Volonté mondiale de normalisation des fluides et des technologies pour véhicules électriques.

En 2023, environ 90 millions de véhicules de tourisme ont été produits dans le monde, dont 11 % étaient des véhicules électriques à batterie (BEV). Les véhicules électriques (VE) deviennent de plus en plus courants sur le marché automobile. Cependant, la diversité des conceptions de véhicules électriques met en évidence le manque de spécifications ou de normes standardisées pour leur construction, leurs composants et leurs interfaces. Ce manque de normalisation s’étend aux fluides pour véhicules électriques, pour lesquels il n’existe pas de spécifications ni de méthodes de test standardisées comme c’est le cas pour les huiles moteur conventionnelles.

Des efforts sont en cours pour combler cette lacune, plusieurs acteurs de l’industrie créant des groupes de travail dédiés à l’élaboration de normes et de spécifications de performance pour les fluides des véhicules électriques. Lors de la F+L Week 2024 qui s’est tenue à Hô Chi Minh-Ville, au Vietnam, les 7 et 8 mars, Emmanuel Matray a évoqué les initiatives en cours aux États-Unis, en France, en Allemagne et en Chine, pour n’en citer que quelques-unes. Matray est responsable du département Fluides de Performance EV, Transmissions et Industrie de TotalEnergies Lubrifiants SA, basé à Paris, France.

Aux États-Unis, le groupe de travail SAE J3200 – TC3 Electric Drive Fluids (2022) rassemble des constructeurs OEM, des sociétés d’additifs et des sociétés pétrolières pour développer de nouvelles propriétés de performance et suggérer des méthodes de test pour les fluides EV. Une autre initiative importante est l’Advanced Fluids for Electrified Vehicles Consortium (AFEV), dirigé par le Southwest Research Institute (SwRI), une organisation indépendante de recherche et de développement appliquée à but non lucratif dont le siège est à San Antonio, au Texas, aux États-Unis. L’AFEV étudie les défis de la mobilité électrique tels que ainsi que les vitesses élevées, les problèmes de corrosion et les propriétés thermiques.

En France, le GFC (Groupement Français de Coordination) explore de nouveaux aspects des fluides pour véhicules électriques, notamment les propriétés diélectriques, l’usure à grande vitesse, la corrosion du cuivre et les problèmes liés à l’eau. GFC est une organisation française à but non lucratif créée en 1963, initialement par l’IFP (Institut Français du Pétrole), aujourd’hui connu sous le nom d’IFPEN. Son objectif principal est de développer et d’affiner les procédures d’essais à destination de l’industrie pétrolière, des motoristes et des utilisateurs, en coordination avec d’autres entités européennes, en répondant spécifiquement aux exigences uniques des constructeurs français et de leurs marques.

En Allemagne, le projet FVA 827 I, un effort collaboratif impliquant la Forschungsvereinigung Antriebstechnik eV (FVA), l’Institut Fraunhofer pour la conception de systèmes mécatroniques (IEM) et l’Institut pour les systèmes d’entraînement et l’électronique de puissance de l’Université Leibniz de Hanovre (IAL), mène une étude préliminaire sur l’huile de transmission électrique haute tension. Cette plateforme vise à faciliter la modélisation, le couplage de modèles et la simulation des entraînements électriques pour les experts de la recherche et de l’industrie.

La norme chinoise NB/SH/T 6042-2021 est une norme industrielle qui garantit que les lubrifiants pour réducteurs de véhicules électriques répondent à des critères spécifiques pour fournir une lubrification et une protection efficaces aux systèmes d’engrenages de véhicules électriques. Elle précise les variétés de produits, les exigences, les méthodes d’essai, les règles d’inspection, le marquage, le conditionnement, le stockage, l’acceptation de livraison pour les lubrifiants produits à partir d’huiles minérales, synthétiques ou semi-synthétiques. Cette norme a été publiée le 16 novembre 2021 et mise en œuvre le 16 mai 2022. L’Institut de recherche sur le traitement du pétrole (RIPP) dirige un groupe principalement axé sur le développement d’une spécification complète des fluides EV (GB/T) en mettant l’accent sur de nouvelles méthodes de test pour la durabilité, l’efficacité et bien plus encore.

