Schmierstoff + Schmierung · 5. Jahrgang · 1/ 2024 12 FacHartiKEl FacHartiKEl Der schnelle Ausbau der Elektromobilität als Treiber für die Schmierstoffentwicklung Jeanna Van Rensselar Von Jeanna Van Rensselar, Senior Feature Writer | TLT Cover Story November 2022, Übersetzt und Zusammengefasst durch den VSI. Einleitung Zwar gibt es schon Tests für Schmierstoffe zur Verwendung in batterieelektrischen Autos (Electric Vehicle, EV), aber es besteht dennoch ein Bedarf an besseren und standardisierten Tests. Verschiedene Materialien mit unterschiedlichen Wechselwirkungen stellen unterschiedliche Anforderungen an EV- Schmierstoffe. Während Reibung, Verschleiß und Oxidationsstabilität wichtig sind, gibt es zusätzliche neue Anforderungen wie z. B. Umweltfreundlichkeit. Viele herkömmliche Tests sind auf EV-Schmierstoffe nicht anwendbar. Daher müssen die Entwickler ihre eigenen Tests entwickeln. Obwohl viele dieser Tests hilfreich zu sein scheinen, fehlt ihnen die allgemeine Akzeptanz durch Normung. Greg Seman, eMobility OEM Liaison, Americas/ BP Castrol, stellte fest, dass Europa und China den USA bei der Umstellung auf Elektrofahrzeuge aufgrund von Gesetzen und proaktiven Maßnahmen von Regierungen und Herstellern voraus sind. Deshalb gibt es in Europa und China besonders viele Fortschritte in der EV-Technologie gegenüber anderen Regionen. Allerdings: Nicht alle Regionen müssen die gleichen Entwicklungszyklen durchlaufen. Alle Technologien werden weltweit verfügbar sein und alle Regionen. Die hohen Zuwächse bei der Einführung von Elektrofahrzeugen auf dem europäischen Markt, dicht gefolgt vom US-amerikanischen Markt, sind eine Chance für Öl- und Additivlieferanten. Die wichtigsten Herausforderungen betreffen Schmierstoffe und Testmethoden. Dies ist zum großen Teil auf die Komplexität von EV-Antriebssträngen zurückzuführen, die Schmierstoffformulierungen erfordern, die: > Reibung und Verschleiß reduzieren > Anforderungen an Luftabscheidung (Schaum) und Oxidation erfüllen > als Kühlmittel fungieren > elektrisch isolierend sind > mit EV-spezifischen Materialien kompatibel sind. Der Markt für Elektrofahrzeuge wird weiterwachsen, und die Notwendigkeit, die Reichweite zu erhöhen, wird die Entwicklung neuer Schmierstoffe für Elektrofahrzeuge hin zu mehr Effizienz vorantreiben. Kurzfristig wird es Schmierstoffe mit niedrigerer Viskosität geben, die einen hervorragenden Korrosionsschutz, einen angemessenen Schutz der Mechanik und ausgewogene elektrische Eigenschaften aufweisen. Diese Schmierstoffe werden die Verluste durch innere Reibung (Zähigkeit) verringern und durch eine effektivere Kühlung die Betriebseffizienz des Motors erhöhen. Ein verbesserter Wirkungsgrad durch geringere Reibung wird zur Verringerung des Gesamt- 13 Schmierstoff + Schmierung · 5. Jahrgang · 1/ 2024 Fachartikel-|-Elektromobilität als Treiber für die Schmierstoffentwicklung energieverlustes beitragen und zu einer größeren Fahrzeugreichweite führen. Langfristig werden diese zusätzlich nachhaltiger sein müssen, wie Dr. Timothy Newcomb, Strategic Technology Manager, Lubrizol, berichtete. Die Kühlfunktion von Schmierstoffen ist eine Eigenschaft, der bislang nicht viel Aufmerksamkeit gewidmet wurde. Bei hohen Drehmomenten erwärmen sich die Kupferspulen in Elektromotoren sehr schnell und müssen gekühlt werden. Heute gibt es verschiedene Kühlstrategien, darunter das Sprühen von Schmiermittel. Das funktioniert gut, aber es wäre hilfreicher, wenn das Schmiermittel selbst die Fähigkeit hätte, Wärme schneller abzuführen. Dies erfordert verbesserte thermische Eigenschaften des Schmierstoffs, d. h. eine höhere Wärmeleitfähigkeit und eine verbesserte Fähigkeit, Wärme aufzunehmen. Eine geringere Viskosität hilft, die Wärme von den betroffenen Bereichen wegzuleiten. Anforderungen, die die Innovationen bei EV-Schmierstoffen vorantreiben werden Obwohl alle Elektrofahrzeuge über ein elektrisches Antriebssystem aus Elektromotor, Wechselrichter, Untersetzungsgetriebe und elektronischen Schaltelementen verfügen, gibt es