Agua

La gestión térmica de generaciones anteriores de vehículos eléctricos (EV) con alta densidad de potencia requiere estrategias de enfriamiento directo en las que el fluido refrigerante está en contacto directo con los puntos calientes del motor eléctrico. En un motor síncrono de imanes permanentes (PMSM), el devanado del extremo del estator y los imanes del rotor generan una cierta cantidad de calor que no puede enfriarse adecuadamente mediante un enfriamiento por camisa de agua convencional. De ahí el desarrollo de la tecnología de refrigeración directa de aceite en la que el aceite de transmisión se utiliza como refrigerante para el motor eléctrico. Esta nueva arquitectura de enfriamiento generalmente implementa un eje de rotor hueco por donde fluye el aceite de la transmisión. Además, los orificios ubicados en ambos bordes del eje del rotor permiten que el aceite de la transmisión salpique los devanados finales gracias a la fuerza centrífuga. El sistema de enfriamiento directo del aceite mejora significativamente la transferencia de calor.

Este cambio no fue motivado por el hecho de que un aceite de transmisión tiene mejores propiedades de enfriamiento que un refrigerante a base de agua. Por el contrario, el agua suele ser un fluido refrigerante ideal debido a su alta conductividad térmica (factor de cuatro en comparación con el aceite), alta capacidad calorífica (factor de dos) y baja viscosidad. Sin embargo, se pensó que la aplicación de agua es inviable por dos razones principales. En primer lugar, el fluido refrigerante interactúa directamente con los componentes eléctricos, donde se producen corrientes y voltajes eléctricos elevados. Por lo tanto, se requiere tener una conductividad eléctrica muy baja, que se alcanza ventajosamente mediante aceites lubricantes. En segundo lugar, el fluido entra en contacto directo con los engranajes y cojinetes, por lo que debe tener cualidades lubricantes, lo que otorga otra ventaja a los aceites lubricantes en comparación con el agua.

Todos estos aspectos pueden mejorarse mediante la formulación química del agua. Nuestro objetivo era desarrollar un lubricante innovador a base de agua que poseyera buenas propiedades lubricantes y al mismo tiempo mantuviera la extraordinaria propiedad refrescante del agua. Nuestro WBL puede cumplir con todos los requisitos de un solo fluido diseñado para lubricar y enfriar la unidad de accionamiento eléctrico (EDU). El uso de un WBL puede incluso superar a los aceites lubricantes en muchas características, especialmente con una huella ambiental, lo que abre la puerta a una revolución en las industrias de lubricantes y automóviles.

TotalEnergies desarrolló un flujo de trabajo de simulación para estudiar la refrigeración de motores eléctricos. Las diferentes herramientas de simulación ilustradas en la Fig. 1 nos permiten abordar el modelado térmico del motor eléctrico de manera integral.

Articulando el flujo de trabajo, se seleccionó una condición de funcionamiento típica de un mapa de eficiencia de un motor eléctrico: 6000 rpm con un par de 90 Nm. Representa un automóvil que circula constantemente a 70 km/h. Se compararon dos fluidos dentro de la arquitectura de refrigeración líquida directa: un lubricante a base de aceite de referencia y un lubricante a base de agua de TotalEnergies. El sistema de refrigeración líquida directa consta de un eje hueco y cuatro canales ubicados en la parte delantera y trasera del eje, como se muestra en la Fig. 2. El líquido salpica los devanados de los extremos a través de los cuatro canales gracias a la fuerza centrífuga proporcionada por la rotación del rotor. La temperatura de entrada del fluido es de 60 °C y el caudal es de 5 L/min.

Utilizamos Particleworks, un software de CFD sin malla basado en la simulación de partículas en movimiento (MPS). El método MPS fue propuesto originalmente por el profesor Koshizuka para proporcionar modelado y simulación flexibles para problemas complejos de límites móviles.1 Gracias a su función sin malla, está particularmente adaptado para gestionar geometrías complejas como bobinados de motores eléctricos o piezas móviles como el rotor.

Los resultados que se muestran en la Fig. 3 y la Fig. 4 confirman que el lubricante a base de agua de TotalEnergies proporciona un mejor enfriamiento del motor eléctrico. Del -16 % en los devanados al -58 % en el eje, se ha calculado una reducción significativa de la temperatura para cada parte del motor eléctrico. Incluso con un valor de viscosidad muy bajo, esas reducciones de temperatura no se habrían logrado con un lubricante a base de aceite. La capacidad superior de transferencia de calor del agua permite que el WBL de TotalEnergies alcance este excelente rendimiento de enfriamiento. El enfriamiento directo con un WBL allanó el camino hacia un motor eléctrico de mayor densidad de potencia y una estrategia de enfriamiento optimizada.

