Fluides pour véhicules électriques : plus de questions que de réponses.

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Poussés par des incitations politiques et des réglementations, les véhicules électriques (VE) sont sur le point de perturber le moteur à combustion interne (ICE) en place. Nous assistons à un mouvement de plus en plus rapide des fabricants d’équipement d’origine (OEM) pour développer et commercialiser des véhicules électriques, parallèlement à des réductions des budgets de recherche et développement (R&D) pour les véhicules à carburant fossile. 

Les véhicules électriques pourraient sembler être le petit nouveau sur le bloc qui réduit notre longue histoire d’amour avec les moteurs à combustion. Cependant, les véhicules électriques ont une longue et riche histoire. Robert Anderson a développé le premier véhicule électrique, quoique rudimentaire, en 1832. Les groupes motopropulseurs électriques sont devenus très populaires au début des années 1900, représentant environ un tiers de tous les véhicules sur la route. Les partisans ont apprécié le silence relatif des véhicules par rapport à leurs homologues bruyants à vapeur et à gaz, ainsi que l’absence de polluants malodorants.   

Pourtant, l’âge d’or du véhicule électrique a été de courte durée, bouleversé par l’arrivée et la production de masse du modèle T d’Henry Ford. L’essence abondante et l’amélioration continue de l’ICE ont offert peu d’opportunités pour les véhicules à carburant alternatif tout au long du 20 e siècle. 

La première alternative sérieuse à l’ICE a été lorsque le système hybride Toyota a été introduit en 1997. Avance rapide de 25 ans et nous observons une augmentation spectaculaire des produits EV dans un changement révolutionnaire jamais vu depuis plus d’un siècle. 

La seconde venue des véhicules électriques apporte avec elle des exigences nouvelles et uniques sur les lubrifiants automobiles nécessaires pour assurer un fonctionnement optimal. La formulation des véhicules électriques est compliquée, avec plusieurs types de véhicules et, à ce jour, il existe un manque relatif de connaissances sur les défis associés aux lubrifiants.

La Société des Tribologues et Ingénieurs en Lubrification (STLE) est une société technique à but non lucratif pour les secteurs de la tribologie et de l’ingénierie en lubrification. L’organisation basée aux États-Unis a reconnu le manque d’informations publiées sur les défis croissants de la lubrification des véhicules électriques. La société technique a organisé la première conférence sur la tribologie et la lubrification pour la mobilité électrique à San Antonio, Texas, États-Unis, en novembre 2021 afin d’élargir les connaissances de l’industrie sur le sujet.

En mai 2022, STLE a publié un livre blanc sur la tribologie et la lubrification pour la mobilité électrique. L’article, compilé par le Dr Neil Canter, partage les principales conclusions de la conférence STLE EV et résume l’état actuel des connaissances sur la tribologie des véhicules électriques.

Les véhicules électriques à batterie (BEV) ont une bien meilleure efficacité que leurs homologues ICE. Dans le livre blanc STLE, le professeur Ali Erdemir de la Texas A&M University a indiqué que l’efficacité d’un BEV est 3,4 fois supérieure à celle d’un ICE. « Le nombre de composants mobiles est considérablement réduit dans les BEV. Il y a moins de composants qui consomment de l’énergie, ce qui entraîne moins de pertes par frottement », dit-il. Le Dr Yungwan Kwak, d’Afton Chemical, a également suggéré que certains équipementiers remettent en question la valeur de durabilité des véhicules électriques hybrides, où un moteur à combustion continue d’être utilisé aux côtés d’un moteur électrique.  

Malheureusement, moins de pièces mobiles ne se traduisent pas nécessairement par une formulation de lubrifiant plus facile. La tribologie est devenue plus importante, suggère Erdemir. « Les inefficacités restantes dans un BEV sont principalement dues à une tribologie inadéquate », dit-il. 

Le livre blanc STLE a mis en évidence plusieurs nouveaux défis dans la formulation pour un environnement électrique, y compris les pannes électriques et la gestion de la chaleur/thermique. Erdemir a appelé à la création d’un nouveau sous-segment dans STLE appelé « électrotribologie » pour traiter l’interaction entre les fluides et les pièces mobiles dans un environnement électrifié. 

Kwak a décrit les principaux défis des lubrifiants auxquels sont confrontés les fluides de transmission électrique, notamment le refroidissement, l’anti-usure, la fiabilité des roulements, l’efficacité et la compatibilité des matériaux. Il existe un besoin pour de meilleurs lubrifiants, avec des caractéristiques de faible frottement et une meilleure compatibilité avec les composants électriques.

