Eau

La gestion thermique des générations précédentes de véhicules électriques (VE) à haute densité de puissance nécessite des stratégies de refroidissement direct dans lesquelles le fluide de refroidissement est en contact direct avec les points chauds du moteur électrique. Dans un moteur synchrone à aimant permanent (PMSM), l'enroulement d'extrémité du stator et les aimants du rotor génèrent une certaine quantité de chaleur qui ne peut pas être correctement refroidie par un refroidissement à chemise d'eau conventionnel. D'où le développement de la technologie de refroidissement direct de l'huile dans laquelle l'huile de transmission est utilisée comme liquide de refroidissement pour le moteur électrique. Cette nouvelle architecture de refroidissement met généralement en œuvre un arbre rotor creux où circule l'huile de transmission. De plus, des trous situés aux deux bords de l'arbre du rotor permettent à l'huile de transmission d'être projetée sur les enroulements d'extrémité grâce à la force centrifuge. Le système de refroidissement direct de l'huile améliore considérablement le transfert de chaleur.

Ce changement n'était pas motivé par le fait qu'une huile de transmission a des propriétés de refroidissement supérieures à celles d'un liquide de refroidissement à base d'eau. Au contraire, l'eau est souvent un fluide de refroidissement idéal en raison de sa conductivité thermique élevée (facteur de quatre par rapport à l'huile), de sa capacité calorifique élevée (facteur de deux) et de sa faible viscosité. Cependant, on pensait que l'application d'eau n'était pas faisable pour deux raisons principales. Premièrement, le fluide de refroidissement interagit directement avec les composants électriques, où se produisent des courants et des tensions électriques élevés. Par conséquent, il est nécessaire d'avoir une très faible conductivité électrique, qui est avantageusement atteinte par des huiles lubrifiantes. Deuxièmement, le fluide entre en contact direct avec les engrenages et les roulements, car il doit avoir des qualités lubrifiantes, ce qui donne un autre avantage aux huiles lubrifiantes par rapport à l'eau.

Tous ces aspects peuvent être améliorés grâce à la formulation chimique de l'eau. Notre objectif était de développer un lubrifiant innovant à base d'eau qui possède de bonnes propriétés lubrifiantes tout en conservant la propriété de refroidissement exceptionnelle de l'eau. Notre WBL peut répondre à toutes les exigences d'un seul fluide conçu pour la lubrification et le refroidissement de l'unité d'entraînement électrique (EDU). L'utilisation d'un WBL peut même surpasser les huiles lubrifiantes dans de nombreuses caractéristiques, en particulier avec une empreinte environnementale, ce qui ouvre la porte à une révolution dans les industries des lubrifiants et de l'automobile.

TotalEnergies a développé un workflow de simulation pour étudier le refroidissement des moteurs électriques. Les différents outils de simulation illustrés sur la Fig. 1 permettent d'aborder de manière globale la modélisation thermique du moteur électrique.

Pour articuler le flux de travail, une condition de fonctionnement typique d'une carte d'efficacité d'un moteur électrique a été sélectionnée : 6 000 tr/min avec un couple de 90 Nm. Cela représente une voiture roulant régulièrement à 70 km/h. Deux fluides ont été comparés au sein de l'architecture de refroidissement liquide direct : un lubrifiant à base d'huile de référence et un lubrifiant à base d'eau TotalEnergies. Le système de refroidissement liquide direct comprend un arbre creux et quatre canaux situés à l'avant et à l'arrière de l'arbre, comme illustré à la Fig. 2. Le liquide est éclaboussé sur les enroulements d'extrémité via les quatre canaux grâce à la force centrifuge fournie par la rotation du rotor. La température d'entrée du fluide est de 60°C, et le débit est de 5 L/min.

Nous avons utilisé Particleworks, un logiciel CFD sans maillage basé sur la simulation de particules mobiles (MPS). La méthode MPS a été proposée à l'origine par le professeur Koshizuka pour fournir une modélisation et une simulation flexibles pour les problèmes complexes de frontières mobiles.1 Grâce à sa fonctionnalité sans maillage, elle est particulièrement adaptée pour gérer des géométries complexes telles que les enroulements de moteurs électriques ou des pièces mobiles telles que le rotor.