Au Japon et en Corée du Sud, les efforts sont principalement entrepris au niveau des équipementiers, avec des informations accessibles au public limitées.

Matray a profité du forum F+L Week pour dévoiler la nouvelle spécification mondiale EV de TotalEnergies Lubrifiants dédiée aux fluides EV. Cette norme pionnière comprend une spécification complète des unités d’entraînement électrique (EDU) avec des références robustes et des méthodes développées en interne. L’initiative vise à aider les partenaires de TotalEnergies à effectuer une transition en douceur vers l’e-mobilité, explique Matray.

On pourrait se demander pourquoi la branche lubrifiants de la société énergétique mondiale TotalEnergies prend l’initiative de développer une spécification complète des fluides pour véhicules électriques. Matray a proposé qu’il était de sa responsabilité, en tant qu’acteur et distributeur de lubrifiants, de favoriser l’amélioration de la qualité dans le segment des véhicules électriques, en particulier en l’absence de spécifications complètes. TotalEnergies n’a pas pour objectif de se substituer à l’expertise des équipementiers, mais de tirer parti de leurs connaissances approfondies et de leur expérience en matière de lubrifiants pour combler cette lacune, explique-t-il.

TotalEnergies Lubrifiants, quatrième acteur mondial des lubrifiants, compte 41 usines de production de lubrifiants dans le monde, ainsi que neuf sites de fabrication de graisses et un effectif dédié de 5 800 personnes. Ils distribuent des produits dans 160 pays, démontrant leur portée et leur influence mondiales. Notamment, en 2018, TotalEnergies Lubrifiants a lancé Total Quartz EV Fluid pour les véhicules légers et Total Rubia EV Fluid pour les véhicules industriels, utilitaires et les bus électriques. Il s’agit de la première gamme de produits au monde de fluides spécialement conçus pour les véhicules hybrides et électriques et a été reconnue par F&L Asia comme le développement de produit de l’année en 2019.

La spécification EV fournit une évaluation complète comprenant cinq parties principales : analyse physico-chimique, tests tribologiques, tests de composants et tests de systèmes et de flottes. En plus des tests standards, TotalEnergies Lubrifiants utilise plusieurs méthodes internes, notamment des évaluations de la corrosion du cuivre et d’autres critères spécifiques, garantissant un examen et une validation approfondis des formulations de fluides EV.

Des analyses physico-chimiques, des tests tribologiques et des composants sont effectués pour reproduire les principales contraintes des fluides EDU, englobant la durabilité des engrenages et des roulements, les caractéristiques de transfert de chaleur et les préoccupations émergentes telles que les propriétés électriques.

Matray a présenté deux nouveaux tests qui ne sont pas traditionnellement utilisés. Le test des circuits imprimés implique l’inspection optique des composants à la fin du test et une surveillance continue de la résistivité pendant le vieillissement. Une évaluation de la compatibilité avec les matériaux de revêtement, en particulier le fil de cuivre, utilise une version adaptée d’un test existant.

Le représentant de TotalEnergies a également présenté une méthode interne de durabilité dans le cadre des tests du système qui implique une évaluation rapide de la durabilité de l’EDU d’une durée de 120 heures et simulant des conditions réelles. La méthodologie de test est conçue pour induire des défaillances comparables à celles observées lors des tests traditionnels d’accumulation de kilométrage, en se concentrant principalement sur l’usure et l’éraflure des engrenages.