grundlegende Unterschiede in der Konstruktion. Derzeit kann das elektrische Antriebssystem modular oder vollständig integriert sein, aber es gibt einen Trend zur integrierten Bauweise. Daher können die Eigenschaften eines neuen EV-Schmierstoffs je nach Art der gesamten Antriebseinheit variieren. Grundöle der Gruppen III (teilsynthetisch bzw. höchstausraffiniert) und IV (synthetisch) werden in der Regel für EV-Schmierstoffe verwendet. Jeder auf der Basis dieser Grundöle konzipierte Schmierstoff sollte die meisten Leistungsanforderungen an einen EV-Antriebsschmierstoff erfüllen. Darüber hinaus gibt es Möglichkeiten, die Schmierstoffe nachhaltiger zu formulieren. Eine Möglichkeit besteht z. B. darin, den CO 2 -Fußabdruck zu senken, indem z. B. recycelte Grundöle verwendet werden. Laut Dr. Hong, Chefentwickler bei Chevron, gibt es zwei Leistungssäulen, die für einen neuen EV-Antriebsstrangschmierstoff erforderlich sind. (1) Haltbarkeit: Dazu zählen Verschleißschutz (z. B. für niedrigere Viskositäten eines EV-Antriebsstrang-Schmiermittels im Vergleich zu handelsüblichen Automatikgetriebeölen (sog. ATF)), Korrosionsbeständigkeit gegenüber Kupfer (z. B. zum Schutz der Kupferspulen im Motor), elektrische Leitfähigkeit sowie Materialverträglichkeit (z. B. Schutz der Beschichtung) und Oxidationsbeständigkeit (z. B. zur Gewährleistung einer Lebensdauerschmierung). Diese Eigenschaften führen zu einer hohen Lebensdauer der Fahrzeuge. Einige dieser Eigenschaften werden auch für herkömmliche Antriebe benötigt, aber wichtige Anforderungen, wie z. B. spezielle Reibungseigenschaften in Automatikgetrieben oder Schaltgetrieben werden nicht benötigt. (2) Wirkungsgradbezogene Eigenschaften: Dazu zählen u. a. kleine Reibwerte, geringe Viskosität und gute Wärmeleitfähigkeit. Niedrigere Reibwerte verringern den Reibungsverlust und erhöhen so die Effizienz des EV-Antriebssystems. Eine niedrigere Viskosität ist in der Regel erforderlich, um den Wirkungsgrad zu verbessern, aber bietet oft einen geringeren Verschleißschutz. Eine gute Anzeige Schmierstoff + Schmierung · 5. Jahrgang · 1/ 2024 14 Fachartikel | Elektromobilität als Treiber für die Schmierstoffentwicklung Wärmeleitfähigkeit ist von Vorteil, um die Öltemperaturen zu senken, insbesondere bei integrierten EV- Antriebssystemen, um eine Beeinträchtigung der Motorleistung zu vermeiden. Dazu kommt eine möglichst geringe elektrische Leitfähigkeit. Im Allgemeinen haben Schmierstoffe einen ausreichend hohen elektrischen Widerstand. Je höher dieser ist, umso besser für den Antrieb. Materialverträglichkeit ist ein weiteres wichtiges Merkmal. Aktuelle Getriebeöle sind mit Dichtungen, Elastomeren und Magneten kompatibel, aber Elektromotoren enthalten andere Arten von Materialien, die mit Schmiermitteln in Berührung kommen, z. B. Polyamid-Beschichtungen auf Kupfer, Isolierpapier, Polyesterfasern, Lacke usw. Die nächste Generation von EV-Antriebsflüssigkeit sollte mit all diesen verschiedenen Materialien kompatibel sein. Die Rolle der OEMs (Automobilhersteller) bei der Entwicklung von EV-Schmierstoffen Einige OEMs arbeiten eng mit Additiv- und Ölfirmen zusammen, um die nächste Generation von Schmierstoffen für Elektrofahrzeuge zu entwickeln. Die Additivbzw. Ölunternehmen verfügen über ein umfangreiches Wissen darüber, wie die gewünschten Eigenschaften formuliert werden können, die OEM über die Praxiserfahrung beim Einsatz. Eine der ersten erkannten Herausforderungen für OEMs und Schmierstoffentwickler bestand darin, sicherzustellen, dass der Schmierstoff keinen potenziellen Pfad für Kriechstrom von den Leitern zum Gehäuse darstellt. Je kleiner die Antriebseinheit ist, desto wichtiger wird die elektrische Leitfähigkeit (oder der Volumenwiderstand) des Schmierstoffs. Der Trick besteht darin, die elektrische Leitfähigkeit so gering wie möglich zu halten, um schädliche Leckströme zu verhindern, ohne dass sich statische Elektrizität (als Folge zu geringer Leitfähigkeit) auf baut, die zu unkontrollierten statischen Entladungen führen kann. Dies