Un factor principal que impide el uso de un lubricante a base de agua para el enfriamiento directo del motor eléctrico es el temor a la fuga de corriente debido a la alta conductividad eléctrica del agua. Es cierto que el contacto directo entre el agua y el cobre metálico habría tenido consecuencias mortales. Sin embargo, nunca hay contacto directo entre el líquido refrigerante y el cobre metálico en el motor eléctrico. Los cables de cobre están recubiertos con varias capas de materiales aislantes. Generalmente, las químicas de los esmaltes para alambre incluyen poliéster (PE), poliéster-imida (PEI), poliamida-imida (PAI) o poliéter-éter-cetona (PEEK). El sistema de aislamiento se puede reforzar aún más añadiendo una capa de resina de impregnación. Por lo tanto, se puede suponer que la propiedad de aislamiento eléctrico está totalmente respaldada por los materiales de aislamiento de los cables, y se puede usar un líquido refrigerante a base de agua si tiene buena compatibilidad con los materiales de aislamiento.

La prueba de descarga parcial (PD) es una poderosa herramienta para verificar la propiedad de aislamiento de los materiales de bobinado. Las DP son un fenómeno de ruptura localizada en una parte del aislamiento entre dos conductores.2 Esto sucede cuando la fuerza del campo eléctrico excede la fuerza de ruptura de una parte del material aislante. PD puede conducir a la falla del sistema de aislamiento. El valor de voltaje necesario para iniciar PD es el voltaje de inicio de descarga parcial (PDIV). Una vez iniciada, la PD continuará hasta que el voltaje caiga por debajo del voltaje de extinción de descarga parcial (PDEV).

Las mediciones de PDIV y PDEV se llevaron a cabo en pares trenzados Damid 200 (revestimiento mixto de PEI/PAI). Los pares trenzados están formados por dos cables de cobre aislados que se trenzan entre sí. Los pares trenzados se sumergen en nuestro lubricante a base de agua durante diferentes tiempos de envejecimiento en horno a 90°C y se comparan con un grupo de referencia de pares trenzados que no estaban sumergidos en ningún fluido, como se muestra en la Fig. 5.

Luego, PDIV y PDEV se miden en diferentes tiempos de envejecimiento con un generador de alto voltaje. En la Fig. 6, se muestran los resultados de los experimentos.

De 24 a 672 horas, el PDIV y el PDEV generales permanecen en un valor relativamente estable y cercano a la referencia, lo que indica claramente que el WBL de TotalEnergies es compatible con los cables de bobinado. Incluso después de un proceso de envejecimiento de 672 horas en el WBL de TotalEnergies, el cable de bobinado mantiene su propiedad de aislamiento eléctrico impecable.

Los fluidos que contienen agua muestran un comportamiento de fricción excepcional. Son capaces de conseguir lo que se denomina superlubricidad, es decir, el estado de ultra bajo rozamiento entre dos superficies en movimiento relativo. En muchos estudios se midió un coeficiente de fricción del orden de 0,001 en condiciones EHL.3 Explican que la superlubricidad se logra debido a la formación de una capa de hidratación que se adapta fácilmente al corte, lo que da como resultado una fricción ultrabaja.4

Las mediciones de fricción se realizaron utilizando la técnica de bola sobre disco implementada por la Mini-Traction Machine (MTM) diseñada por PCS Instruments. La figura 7 muestra una vista esquemática del tribómetro. La bola y el disco de acero están sumergidos en lubricante. Son impulsados ​​por motores separados en una condición dada de rodadura/deslizamiento, y el coeficiente de fricción se mide durante la prueba. Se aplicaron configuraciones experimentales representativas del régimen EHL: una presión hertziana máxima de 1,2 GPa, una velocidad de arrastre de 1 m/s, una temperatura de prueba de 40 °C y varias relaciones de deslizamiento a balanceo (SRR) para dibujar un completo curva de fricción. Se experimentaron con dos fluidos, nuestro lubricante a base de agua TotalEnergies y un fluido EV de referencia, un lubricante a base de aceite.

