19 Schmierstoff + Schmierung · 2. Jahrgang · 4/ 2021 FACHARTIKEL Die schöne neue Welt von Flüssigkeiten für Elektrofahrzeuge Dr. Nancy McGuire Flüssigkeiten für Elektrofahrzeuge unterscheiden sich in grundlegender Weise von denen, die für mit Verbrennungsmotoren angetriebene Fahrzeuge verwendet werden Gastartikel von Dr. Nancy McGuire aus TRIBOLOGY & LUBRICATION TECHNOLOGY OCTOBER 2021 Elektrofahrzeuge (EVs), weil sie sich grundlegend von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor unterscheiden, stellen die Hersteller von Schmierstoffen vor zahlreiche Herausforderungen - und Chancen. „Ich entwickle seit fast 30 Jahren Schmierstoffe, und dies war wahrscheinlich die größte Veränderung, die wir im Laufe der Jahre erlebt haben“, sagt Michael Gahagan, Antriebstechnik-Manager bei The Lubrizol Corp. in Derby, Großbritannien. Veränderte Anforderungen „Der Verkauf von Elektrofahrzeugen nimmt zu, und dieser Anstieg wird sich voraussichtlich fortsetzen, sagt Gahagan. Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor (ICE) einschließlich Hybridfahrzeugen werden jedoch auf absehbare Zeit weiterhin verwendet werden“, sagt er. Sogar Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor verfügen heute über eine zunehmende Anzahl elektronischer Komponenten - Sensoren, elektronische Zündung, computergestützte Fahrerassistenzgeräte und Start- Stopp-Konfigurationen, um nur einige zu nennen. Er bezeichnet die Verbreitung von Fahrzeuggetriebebauarten als „kambrische Explosion“ und bezieht sich auf die Verbreitung von Lebensformen, die vor etwa 500 Millionen Jahren auftraten. Einige Arten blieben und gediehen, andere starben aus - ein Schicksal, das einige der Fahrzeugtypen erwarten könnte, die jetzt auf den Straßen unterwegs sind oder sich derzeit in der Entwicklung befinden (siehe Abbildung 1). Pkw sind heute maßgeblich für den wachsenden Markt bei Hybrid- und vollelektrischen Fahrzeugen Dr. Nancy McGuire Nancy McGuire is a freelance writer based in Silver Spring, Md. You can contact her at nmcguire@wordchemist.com Dr. Nancy McGuire ist freiberufliche Autorin aus Silver Spring, Maryland USA und unter nmcguire@wordchemist.com erreichbar. Schmierstoff + Schmierung · 2. Jahrgang · 4/ 2021 20 Fachartikel | Die schöne neue Welt und werden voraussichtlich auch weiterhin Zweiräder und Nutzfahrzeuge übertreffen. Hybridautos verwenden weiterhin Verbrennungsmotoren, haben aber auch Batterien und deren Kühlsysteme sowie einen oder mehrere Elektromotoren. Beide Systeme können die Reichweite erhöhen, da das Fahrzeug für die gespeicherte Energie nicht allein auf die Batterie angewiesen ist. Diese erhöhte Reichweite geht jedoch zu Lasten von zusätzlichem Gewicht und weniger Platz für Passagiere und Fracht. Elektrofahrzeuge unterscheiden sich in vielerlei Hinsicht von ICE-Fahrzeugen - und voneinander. Motoren und Getriebe unterscheiden sich je nach Marke und Modell des Fahrzeugs im Design. Vollelektrische Fahrzeuge verzichten auf Kolben und Zylinder sowie auf viele andere Komponenten, die für Verbrennungsmotoren erforderlich sind, einschließlich Lichtmaschinen und Lüfter. Elektrofahrzeuge können über mehrere Elektromotoren verfügen, von denen sich einige in der Nähe des Standorts (z. B. Räder oder Zubehör) befinden, an dem der Strom verbraucht wird (siehe Abbildung 2). Start-Stopp-Fahrzeuge verzichten auf