kann bei herkömmlichen Schmierstoffen, die in neuen elektrischen Antriebseinheiten verwendet werden, ein Problem darstellen. Eine weitere Herausforderung ist die Verbesserung des Korrosionsschutzes. Fehler in der Elektronik können zu einer Störung führen, und mit der zunehmenden Abhängigkeit von Sensoren und anderer Elektronik steigt auch der Bedarf an gutem Korrosionsschutz. Darüber hinaus können die Kupferwicklungen sehr hohe Temperaturen erreichen und dadurch Korrosionsprozesse beschleunigen, die bei normalen Betriebstemperaturen nicht auftreten. Risse im Isoliermaterial (Magnetdrahtisolierung, Schweißbeschichtungen) können zur Bildung von leitfähigen Ablagerungen führen, die den Motor kurzschließen und zum Durchbrennen des Motors führen können. Herkömmliche Schmierstoffe haben einen akzeptablen Schutz, der aber weiter verbessert werden muss. Die Schmierstoffentwickler müssen auch bedenken, dass Elektromotoren neue Materialien enthalten, mit denen der Schmierstoff kompatibel sein muss, z. B. die Isolierung des Magnetdrahts, die aus komplexen Polymerfolien, flexiblen Isoliermaterialien und strukturellen Kunststoffen bestehen kann. Andere Probleme, mit denen sich die Schmierstoffforscher auseinandersetzen müssen, betreffen den Verschleiß und die Luftverschmutzung bei hohen Drehzahlen. Die direkte Kühlung des Elektromotors durch den Schmierstoff verbessert die Effizienz des Motors. Sie kann jedoch noch weiter verbessert werden, indem die physikalischen Eigenschaften des Schmierstoffs - insbesondere die Viskosität - verändert werden. Es ist zwar möglich, Eigenschaften wie die Wärmeleitfähigkeit und die spezifische Wärmekapazität zu optimieren, aber das, was die Kühlung wirklich verbessern kann, ist die Viskosität. Flüssigkeiten mit extrem niedriger Viskosität können die Motortemperatur um mehrere Grad Celsius senken, und das reicht aus, um die Reichweite erheblich zu erhöhen. Entwicklung von Testmethoden für neue Formulierungen Da Elektromotoren wesentlich höhere Drehzahlen haben als Verbrennungsmotoren, müssen spezielle Tests und Prüfstände entwickelt werden, um den Einsatz im Straßenverkehr zu simulieren. Dies erfordert eine erhebliche finanzielle Investition, da neue Motoren, Wechselrichter, Prüfstände usw. beschafft, installiert, validiert und kalibriert werden müssen. Einzigartig im Bereich der Elektrofahrzeuge ist, dass es noch keine Standardtests gibt; viele Prüfstände und Verfahren wurden hinter verschlossenen Türen entwickelt, wenngleich einige Tests, wie z. B. der FZG 1 , von Verbrennungsmotorentests übernommen wurden. Es gibt auch Herausforderungen bei der Anwendbarkeit bestehender Tests. Der Kupferkorrosionstest wird z. B. nach ASTM D-130 durchgeführt und immer noch für die Entwicklung von EV-Flüssigkeiten verwendet. Allerdings ist dieser Test für diese Anwendung nur teilweise relevant. Die Kupferspulen, welche direkt mit dem Schmierstoff in Berührung kommen, reagieren anders, wenn Strom durch die Testprobe geleitet wird, weil das die Korrosion beschleunigen kann. Schmierstoffe für Elektrofahrzeuge müssen auch die Wechselwirkung des Schmierstoffs mit Kupfer in einem breiten Temperaturbereich berücksichtigen. Die Tests hier sind z. B.: 1 FZG-Prüfungen werden im Allgemeinen zur Bestimmung der Graufleckentragfähigkeit von Getriebeschmierstoffen und des Verschleißschutzes verwendet. 15 Schmierstoff + Schmierung · 5. Jahrgang · 1/ 2024 Fachartikel-|-Elektromobilität als Treiber für die Schmierstoffentwicklung 1. Ein Kupferdraht-Korrosionstest, bei dem ein elektrischer Strom durch einen dünnen Kupferdraht geleitet wird, während dieser in das Schmiermittel eingetaucht ist 2. Ein Test zur Leitfähigkeit von Ablagerungen, wie Kupferoxide und -sulfide, die als Halbleiter fungieren können und zu einem elektrischen Kurzschluss von Motoren führen. Zum Test wird hier Strom durch eine Leiterplatte mit Kupferstreifen geleitet, die teilweise in das Schmiermittel eingetaucht und teilweise der Luft in einem geschlossenen Behälter ausgesetzt sind 3. Ein Kupferstreifen, der