Los resultados en la Fig. 8 muestran claramente el fenómeno de superlubricidad logrado por la WBL de TotalEnergies. El coeficiente de fricción varía de 0,0004 a 0,002 al aumentar la SRR del 5 % (rodadura casi pura) al 100 % (deslizamiento puro), mientras que el fluido EV de referencia tiene casi dos órdenes de magnitud más altos. Existe una brecha cualitativa entre el comportamiento de fricción de los WBL y los lubricantes a base de aceite.

El agua no es un líquido piezoviscoso; su sensibilidad a la presión es mucho menos pronunciada que la del aceite.5 La viscosidad del aceite aumenta dramáticamente con la presión, duplicándose aproximadamente por cada aumento de 50 MPa, lo que ayuda a formar una película lubricante más gruesa en contacto operando a alta presión. La pobre respuesta de presión-viscosidad del agua hace que el espesor de la película del lubricante a base de agua sea aproximadamente un 50 % más bajo que el de los aceites, y la transición de una lubricación de película completa más segura a un régimen de lubricación límite más riesgoso es más probable.6

Uno de los modos de falla de los engranajes relacionados con el régimen de lubricación límite es el desgaste de los engranajes. El rayado ocurre en el contacto que opera a alta presión y alta velocidad de deslizamiento cuando la película lubricante en el contacto colapsa, lo que resulta en un gran daño por desgaste.7 Varios estudios atribuyeron el desempeño anti-rayado al crecimiento de una tribopelícula protectora en la superficie. El tribofilm es el resultado de una reacción química entre los aditivos lubricantes antidesgaste/presión extrema y las asperezas de contacto bajo tensiones tribológicas. En el contexto de la lubricación a base de agua, los aditivos deben elegirse cuidadosamente para resistir las limitaciones de lubricación límite.

Las pruebas estándar FZG A20/8.3/90, A10/16.6/90 y S-A10/16.6R/90 se utilizan ampliamente para la evaluación de las propiedades de rozamiento de los aceites para engranajes. Las pruebas de rozamiento FZG consisten en aumentar gradualmente la carga aplicada al par de engranajes lubricados por sumidero que funcionan a una velocidad constante. Después de cada etapa de carga, los flancos de los dientes se inspeccionan en busca de daños en la superficie y se anota cualquier cambio en la apariencia. Se alcanza la etapa de carga de falla (FLS) si se estima que el ancho total sumado del daño presente en todos los dientes del piñón es igual o excede el ancho de un diente. La prueba se considera completa cuando se cumple el criterio de falla o cuando se ejecuta la etapa de carga 12 sin cumplir el criterio de falla.

La versión A10/16.6/90 es más severa que la A20/8.3/90 ya que la velocidad de línea de paso aumenta de 8,3 a 16,6 m/s, y se utiliza un piñón más estrecho con un ancho de 10 mm en lugar de 20 mm, lo que aumenta la presión de contacto. La prueba de choque S-A10/16.6R/90 es la prueba FZG más severa, ya que la carga no se aplica gradualmente. No hay rodaje, por lo que las superficies de contacto no se alisan, lo que conduce a mayores restricciones mecánicas. Cabe mencionar que se bajó la temperatura de los procedimientos estándar a 60°C para adaptarlos al 'estudio WBL'. Para un estrés térmico dado, la temperatura del agua sería inferior a la del aceite, gracias a su mejor capacidad de refrigeración.

Los resultados se presentan en la Fig. 9. En general, la mayoría de las especificaciones de fluidos para vehículos eléctricos requieren un FLS superior a 12 en FZG A20/8.3/90. El lubricante a base de agua de TotalEnergies cumple con ese requisito y puede soportar versiones más severas de FZG con un rendimiento muy bueno.

El micropitting es un tipo de fatiga superficial muy común en engranajes y cojinetes de rodillos. ISO 15243 define este daño como fatiga iniciada en la superficie.8 Ueda et al. estipulan que es causada por fluctuaciones de tensión debidas a las interacciones rugosidad-aspereza en contactos rodantes-deslizantes.9 Se manifiesta formando áreas bruñidas, microfisuras de aspereza y microdescascarillados de aspereza.

