione del lubrificante:

Potenziale di riscaldamento globale, definito dall’equivalente di anidride carbonica (kgCO2eq), secondo IPCC 2013;

Consumo idrico (m3), secondo la metodologia AWARE100; E

Uso delle risorse, fossili (MJ), secondo CML v4.8.

I risultati dell’LCA mostrati in Fig. 12 indicano i benefici ambientali del WBL di TotalEnergies. Una riduzione del 30% del potenziale di riscaldamento globale e una riduzione del 60% sia per l’acqua che per l’uso delle risorse. I benefici ambientali di considerare il WBL sono stati dimostrati su questi tre principali indicatori ambientali grazie all’LCA. Grazie all’intensa ricerca del team di ricerca e sviluppo di TotalEnergies e dei suoi partner, il WBL di TotalEnergies promette di far progredire il panorama dei lubrificanti per veicoli elettrici e l’azienda sta ancora cercando di formulare una tecnologia dei fluidi avanzata per le sfide future della mobilità elettrica.

Ringraziamenti

TotalEnergies desidera esprimere la propria gratitudine a B. Eng Yu Cao e M. Sc. Liguo Yang dell’IEM RWTH Aachen University per il loro prezioso lavoro sui test di compatibilità sui materiali isolanti. Vorremmo esprimere i nostri ringraziamenti ai nostri colleghi Goulven Bouvier, Maria Rappo, Julien Chaminand, Shimin Zhang, Eric Tinguy, Mathieu Desormeaux, Francis-Olivier Ramoni per il lavoro di ricerca e sviluppo sulla mobilità elettrica.

Riferimenti

• Koshizuka S.: “Metodo semi-implicito di particelle mobili per la frammentazione di fluidi incomprimibili”, Nuclear Science and Engineering, 1996.
• Seifi S., Werle P., Shayegani Akmal A. A., Mohseni H., Borsi H.: “Uno studio di fattibilità sulla stima della carica indotta delle scariche parziali negli avvolgimenti del trasformatore adiacenti alla sua origine”, International Journal of Electrical Power & Energy Systems, luglio 2021.
• Chen, Z. Liu, Y.; Zhang, S.; Luo, J.: Superlubricità controllabile della soluzione di glicerolo tramite l’umidità dell’ambiente. Langmuir 2013, 29, 11924–11930
• Baykara M. Z., Vazirisereshk M. R., Martini A.: “Emerging superlubricity: A review of the state of the art and prospects on future research”, Applied Physics Reviews 5, 041102 (2018).
• Bair S.: “Reologia ad alta pressione per l’elastoidrodinamica quantitativa, seconda edizione, Elsevier, 2019
• Larsson R., Rohfleisch S., Zapata Tamayo J. G., Vrcek A., Björling M., Shi Y.: “Micropitting performance of a Water-based Lubricant”, 7th World Tribology Congress, WTC 2022, 10-15 luglio 2022, Lione, Francia.
• Bayat R., Lethtovaara A.: “Valutazione dello sfregamento di un lubrificante accettabile dal punto di vista ambientale completamente formulato utilizzando la tecnica del cilindro su disco”, Tribology International, vol. 160 (2021), art. 107002.
• Standard ISO 15243: Cuscinetti volventi — Danni e guasti — Termini, caratteristiche e cause (2004).
• Ueda M., Spikes H., Kadiric A.: “Osservazioni in situ dell’effetto della crescita del tribofilm ZDDP sul micropitting”, Tribology International, vol. 138 (2019), pp. 342-352.
• Tommaso Biasio – TotalEnergie
• Hakim El Bahi, Jonathan Raisin, Arvind Latchou, Julien Chaminand – TotalEnergies OneTech
• Yu Cao Liguo Yang – Istituto di macchine elettriche, RWTH Aachen University