Le livre blanc offrait une perspective sur la sélection des stocks de base pour les véhicules électriques qui doivent être diélectriques, non conducteurs et résistants aux pannes électriques, même à haute tension. Une large gamme d’options potentielles comprend l’huile minérale, l’aromatique, la poly alpha oléfine (PAO), l’ester de silicate, le silicone et le fluorocarbone. L’efficacité énergétique et le transfert de chaleur sont les deux paramètres strictement contrôlés par la sélection du stock de base.

STLE a décrit les mesures prises par les équipementiers pour simplifier l’architecture des véhicules et combiner le moteur électrique, le réducteur et l’électronique de puissance dans une unité de transmission électrique intégrée compacte, ce qui encouragera le passage à des tensions et des densités de puissance plus élevées à l’avenir. Un équilibre minutieux des propriétés tribologiques des lubrifiants est nécessaire pour lubrifier les engrenages, les roulements et éventuellement les embrayages, ainsi que la gestion thermique des moteurs électriques, des bobinages et d’autres composants électriques. Les huiles de base à faible viscosité offrent la meilleure possibilité d’atteindre ces objectifs.

Le Dr Gareth Moody de Croda Europe Ltd a noté que les esters sont « particulièrement efficaces en raison de leur stabilité oxydative, de leurs propriétés électriques, de leur conductivité thermique et de leur biodégradabilité ». Une comparaison avec les huiles de base du groupe III et PAO a démontré une tension de claquage plus élevée à partir des esters ou la capacité du fluide diélectrique à résister aux contraintes électriques. Le Dr Ken Hope de Chevron Phillips Chemical Co. a évoqué les préoccupations liées aux propriétés à haute température et à la biodégradabilité des aromatiques et a également indiqué que les esters de silicate ne sont pas hydrolytiquement stables. Le Dr Babak Lotfi d’ExxonMobil Chemical a suggéré que les nouveaux PAO ont un fort potentiel pour maximiser les performances et la portée des véhicules électriques en raison de leur faible viscosité, de leur faible volatilité et de leurs propriétés tribologiques supérieures.  

Il est important de parvenir à un compromis entre l’isolation et la conductivité avec les huiles de base, suggère le Dr Steffen Gläenzer de Clariant. Si l’effet isolant est trop élevé, cela peut endommager excessivement les roulements. À l’inverse, une faible isolation peut provoquer une accumulation de charge électrostatique, dit-il.

Les attentes des consommateurs en matière de recharge rapide des véhicules électriques et d’autonomie étendue des véhicules entraînent des défis en matière de gestion thermique. L’augmentation requise de la densité de puissance et les réductions du temps de charge augmentent la charge thermique qui doit être éliminée, explique le Dr Andrew Richenderfer de The Lubrizol Corp. 

La conductivité thermique, la chaleur spécifique, la densité et la viscosité sont les quatre propriétés des fluides qui affectent le transfert de chaleur, suggère Richenderfer, les lubrifiants à plus faible viscosité présentant le meilleur transfert de chaleur. Un passage à un seul fluide électrique unifié est à l’étude parallèlement aux modifications matérielles des véhicules OEM. Pour ce faire, les fabricants doivent résoudre les besoins de refroidissement très différents des moteurs électriques et des batteries.

Les fluides à faible viscosité sont plus efficaces pour le transfert de chaleur, cependant, ils peuvent produire des effets néfastes sur le frottement et l’usure. « Le passage à des fluides à faible viscosité présentera des défis, en particulier en ce qui concerne les performances des engrenages et des roulements », déclare le Dr Hitesh Thaker d’Infineum USA.  

Professeur Dr.-Ing. Karsten Stahl du Gear Research Center (FZG) de l’Université technique de Munich a évoqué des recherches prometteuses sur les poly alkylène glycols (PAG) solubles dans l’eau qui contiennent 30 à 50 % d’eau comme lubrifiant pour véhicules électriques. Stahl a mis en évidence les niveaux de coefficient de frottement inférieurs à 0,01 dans les tests à double disque sur les PAG, ce qui est du domaine de la superlubricité. Cependant, Stahl a également noté que l’approche n’est pas prête pour la production commerciale en raison de préoccupations concernant la rouille des roulements, la volatilité des fluides et le manque d’informations sur les impacts à long terme.