Au cours de la F+L Week, Greg Miiller, vice-président de l’ingénierie et des nouvelles affaires chez Savant Inc., basé à Midland, Michigan, États-Unis, a fait part de ses inquiétudes concernant la formation potentielle de dépôts conducteurs et la corrosion du cuivre dans les transmissions électrifiées. Miiller a souligné les lacunes de l’essai d’immersion sur bande de cuivre existant, ASTM D130, notamment sa variabilité et sa dépendance au jugement de l’opérateur. L’ASTM D130 est largement utilisée depuis son introduction en 1922. Cependant, la norme ne fournit pas d’informations détaillées sur le mécanisme de corrosion et n’est pas suffisante pour évaluer l’adéquation des lubrifiants dans l’industrie des véhicules électriques, dit-il.

Les moteurs électriques et les composants électroniques des véhicules modernes interagissent de plus en plus avec les lubrifiants ou leurs vapeurs, ce qui fait de la corrosion du cuivre et de la formation de dépôts conducteurs sur les composants critiques un problème urgent. Une compréhension détaillée de l’interaction entre le lubrifiant et les composants et câblages en cuivre est essentielle. Miiller a souligné le besoin urgent de tests directement applicables et adaptés aux besoins changeants de l’industrie des véhicules électriques.

Il existe différentes versions de la méthode de test du cuivre déjà utilisées dans l’industrie automobile. Mais à l’instar de l’évaluation interne de TotalEnergies, aucune n’est standardisée.

Miiller a présenté deux nouvelles méthodologies de test : le test de corrosion sur fil (WCT) et le test de dépôt conducteur (CDT), développés par Savant Laboratory et ses partenaires, dont Lubrizol, APL et Ford Motor Company. Ensemble, ces tests offrent une évaluation prédictive du risque de corrosion et de dépôt dans les systèmes électrifiés. Des efforts sont en cours pour normaliser ces méthodes de test et les rendre largement disponibles.

Lors d’une première annonce mondiale lors de la F+L Week, Miiller a révélé que le CDT avait reçu l’approbation officielle d’ASTM International, l’organisation mondiale de normalisation qui développe et publie des normes techniques consensuelles volontaires. Miiller a offert aux participants un aperçu de la nouvelle norme, désignée ASTM D8544-24, qui a ensuite été lancée le 14 mars 2024.

ASTM D8544-24 comprend une durée de test de 500 heures avec une température de 150 degrés Celsius (°C). Le test quantifie l’accumulation de dépôts conducteurs au fil du temps pour aider à déterminer les systèmes problématiques.

Une norme ASTM supplémentaire a également été proposée pour le WCT, qui surveille les événements de corrosion sur le cuivre ou d’autres substrats métalliques. Emmanuel Matray Miiller a affirmé son applicabilité non seulement au secteur des véhicules électriques mais également à diverses industries. Ce test de 72 heures évalue le risque de corrosion à deux températures critiques (130°C et 150°C) et est actuellement en phase de comparaison. Le WCT surveille les événements de corrosion en temps réel avec une exactitude, une précision et une répétabilité remarquables, explique Miiller.

Alex Wang, responsable du développement technologique, Driveline & Future Mobility chez Lubrizol Chine, a souligné l’importance cruciale de mener des tests unitaires complets sur le matériel électrifié, y compris les essieux électriques et les transmissions hybrides dédiées, pour le développement des fluides électroniques. Il a décrit les capacités du banc d’essai de Lubrizol, où la société a développé une unité à grande échelle qui mesure la durabilité, les propriétés thermiques et l’efficacité, fournissant des connaissances fondamentales utilisées pour développer de nouvelles plates-formes de fluides et optimiser les performances des fluides électroniques.

Wang a détaillé les résultats d’une étude d’efficacité sur les essieux électriques, avec et sans moteur intégré. La recherche a analysé différentes combinaisons d’huiles de base, de modificateurs de viscosité, d’ensembles d’additifs et de viscosités d’huile finie, afin de corréler l’efficacité du fluide avec ses propriétés.