Magnetstarter, sondern auf permanent eingerückte Starter, die auch als Generatoren zum Aufladen der Batterie dienen. Bei Fahrzeugen mit regenerativem Bremsen wirkt der Elektromotor als Bremse, wobei die Energie beim Bremsen in die Batterie zurückgespeist wird. Der Verkauf von Elektrofahrzeugen nimmt zu, und dieser Anstieg wird voraussichtlich anhalten. Anastazi Sarigiannis, Business Development Manager bei Klüber Lubrication NA LP in Detroit, Michigan, sagt, dass die Automobilteileindustrie bemüht ist, sich an den daraus resultierenden Rückgang der Nachfrage nach Zubehörteilen anzupassen, die typischerweise mit Verbrennungsmotoren verbunden sind. „Es wird eine wettbewerbsfähigere Situation, in der jeder versucht, eine Lösung für die verbleibenden Komponenten zu finden“, sagt er. Zusätzlich zu Änderungen der Fahrzeugkonstruktionen beeinflussen auch Änderungen der Fahrzeugnutzungsmuster die Leistungsanforderungen. Obwohl einige Probleme nur bei der Entwicklung von EV- Schmierstoffen auftreten, wirken sich andere auf die Formulierung und Wirtschaftlichkeit von Schmierstoffen in allen Fahrzeugtypen aus. So schrumpft beispielsweise die Automobilindustrie langsam, aber stetig, sagt Sarigiannis. Carsharing gewinnt gegenüber dem Besitz von Privatfahrzeugen stetig an Boden, und autonome Fahrzeuge sind kurz vor der Einführung. Beide Entwicklungen verschieben die Balance weg von einer großen Anzahl von Privatfahrzeugen jegli- Abb. 1: Entwicklung von Fahrzeugkonzepten und -komponenten. ICE = Verbrennungsmotor, HEV = Hybrid elektrisches Fahrzeug, PHEV = Aufladbares hybrid elektrisches Fahrzeug, REEV = Reichweiten ausgeweitetes elektrisches Fahrzeug, BEV = Batterie betriebenes elektrisches Fahrzeug und FCEV = Brennstoffzellen elektrisches Fahrzeug. Abbildung mit freundlicher Genehmigung von Gareth Fish, The Lubrizol Corp Abb. 2: Konzepte und Komponenten von Elektrofahrzeugen erfordern andere Schmierstoffe als für mit Verbrennungsmotor angetriebene Fahrzeuge. Abbildung mit freundlicher Genehmigung von Michael Gahagan, The Lubrizol Corp 21 Schmierstoff + Schmierung · 2. Jahrgang · 4/ 2021 cher Art, die die meiste Zeit stillstehen, hin zu einer viel geringeren Anzahl von geteilten Fahrzeugen, die mehr oder weniger ständig im Einsatz sind. Elektroautos unterscheiden sich von Verbrennern Neue Antriebe, die unter anderen Betriebsbedingungen, Belastungen und Temperaturen laufen, erfordern neue Schmierstoffe. Synthetische Öle, die bereits auf dem Markt sind, können den höheren Temperaturen und den anspruchsvolleren Betriebsbedingungen heutiger Fahrzeuge standhalten, aber die Nachfrage nach noch mehr Leistung wird wahrscheinlich weiter zunehmen. „Für eine längere Lebensdauer suchen Sie nach rein synthetischen Schmierstoffen - und solchen, die normalerweise ziemlich hohe Betriebstemperaturen haben“, sagt Sarigiannis. Er erklärt, dass synthetische Schmierstoffe gegenüber Mineralölen viel besser oxidationsbeständig sind und somit auch bei höheren Temperaturen länger halten, ein wichtiger Aspekt bei heiß laufenden Elektromotoren. Öle und Fette mit längerer Lebensdauer bieten auch die Möglichkeit, die Anzahl der Anwendungen für die Lebensdauer der Füllung in Elektrofahrzeugen zu erhöhen, einschließlich Fetten für abgedichtete Lager und EV-spezifische Automatikgetriebeflüssigkeiten. Im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren übertragen Elektromotore keine Verbrennungsnebenprodukte in den Schmierstoff. Da es keine Verbrennungsnebenprodukte gibt, die diese Öle abbauen, können regelmäßige Ölwechsel bei Pkws der Vergangenheit angehören (oder zumindest seltener werden). Schmierstoffe für Elektrofahrzeuge erfüllen andere Funktionen als ihre Pendants in mit Verbrennungsmotoren angetriebenen Fahrzeugen. Zum Beispiel benötigt ein Verbrenner Motoröl, um die Reibung im Motor zu reduzieren. Getriebeöl zirkuliert separat und dient als Schmiermittel, Hydraulikflüssigkeit für die Gangschaltung und Kühlmittel. Getriebeöle für mit Verbrennungsmotoren angetriebene Fahrzeuge werden in der Regel seltener gewechselt als Motorenöle (abhängig von OEM-Spezifikationen). Elektromotoren in einem EV können mit 15.000 U/ min oder mehr laufen, und der Übersetzungsuntersetzer in einem EV, der die Motordrehzahl in die Geschwindigkeit umwandelt, die zum Antrieb der Räder erforderlich ist, fungiert als Getriebe. EV-Getriebeflüssigkeit ist ein Öl, das auch das Getriebe schmiert und als Kühlmittel für das Getriebe dient. Viele EV- Getriebeflüssigkeiten sind auch speziell für das Wärmemanagement des/ der im selben Getriebe integrierten Elektromotor(s) formuliert. Bei Quaker Houghton arbeiten wir kontinuierlich daran, unsere Kunden mit hochmodernen Lösungen zu unterstützen, die auf jeden spezifischen Prozess und jede Anwendung zugeschnitten sind. Eines der Hauptthemen, an denen das Schmiede-Team arbeitet, ist der Ersatz von Graphit in allen Schmiedeschmierstoffen durch andere Substanzen, die noch mehr Schmierfähigkeit und bessere Leistung aufweisen; ein sogenannter weißer Festschmierstoff (WSL). Die neue Technologie ermöglicht es uns, nicht nur unsere kundenspezifische Lösung für das Schmieden von Stahl und Leichtmetalllegierungen zu liefern, sondern auch einen umweltfreundlicheren Arbeitsplatz (ohne Graphit) und einen besseren EHS-Zustand zu haben. Für weitere Informationen zu Anwendung und Technologie kontaktieren Sie uns bitte Quaker Houghton Houghton Deutschland GmbH Giselherstraße 57 D-44319 Dortmund Telefon: 49-(0)800-7435562 www.quakerhoughton.com/ de Anzeige Schmierstoff + Schmierung · 2. Jahrgang · 4/ 2021 22 Fachartikel | Die schöne neue Welt Es werden Anstrengungen unternommen, um einzigartige Schmierstoffe auf Syntheseölbasis mit rheologischen und thermischen Eigenschaften zu entwickeln, die sich gut für EV-Antriebssysteme eignen“, sagt Sarigiannis. Insbesondere Wärmemanagementflüssigkeiten werden ständig weiterentwickelt. Typischerweise unterscheiden sich Wärmemanagementflüssigkeiten für EV-Batterien von der EV-Getriebeflüssigkeit. Die Entwicklung eines einzigen Thermomanagement- Fluids, das für Batterien und Getriebe geeignet ist, wird aktiv verfolgt, aber diese Bemühungen stehen noch am Anfang. Die Effizienz von Batterieflüssigkeiten wirkt sich aber auch auf die Leistung der Elektroantriebe aus, denn diese Flüssigkeiten helfen Batterien, Strom nach Bedarf zu liefern. Batterie- Wärmemanagementflüssigkeiten helfen, die Batterie und die Leistungselektroniksysteme im besten Temperaturbereich für schnelles Aufladen und schnelle Beschleunigung zu halten, egal ob das Fahrzeug geparkt oder in Betrieb ist. Schmierstoffe als Gestaltungselement In den letzten zehn Jahren haben OEMs zunehmend nach speziellen Schmierstoffen gefragt, die auf