Les résultats présentés dans les Fig. 3 et Fig. 4 confirment que le lubrifiant à base d'eau de TotalEnergies assure un meilleur refroidissement du moteur électrique. De -16% dans les enroulements à -58% dans l'arbre, une réduction de température significative a été calculée pour chaque partie du moteur électrique. Même à une très faible valeur de viscosité, ces réductions de température n'auraient pas été atteintes avec un lubrifiant à base d'huile. La capacité supérieure de transfert de chaleur de l'eau permet au WBL de TotalEnergies d'atteindre ces performances de refroidissement exceptionnelles. Le refroidissement direct avec un WBL a ouvert la voie à un moteur électrique à densité de puissance plus élevée et à une stratégie de refroidissement optimisée.

L'un des principaux facteurs empêchant l'utilisation d'un lubrifiant à base d'eau pour le refroidissement direct des moteurs électriques est la crainte d'une fuite de courant due à la conductivité électrique élevée de l'eau. Il est vrai qu'un contact direct entre l'eau et le cuivre métallique aurait eu des conséquences mortelles. Cependant, il n'y a jamais de contact direct entre le liquide de refroidissement et le cuivre métallique dans le moteur électrique. Les fils de cuivre sont recouverts de plusieurs couches de matériaux isolants. Généralement, les chimies des émaux pour fils comprennent le polyester (PE), le polyester-imide (PEI), le polyamide-imide (PAI) ou le polyéther-éther-cétone (PEEK). Le système d'isolation peut être encore renforcé en ajoutant une couche de résine d'imprégnation. Par conséquent, on peut supposer que la propriété d'isolation électrique est entièrement supportée par les matériaux d'isolation des fils, et un fluide de refroidissement à base d'eau peut être utilisé s'il présente une bonne compatibilité avec les matériaux d'isolation.

Le test de décharge partielle (DP) est un outil puissant pour vérifier la propriété d'isolation des matériaux de bobinage. La DP est un phénomène de claquage localisé sur une partie de l'isolant entre deux conducteurs.2 Cela se produit lorsque l'intensité du champ électrique dépasse la force de claquage d'une partie du matériau isolant. Les DP peuvent entraîner la défaillance du système d'isolation. La valeur de tension nécessaire pour initier la PD est la tension de début de décharge partielle (PDIV). Une fois initié, PD continuera jusqu'à ce que la tension tombe en dessous de la tension d'extinction de décharge partielle (PDEV).

Les mesures PDIV et PDEV ont été réalisées sur des paires torsadées Damid 200 (revêtement mixte PEI/PAI). Les paires torsadées sont composées de deux fils de cuivre isolés qui sont torsadés ensemble. Les paires torsadées sont immergées dans notre lubrifiant à base d'eau pendant différents temps de vieillissement dans un four à 90°C et comparées à un groupe de référence de paires torsadées qui n'ont été immergées dans aucun fluide, comme le montre la Fig. 5.

Ensuite, PDIV et PDEV sont mesurés à différents temps de vieillissement avec un générateur haute tension. Sur la figure 6, les résultats des expériences sont présentés.

De 24 à 672 heures, les PDIV et PDEV globales restent à une valeur relativement stable et proche de la référence, ce qui indique clairement que le WBL de TotalEnergies est compatible avec les fils de bobinage. Même après un processus de vieillissement de 672 heures dans le WBL de TotalEnergies, le fil de bobinage conserve ses propriétés d'isolation électrique.

Les fluides contenant de l'eau présentent un comportement de frottement exceptionnel. Ils sont capables d'atteindre ce qu'on appelle la superlubricité, c'est-à-dire l'état de frottement ultra-faible entre deux surfaces en mouvement relatif. Un coefficient de frottement de l'ordre de 0,001 a été mesuré dans des conditions EHL dans de nombreuses études.3 Ils expliquent que la superlubricité est obtenue en raison de la formation d'une couche d'hydratation qui s'adapte facilement au cisaillement, ce qui entraîne un frottement ultra-faible.4

Les mesures de frottement ont été effectuées en utilisant la technique bille sur disque mise en œuvre par la Mini-Traction Machine (MTM) conçue par PCS Instruments. La figure 7 montre une vue schématique du tribomètre. La bille et le disque en acier sont immergés dans du lubrifiant. Ils sont entraînés par des moteurs séparés dans une condition de roulement/glissement donnée, et le coefficient de frottement est mesuré pendant l'essai. Des paramètres expérimentaux représentatifs du régime EHL ont été appliqués : une pression hertzienne maximale de 1,2 GPa, une vitesse d'entraînement de 1 m/s, une température d'essai de 40 °C et divers rapports de glissement sur roulis (SRR) pour tracer une courbe de frottement complète. Deux fluides ont été expérimentés, notre lubrifiant à base d'eau TotalEnergies et un fluide de référence EV, un lubrifiant à base d'huile.