Les pertes d’énergie varient selon les différents régimes de lubrifiant. Wang a souligné les avantages en termes d’efficacité des fluides à viscosité plus élevée dans un régime de lubrifiants mixtes. Cependant, dans un régime de lubrification à film complet avec un fluide hydrodynamique ou élastohydrodynamique plus épais, des fluides de viscosité plus faible et d’indice de viscosité (VI) plus élevé ont contribué à améliorer l’efficacité. Les gains d’efficacité dépendent du temps passé sous chaque régime de lubrification, explique Wang.

L’indice de viscosité est une mesure de l’évolution de la viscosité d’un lubrifiant avec la température. Il indique la stabilité de la viscosité de l’huile dans une plage de températures. Un indice de viscosité plus élevé signifie que la viscosité de l’huile change moins avec la température, ce qui la rend plus stable et offre des performances de lubrification constantes dans des conditions de température variables. Les huiles avec un VI élevé sont généralement préférées pour les applications où la température de fonctionnement varie considérablement, car elles peuvent mieux conserver leurs propriétés lubrifiantes que les huiles avec un VI faible.

Des différences d’efficacité ont été observées pour différents types d’huiles de base dans un environnement de moteur sec à l’aide de la procédure d’essai mondiale harmonisée pour les véhicules légers (WLTP). En général, la polyalphaoléfine (PAO) était toujours meilleure que le groupe III, explique Wang. Les différences viennent probablement de la traction, qui est toujours plus faible avec la PAO, dit-il. Cependant, le coût de la formulation avec des huiles de base synthétiques, telles que les PAO, est beaucoup plus élevé que celui de la formulation avec des huiles de base du groupe III. Wang a souligné la nécessité d’équilibrer les coûts et les avantages lors de la sélection des huiles de base.

Les essieux électriques peuvent avoir à la fois le moteur électrique et le réducteur dans un seul boîtier. Une approche tout-en-un dans laquelle le moteur est exposé au lubrifiant est cependant beaucoup plus compliquée. Il faut penser aux pertes de cuivre, de fer et de noyau, aux engrenages, aux pertes au vent et aux pertes de barattage, explique Wang.

Les pertes de cuivre font référence à l’énergie perdue sous forme de chaleur en raison de la résistance électrique des enroulements de cuivre du moteur électrique d’un véhicule. Cette perte est proportionnelle au carré du courant circulant dans les enroulements.

Des pertes de fer et de noyau se produisent dans le noyau magnétique du moteur électrique. Ils sont provoqués par deux phénomènes principaux : l’hystérésis (perte d’énergie due à l’inversion de l’aimantation dans le matériau du noyau) et les courants de Foucault (courants induits dans le noyau qui produisent de la chaleur).

Les pertes d’engrenages se produisent dans la boîte de vitesses en raison de facteurs tels que la friction entre les dents d’engrenage, le barattage de l’huile lubrifiante et les pertes de roulements. Ces pertes réduisent l’efficacité de la transmission de puissance du moteur aux roues.

Les pertes au vent font référence à l’énergie perdue en raison de la résistance de l’air rencontrée par les composants en rotation, tels que le moteur et la boîte de vitesses dans un essieu électrique. Cette résistance crée une force de traînée que l’essieu électrique doit surmonter, entraînant une perte d’efficacité.

Les pertes par baratte, quant à elles, sont liées à la résistance rencontrée par les pièces mobiles dans un fluide, tel que l’huile. Dans un essieu électrique, les pertes par baratte se produisent lorsque des composants tels que le moteur et les tiges de la boîte de vitesses se déplacent dans l’huile, provoquant son agitation et créant une résistance. Cette résistance entraîne une réduction de l’efficacité globale de l’essieu électrique.

Lors des tests sur moteurs humides, la PAO a continué de démontrer un avantage en termes d’efficacité par rapport aux huiles de base du groupe III. Cependant, Wang a noté un tournant dans les résultats WLTP, suggérant qu’aller aux extrêmes ne continue pas à améliorer l’efficacité.