die spezifischen Anforderungen ihrer Hardwaredesigns zugeschnitten sind. Die größten OEMs stellen hohe Anforderungen an die technischen Anforderungen für jede Fluidanwendung, sagt Thomas Gillet, Teamleiter für Antrieb und Elektrik Flüssigkeiten für TotalEnergies Lubricants in Paris, Frankreich. Diese Unternehmen verfügen über eigene Tribologie- und Formulierungsspezialisten, die Spezifikationen entwickeln und Produkttests durchführen. „Ein Öl, das für alle passt, wird es leider nie geben“, fügt er hinzu. Bei Personenkraftwagen sind jedoch immer mehr Anwendungen lebenslang befüllt, sodass die werkseitigen Füllflüssigkeiten nicht ersetzt werden müssen, es sei denn, es gibt ein Leck oder eine andere Art von Fehlfunktion. Auf Verbraucherebene bedeutet dies, dass ein handelsübliches Öl zwar in einem Elektrofahrzeug funktionieren könnte, es jedoch keine Garantie dafür gibt, dass es so gut funktioniert wie das empfohlene Öl, und es könnte überhaupt keine gute Leistung erbringen. Um die Einhaltung der Bedingungen einer Fahrzeuggarantie zu gewährleisten, müsste ein Kunde oder Mechaniker die empfohlene Flüssigkeit unter Angabe einer Teile- oder Katalognummer bestellen, ähnlich wie bei der Bestellung eines bestimmten Sensors oder einer bestimmten Anzeigekomponente am Armaturenbrett. Für einige Anwendungen kann ein OEM eine Liste der zugelassenen Flüssigkeiten bereitstellen, die unter die Fahrzeuggarantie fallen. Kleinere OEMs, denen es an eigenen Schmierstoffrezepturen und Testmöglichkeiten mangelt, müssen sich möglicherweise auf bereits auf dem Markt befindliche Produkte verlassen, die nicht auf eine bestimmte Fahrzeugmarke zugeschnitten sind. Ebenso kann es für kleinere Schmierstofflieferanten schwierig sein, die Anforderungen mehrerer OEMs mit jeweils eigenen Schmierstoffspezifikationen zu erfüllen. Gillet stellt fest, dass mehrere Arbeitsgruppen von Verbänden entstehen, um standardisierte Testmethoden und Leistungsbewertungsstandards zu etablieren. Diese Methoden könnten sich als nützlich erweisen, um die Eignung verschiedener Formulierungen über Anwendungen oder Hersteller hinweg zu bewerten. Anfang dieses Jahres hat das Southwest Research Institute ein Konsortium ins Leben gerufen, um einen gemeinsamen Ansatz zur Bewertung fortschrittlicher Flüssigkeiten für elektrifizierte Fahrzeuge zu entwickeln. Die Society of Automotive Engineers (SAE) hat einen technischen Ausschuss gebildet, um Industriespezifikationen für EV-Flüssigkeiten zu entwerfen, und deutsche und französische Verbände der Automobilindustrie helfen bei der Entwicklung von Standards für die Europäische Union. Gahagan stellt fest, dass es keinen einzigen Standard für EV-Schmierstoffe gibt, dies jedoch nichts Neues ist; Hersteller von ICE-Fahrzeugen verwenden auch mehrere Standards, um die Formulierung und Prüfung der von ihnen verwendeten Schmierstoffe zu leiten. Laut Gahagan haben OEMs in den letzten zehn Jahren zunehmend nach speziellen Schmierstoffen gefragt, die auf die spezifischen Anforderungen ihrer Hardware-Designs zugeschnitten sind. „Da die OEMs [den Schmierstoff] als Konstruktionskomponente sehen, werden sie dieses Öl so detailliert und genau wie alle anderen Komponenten im Getriebe und in vielen Fällen mit derselben Strenge spezifizieren.