El MPR (Micro Pitting Rig) diseñado por PCS Instruments se usa ampliamente para evaluar el rendimiento del micropitting. El MPR es un tribómetro de disco de tres contactos en el que tres anillos con un diámetro de 54 mm están simultáneamente en contacto con un rodillo central con un diámetro de 12 mm. Esta disposición geométrica que se muestra en la Fig. 10 permite que el rodillo de prueba se someta a muchos ciclos de contacto durante un período corto, lo que promueve la formación de micropicaduras. La prueba se lleva a cabo durante un período de 20 horas. El fenómeno de micropitting es detectado por un acelerómetro conectado a un monitor de vibración. El control de la señal de vibración se puede utilizar para determinar si se han producido micropicaduras en el material. Una micrografía óptica de la pista de fricción a lo largo de la dirección de rodadura confirmará que el daño generado es, de hecho, micropicaduras.

El procedimiento de prueba implementado en este estudio se desarrolló específicamente para evaluar el rendimiento de micropitting de los lubricantes para engranajes con respecto a su rendimiento en el estándar de prueba FZG C/9/90. Solo se cambió la temperatura de prueba a 60 °C para adaptarla a las WBL. Se experimentaron con dos fluidos, nuestro TotalEnergies WBL y un fluido de referencia para vehículos eléctricos (EV). Los resultados se muestran en la figura 11.

El rendimiento de micropicaduras se describe como deficiente si el tiempo de micropicaduras es inferior a diez horas, promedio si el tiempo de micropicaduras es de entre diez y 15 horas, y bueno en ausencia de micropicaduras después de más de 15 horas de prueba. Se puede ver que el lubricante a base de agua de TotalEnergies es capaz de cumplir con toda la duración de la prueba sin manifestar grietas superficiales típicas de micropitting. No es el caso del fluido EV de referencia, que falla a las 6,5 horas y muestra un número significativo de grietas superficiales a lo largo de la pista de fricción, con forma de 'V', típica de la fatiga iniciada en la superficie. Es una clara señal de que se está produciendo un proceso de micropitting.

Dada la importancia de abordar el cambio climático y las consideraciones medioambientales en el mundo actual, es fundamental que la industria de los lubricantes incluya el aspecto de la sostenibilidad en la evaluación de sus productos. Por lo tanto, el ecodiseño es fundamental para reducir la huella ambiental de un lubricante durante todo su ciclo de vida. Uno de los valores añadidos esperados del diseño de un WBL es su menor impacto ambiental.

En este aspecto, se realizó un Análisis de Ciclo de Vida (LCA) según la metodología multicriterio de Product Environmental Footprint (PEF) utilizando la base de datos Ecoinvent 3.8 para comparar el WBL de TotalEnergies con su contraparte convencional basada en petróleo.

El problema cuando se trata de LCA es la falta de datos confiables, especialmente cuando hay muchos procesos involucrados. Es por eso que se realizó un análisis 'cradle-to-gate', considerando la extracción de materia prima, el transporte de materia prima y el proceso de mezcla en las plantas de TotalEnergies, cuyos datos son bien conocidos (cálculo de límites del sistema). La atención se centró en los siguientes tres indicadores ambientales que son relevantes en relación con la actividad de la empresa y el campo de aplicación del lubricante:

Los resultados del LCA que se muestran en la Fig. 12 indican los beneficios ambientales del WBL de TotalEnergies. Una reducción del 30% en el potencial de calentamiento global y una reducción del 60% tanto para el uso del agua como de los recursos. Los beneficios ambientales de considerar WBL se han demostrado en estos tres indicadores ambientales principales gracias a LCA.

Gracias a la intensa investigación del equipo de I+D de TotalEnergies y sus socios, el WBL de TotalEnergies promete avanzar en el panorama de los lubricantes para vehículos eléctricos, y la empresa aún se esfuerza por formular tecnología de fluidos avanzada para los desafíos futuros de la movilidad eléctrica.

TotalEnergies quisiera expresar nuestra gratitud a B. Eng Yu Cao y M. Sc. Liguo Yang de IEM RWTH Aachen University por su valioso trabajo en las pruebas de compatibilidad de materiales aislantes. Nos gustaría expresar nuestro agradecimiento a nuestros colegas Goulven Bouvier, Maria Rappo, Julien Chaminand, Shimin Zhang, Eric Tinguy, Mathieu Desormeaux, Francis-Olivier Ramoni por el trabajo de I+D sobre movilidad eléctrica.

Tenga en cuenta que este artículo también aparecerá en la decimotercera edición de nuestra publicación trimestral.

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