Les résultats de la Fig. 8 montrent clairement le phénomène de superlubrification obtenu par le WBL de TotalEnergies. Le coefficient de frottement varie de 0,0004 à 0,002 en augmentant le SRR de 5% (roulis presque pur) à 100% (glissement pur), alors que le fluide EV de référence a presque deux ordres de grandeur supérieurs. Il existe un écart qualitatif entre le comportement au frottement des WBL et des lubrifiants à base d'huile.

L'eau n'est pas un liquide piézovisqueux; sa sensibilité à la pression est beaucoup moins prononcée que l'huile.5 La viscosité de l'huile augmente considérablement avec la pression, doublant environ pour chaque augmentation de 50 MPa, contribuant ainsi à la formation d'une épaisseur de film lubrifiant plus épaisse en contact fonctionnant à haute pression. La mauvaise réponse pression-viscosité de l'eau rend l'épaisseur du film de lubrifiant à base d'eau environ 50 % inférieure à celle des huiles, et la transition d'une lubrification à film complet plus sûre vers le régime de lubrification limite plus risqué est plus probable.6

L'un des modes de défaillance des engrenages liés au régime de lubrification limite est le frottement des engrenages. Le grippage se produit dans le contact fonctionnant à haute pression et à vitesse de glissement élevée lorsque le film lubrifiant dans le contact s'effondre, entraînant des dommages d'usure importants.7 Diverses études ont attribué la performance anti-rayage à la croissance d'un tribofilm protecteur sur la surface. Le tribofilm résulte d'une réaction chimique entre des additifs anti-usure/extrême pression lubrifiants et des aspérités de contact sous contraintes tribologiques. Dans le cadre de la lubrification à base d'eau, les additifs doivent être soigneusement choisis pour résister aux contraintes de lubrification aux limites.

Les tests FZG standard A20/8.3/90, A10/16.6/90 et S-A10/16.6R/90 sont largement utilisés pour l'évaluation des propriétés de frottement des huiles pour engrenages. Les tests de frottement FZG consistent à augmenter progressivement la charge appliquée à la paire d'engrenages lubrifiés par carter fonctionnant à vitesse constante. Après chaque étape de charge, les flancs des dents sont inspectés pour détecter les dommages de surface et tout changement d'aspect est noté. L'étape de charge de rupture (FLS) est atteinte si la largeur totale sommée des dommages présents sur toutes les dents du pignon est estimée égale ou supérieure à la largeur d'une dent. Le test est considéré comme terminé lorsque le critère de défaillance a été satisfait ou lorsque l'étape de charge 12 est exécutée sans satisfaire au critère de défaillance.

La version A10/16.6/90 est plus sévère que A20/8.3/90 car la vitesse de ligne de pas est augmentée de 8,3 à 16,6 m/s, et un pignon plus étroit avec une largeur de 10 mm au lieu de 20 mm est utilisé, ce qui augmente la pression de contact. Le test de choc S-A10/16.6R/90 est le test FZG le plus sévère, car la charge n'est pas appliquée progressivement. Il n'y a pas de rodage, donc les surfaces de contact ne sont pas lissées, ce qui entraîne des contraintes mécaniques plus importantes. Il convient de mentionner que la température des procédures standard a été abaissée à 60°C pour être adaptée à l'« étude WBL ». Pour une contrainte thermique donnée, la température de l'eau serait inférieure à celle de l'huile, grâce à sa meilleure capacité de refroidissement.

Les résultats sont présentés à la Fig. 9. Généralement, la plupart des spécifications de fluides EV nécessitent un FLS supérieur à 12 dans FZG A20/8.3/90. Le lubrifiant à base d'eau de TotalEnergies répond à cette exigence et peut supporter des versions plus sévères de FZG avec de très bonnes performances.

La micropiqûre est un type de fatigue de surface très courante dans les engrenages et les roulements à rouleaux. La norme ISO 15243 définit cet endommagement comme une fatigue initiée en surface.8 Ueda et al. stipulent qu'elle est causée par des fluctuations de contraintes dues aux interactions rugosité/aspérité dans les contacts roulement-glissement.9 Elle se manifeste par la formation de zones brunies, de microfissures d'aspérités et de microéclats d'aspérités.