in einem geschlossenen Gefäß aufgehängt ist, wo er teilweise in Schmiermittel eingetaucht und teilweise der Luft ausgesetzt ist, ohne dass ein Strom durch ihn fließt. Diese Tests befinden sich in unterschiedlichen Entwicklungsstadien, und es besteht keine Einigkeit darüber, welcher Test die tatsächlichen Anwendungen am besten wiedergibt. Keiner dieser Tests ist derzeit ASTM-Standard. Darüber hinaus besteht Bedarf an einem Hochgeschwindigkeits-Getriebeverschleißtest, da der Trend hin zu Elektromotoren mit höheren Umlaufgeschwindigkeiten geht. Heute liegt die Drehzahl von Elektromotoren bei etwa 18.000 Umdrehungen pro Minute, aber sie könnte bis zu 30.000 Umdrehungen pro Minute betragen. Heute gibt es keinen Getriebetest für die derzeitige maximale Motordrehzahl. Auch hier besteht Bedarf an einer Prüfmethode. Die Schaumbildung ist ein weiterer Bereich, für den eine bessere Prüfmethode benötigt wird. Derzeit wird in der Industrie z. B. der ASTM D892 verwendet, aber die Einschränkung besteht darin, dass die Flüssigkeit nicht geschert (dabei werden die Moleküle gewissermaßen zerkleinert) werden kann. Es muss eine Testmethode entwickelt werden, und letztendlich wird ein Standardtest für die Industrie angestrebt. Die Effizienzbewertung von EV-Antriebsflüssigkeiten entweder in einem E-Antrieb und/ oder in einer Testmethode für Fahrzeuge mit Nabendynamik hat bislang nicht viel Aufmerksamkeit erhalten. Das mag daran liegen, dass es keine leicht zugänglichen E-Antriebssysteme gibt, wie Industrievertreter einräumen. Üblicherweise verwendete Prüfstandstests liefern gute Hinweise auf die Haltbarkeit, geben aber nur wenig Aufschluss über die Effizienz. Die Effizienz von E-Antrieben wurde z. B. in einem Prüfstand durch Kopplung einer E-Antriebseinheit mit einem Dynamo gemessen. Der E-Antriebstest ist ein hervorragendes Instrument, um Effizienzunterschiede zwischen Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Viskositäten zu prüfen, sagen Entwickler. Allerdings sind die Betriebsbereiche aufgrund der Instabilität des Prüfgeräts bei niedriger Geschwindigkeit/ geringem Drehmoment und bei sehr hoher Geschwindigkeit/ sehr hohem Drehmoment sehr eng. Bei einem modifiziertem Fahrzeugtester mit Nabendynamometer wird ein komplettes Fahrzeug und nicht nur ein E-Antrieb verwendet, sodass ein breiter Geschwindigkeits-/ Drehmomentbereich ohne Instabilitätsprobleme abgedeckt werden kann. Bislang haben die Entwickler von Schmierstoffen auch darauf geachtet, dass die Formulierungen die in den Dichtungen verwendeten Elastomere nicht beschädigen. Aber der Elektromotor enthält andere Polymere als konventionelle Antriebe, von denen die Isolierung des Magnetdrahts von entscheidender Bedeutung ist. Motorhersteller führen verschiedene Tests durch, um zu bestätigen, dass der Schmierstoff die Drahtisolierung nicht beschädigt; aber einen standardisierten Test zur Bewertung des Schmierstoffs gibt es jedoch nicht. Obwohl ein Großteil der derzeitigen Magnetdrahtisolierungen aus sehr schmiermittelbeständigen Filmen besteht, könnte sich dies unter in Zukunft durchaus ändern. Es besteht also die Notwendigkeit, diese Kompatibilität, während der Schmierstoffentwicklung zu bewerten. Die „SAE Focus Group on e-drive fluids“ befindet sich derzeit in der letzten Phase der Fertigstellung von SAE J3200. Diese SAE J3200 ist eine Zusammenstellung empfohlener und verfügbarer Tests, die Forschern, die an der Entwicklung eines EV-Antriebsstrangschmierstoffs interessiert sind, helfen wird, aber ohne spezifische Leistungsgrenzen ist es immer noch eine Herausforderung. Schlussfolgerungen Die Automobilindustrie befindet sich immer noch in der Frühphase der Entwicklung von Elektrofahrzeugen, wobei täglich neue Designs und Innovationen eingeführt werden. Bis eine allgemeine Richtung für die Branche festgelegt ist, muss die Schmierstofflösung, die eine optimale Leistung ermöglicht, maßgeschneidert sein; eine Größe passt nicht für alle, so die Industrieexperten. »« Eingangsabbildung: © Oulailux - stock.adobe.com