Ian Smith du Southwest Research Institute pense que le refroidissement par immersion, où la batterie est complètement immergée dans un fluide diélectrique, a une application répandue dans les véhicules électriques. La méthode de transfert de chaleur est 50 à 100 fois plus efficace que le refroidissement indirect et permet l’utilisation de batteries à densité de puissance plus élevée. Le refroidissement par immersion est disponible en phases simple et double, cependant, Richenderfer a noté les problèmes de réglementation, de coût et d’environnement lors de l’utilisation de fluides biphasés.

Le livre blanc a également évoqué la nécessité de nouvelles approches des roulements en raison des différences d’architecture matérielle ICE et BEV. Les batteries lourdes entraînent un poids nominal brut sur essieu (PNBE) ou une charge sur les essieux plus élevée. « Les roulements d’extrémité de roue actuellement disponibles utilisés dans les ICE ne sont pas utilisables dans les BEV en raison de la cote d’essieu plus élevée », explique le Dr Ryan Evans de The Timken Co. Un centre de poids inférieur dans le véhicule aura également un impact sur la conception des roulements de roue, avec des changements dans la conception de roulements à billes et de roulements à rouleaux coniques requis.

Le livre blanc a discuté de la nécessité de modifier la formulation des graisses, y compris des graisses à viscosité plus élevée, potentiellement avec une pression extrême/anti-usure non standard. Des antioxydants peuvent également être nécessaires en raison de charges plus élevées et d’exigences de viscosité, explique Evans. Le Dr Farrukh Qureshi de The Lubrizol Corp., l’un des leaders du savoir référencés dans le document STLE, affirme que davantage de recherches sont nécessaires pour mieux comprendre la lubrification des roulements et des engrenages dans les véhicules électriques.

L’introduction de matériaux nouveaux et différents a soulevé des préoccupations importantes quant à la compatibilité des matériaux. Les lubrifiants ne doivent pas provoquer de corrosion ou de dégradation lors de l’interaction avec les enroulements en cuivre des moteurs électriques, soit par le dépôt d’une couche conductrice, soit par la détérioration. Le fil de cuivre est généralement protégé par des revêtements, mais les imperfections peuvent exposer le cuivre au lubrifiant. Rosemary Ran de Shell (Shanghai) Technology Ltd. a indiqué que lors des tests, un lubrifiant avec les meilleures performances de corrosion du cuivre a échoué au test FZG, qui évalue les propriétés de lubrification du fluide et de protection contre l’usure à l’interface d’un jeu d’engrenages chargé. « Le défi est de savoir comment équilibrer la corrosion du cuivre, le FZG, le frottement, la charge et la viscosité », dit-elle. Les limites du test standard pour évaluer la corrosion, le test de la bande de cuivre (ASTM D-130) ont également été abordées.  

Ce ne sont pas seulement les fluides du véhicule électrique qui doivent être pris en compte. Une réduction significative du nombre de pièces dans les véhicules électriques aura également un impact sur les besoins en lubrifiants industriels pendant la fabrication. Le livre blanc STLE prévoit une baisse significative des lubrifiants industriels, tels que les fluides de travail des métaux, les lubrifiants pour machines et les agents de démoulage, à mesure que la production de véhicules électriques s’accélère. Les changements ne seront pas linéaires, dit Canter, mais les entreprises de lubrifiants et leurs fournisseurs de matières premières doivent être prêts, car cela peut se produire plus rapidement que prévu.

Avec l’essor imminent de la production de véhicules électriques, les parties prenantes de l’industrie appellent à l’élaboration de classifications des tests de véhicules électriques, certains experts notant que des pannes de véhicules électriques se produisaient et qu’aucun test n’était en place pour déterminer la cause profonde de ces problèmes. Le Dr Michael Miller du Southwest Research Institute a demandé que des protocoles de test soient créés pour quatre types de lubrifiants et de fluides : les fluides de transmission, les graisses, l’huile moteur (pour HEV) et les liquides de refroidissement. Le processus est en cours, avec SAE J3200™ — Electric Drivetrain Fluids (EDF), actuellement en cours de développement. À publier sous forme de rapport d’information SAE fin 2022 ou début 2023, SAE J3200 aidera les personnes concernées par les lubrifiants utilisés dans les composants de transmission alimentés par des centrales électriques. ( fuelsandlubes 25/7/22 )

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