Le MPR (Micro Pitting Rig) conçu par PCS Instruments est largement utilisé pour évaluer les performances de micropitting. Le MPR est un tribomètre à disque à trois contacts dans lequel trois anneaux d'un diamètre de 54 mm sont simultanément en contact avec un rouleau central d'un diamètre de 12 mm. Cette disposition géométrique affichée sur la figure 10 permet au rouleau d'essai d'être soumis à de nombreux cycles de contact sur une courte période, favorisant la micropiqûre. Le test est réalisé pendant une durée de 20 heures. Le phénomène de micropiqûres est détecté par un accéléromètre relié à un moniteur de vibration. La surveillance du signal de vibration peut être utilisée pour déterminer si des micropiqûres se sont produites dans le matériau. Une micrographie optique de la piste de frottement le long de la direction de laminage confirmera que les dommages générés sont bien des micropiqûres.

La procédure de test mise en œuvre dans cette étude a été spécifiquement développée pour évaluer les performances de micropiqûres des lubrifiants pour engrenages concernant leurs performances dans la norme de test FZG C/9/90. Seule la température du test a été changée à 60°C pour être adaptée aux WBL. Deux fluides ont été expérimentés, notre WBL TotalEnergies et un fluide de référence pour véhicule électrique (VE). Les résultats sont présentés à la Fig. 11.

La performance de micropiqûres est qualifiée de mauvaise si le temps de micropiqûres est inférieur à dix heures, moyenne si le temps de micropiqûres est compris entre dix et 15 heures, et bonne en l'absence de micropiqûres après plus de 15 heures de test. On peut voir que le lubrifiant à base d'eau de TotalEnergies est capable de remplir toute la durée du test sans manifester de fissures de surface typiques de micropiqûres. Ce n'est pas le cas pour le fluide EV de référence, qui tombe en panne à 6,5 heures et présente un nombre important de fissures de surface sur la piste de frottement, avec une forme en « V », typique de la fatigue initiée en surface. C'est un signe clair d'un processus de micropiqûres en cours.

Compte tenu de l'importance de la lutte contre le changement climatique et des considérations environnementales dans le monde d'aujourd'hui, il est essentiel que l'industrie des lubrifiants intègre l'aspect de la durabilité dans l'évaluation de ses produits. Ainsi, l'éco-conception est essentielle pour réduire l'empreinte environnementale d'un lubrifiant sur l'ensemble de son cycle de vie. L'une des plus-values ​​attendues de la conception d'un WBL est son moindre impact environnemental.

Concernant cet aspect, une Analyse du Cycle de Vie (ACV) a été réalisée selon la méthodologie multicritères de l'Empreinte Environnementale du Produit (PEF) en utilisant la base de données Ecoinvent 3.8 pour comparer le WBL de TotalEnergies avec son homologue conventionnel à base de pétrole.

Le problème lorsqu'il s'agit d'ACV est le manque de données fiables, en particulier lorsque de nombreux processus sont impliqués. C'est pourquoi une analyse « cradle to gate » a été menée, prenant en compte l'extraction des matières premières, le transport des matières premières et le processus de mélange dans les usines de TotalEnergies, dont les données sont bien connues (calcul des limites du système). L'accent a été mis sur les trois indicateurs environnementaux suivants qui sont pertinents au regard de l'activité de l'entreprise et du domaine d'application du lubrifiant :

Les résultats de l'ACV présentés dans la Fig. 12 indiquent les avantages environnementaux du WBL de TotalEnergies. Une réduction de 30 % du potentiel de réchauffement climatique et une réduction de 60 % de l'utilisation de l'eau et des ressources. Les bénéfices environnementaux à considérer WBL ont été démontrés sur ces trois principaux indicateurs environnementaux grâce à l'ACV.

Grâce aux recherches intensives de l'équipe R&D de TotalEnergies et de ses partenaires, le WBL de TotalEnergies promet de faire progresser le paysage des lubrifiants pour véhicules électriques, et la société s'efforce toujours de formuler une technologie de fluide avancée pour les futurs défis de la mobilité électrique.

TotalEnergies tient à exprimer sa gratitude à B. Eng Yu Cao et M. Sc. Liguo Yang de l'Université IEM RWTH d'Aix-la-Chapelle pour leur précieux travail sur les tests de compatibilité des matériaux d'isolation. Nous tenons à remercier nos collègues Goulven Bouvier, Maria Rappo, Julien Chaminand, Shimin Zhang, Eric Tinguy, Mathieu Desormeaux, Francis-Olivier Ramoni pour le travail de R&D sur l'e-mobilité.

Attention, cet article paraîtra également dans la treizième édition de notre publication trimestrielle.

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