“ Gahagan fügt hinzu, dass, obwohl Testmethoden und Definitionen von Öleigenschaften auf bestehenden Standards basieren, die OEM-Anforderungen für fertige Formulierungen oft ziemlich weit fortgeschritten sind, was erhebliche Investitionen in Forschung und Tests erfordert, um den besten Schmierstoff für ihre Komponenten bereitzustellen. Er betont, dass Spezialflüssigkeiten hoch geschätzt werden und sich die Investition in Bezug auf erhöhte Zuverlässigkeit und bessere Leistung auszahlt, insbesondere angesichts der verlängerten Lebensdauer (bis zur Füllung für die Lebensdauer), die von heutigen EV-Getriebeflüssigkeiten erwartet wird. Die größten Unterschiede zwischen Flüssigkeiten für Elektrofahrzeuge und den bekannten für Verbrennungsmotoren lassen sich in den folgenden Eigenschaften zusammenfassen: > Elektrische Leitfähigkeit: Einige der Herausforderungen von Elektrofahrzeugen sind den Arbeitern in Industriebetrieben bereits bekannt. Elektrische Ströme können beispielsweise durch einen rotierenden Stator lecken und durch ein Motorgehäuse austreten, wenn ein Motor nicht ordnungsgemäß geerdet ist. Von dort folgt der Strom dem uvk.de Damit Sie mit Ihrem Team schneller ans Ziel kommen! Schmierstoff + Schmierung · 2. Jahrgang · 4/ 2021 24 Fachartikel | Die schöne neue Welt Weg des geringsten Widerstands, und dieser Weg geht oft durch die Lager. > Chemische Verträglichkeit: Da Elektromotoren ein sofortiges Drehmoment erzeugen, erzeugen sie auch bei sehr niedrigen Drehzahlen schnell Wärme. Schmierstoffe, Dichtungen und andere nichtmetallische Komponenten müssen in diesen Umgebungen gut funktionieren und miteinander kompatibel sein. > Kupferkorrosion: Von allen Faktoren, die in die Formulierung eines EV-Getriebeöls einfließen, ist die Kupferkompatibilität wahrscheinlich der kritischste, sagt Gahagan. Im Gegensatz zu Metallgetrieben, die sich im Laufe der Lebensdauer des Getriebes allmählich verschleißen können, kann eine Korrosion von Motorwicklungen oder elektrischen Verbindungen aus Kupfer schnell auftreten und katastrophale Ausfälle verursachen, fügt er hinzu. Dieser Ausfall kann früh im Leben des Getriebes auftreten. > Wärmemanagement: Die beiden vorherrschenden Mechanismen bei der Ölalterung sind thermischer Abbau und Oxidation, sagt Gahagan. EV-Öle müssen die Hitze bewältigen, was jede Art von chemischer Reaktion, einschließlich Oxidation, beschleunigt. Beispielsweise kann eine hohe Stromaufnahme eines Elektromotors (zum Beispiel beim Beschleunigen) dazu führen, dass sich die Motorspulen auf 180 °C erwärmen, was das Getriebeöl zusätzlich belastet. Durch den Einsatz hochwertiger Grundöle mit guter thermischer Stabilität sowie einer guten Kombination von Oxidationsinhibitoren und Dispergieradditiven (die die Schlammbildung verzögern) kann diesen Belastungen entgegengewirkt werden. Die „Kambrische Explosion“ der Elektrofahrzeuge überleben Radikale Veränderungen in Fahrzeugdesigns und Nutzungsmustern haben die Märkte für Fahrzeugschmierstoffe und Thermofluide erschüttert. Formulierungen, die überleben und gedeihen, sind diejenigen, die bei hohen Temperaturen gut funktionieren, die Lebensdauer des Bauteils halten und mit den Komponenten, die sie unterstützen und schützen, kompatibel sind. »« Eingangsabbildung © Kadmy - stock.adobe.com Max L. J. Wolf Projektarbeit bei kleineren und mittleren Vorhaben Orientierung schaffen für die Praxis mit dem Projektmanagement-Kompass! expertverlag.de Anzeige