Specyfika środków smarowych do zespołów napędowych samochodów elektrycznych

• Autorzy: Stępień Zbigniew

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2023.02.07

Warianty tytułu

EN

Specificity of lubricants for electric car powertrains

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule opisano zasadnicze różnice pomiędzy klasycznymi samochodowymi zespołami napędowymi z tłokowymi silnikami spalinowymi a elektrycznymi zespołami napędowymi. Zwrócono uwagę na odmienne warunki pracy skrzyni biegów napędu elektrycznego w porównaniu z tymi, jakie występują w przypadku skrzyni biegów napędu klasycznego. W znacznej mierze jest to spowodowane różnymi charakterystykami pracy silników spalinowych i elektrycznych porównywanych napędów, co opisano i zilustrowano na rysunkach. Wynikiem tych różnic są specyficzne wymagania, jakie stawiane są środkom smarowym do skrzyń biegów napędów elektrycznych. Dodatkowe wymagania wynikają z możliwości jednoczesnego stosowania tego typu środków smarowych jako płynów chłodzących silniki elektryczne oraz falowniki elektrycznych zespołów sterujących. Wyjaśniono, dlaczego konieczne jest opracowanie nowych środków smarowych, przeznaczonych do elektrycznych zespołów napędowych. Zwrócono uwagę, że do tej pory nie ma jasnych wymagań technicznych dla płynów do pojazdów elektrycznych, jako że konstrukcja napędów elektrycznych wciąż się rozwija. Brak jest też wielu znormalizowanych metod badawczych i określenia zakresu niezbędnych badań przedmiotowych płynów. Podkreślono, że przyszłe środki smarowe do pojazdów elektrycznych powinny poprawiać sprawność mechaniczną i ograniczać straty hydrauliczne przekładni w celu zmniejszenia zużycia energii elektrycznej i emisji CO2 pojazdu elektrycznego powstającej podczas produkcji energii elektrycznej. Poprawy sprawności energetycznej silnika elektrycznego można dokonać poprzez optymalizację właściwości cieplnych środka smarowego, tj. przewodności cieplnej, pojemności cieplnej i natężenia przepływu. W dalszej części artykułu przedyskutowano problemy i wyzwania związane ze smarowaniem elektrycznych zespołów napędowych. Mając na uwadze poprawę efektywności chłodzenia elektrycznych zespołów napędowych, wyjaśniono, dlaczego bardzo istotne jest obniżanie lepkości oleju smarowego. Wskazano też na zagrożenia, jakie to powoduje. Opisano duże znaczenie właściwości elektrycznych (dielektrycznych, elektroizolacyjnych, odporności na przebicie) środka smarowego, które mogą zapobiec uszkodzeniom elektroerozyjnym łożysk i zespołów elektrycznych. Poruszono również problem kompatybilności środków smarowych z różnorodnymi materiałami stosowanymi przy budowie elementów zespołów elektrycznych. Szeroko opisano też i zestawiono wymagania dotyczące wybranych właściwości olejów smarowych do spalinowych i elektrycznych zespołów napędowych. Podobnego porównania dokonano w odniesieniu do dodatków uszlachetniających środki smarowe do obu typów zespołów napędowych. Wskazano szczególnie istotne różnice pomiędzy właściwościami środków smarowych stosowanych do przedmiotowych zespołów napędowych. W ostatniej części artykułu skoncentrowano się na składzie olejów smarowych do skrzyń biegów napędów elektrycznych. Opisano, jakie bazy olejowe są najbardziej właściwe do takich olejów smarowych. Scharakteryzowano ich właściwości na podstawie wyników dotychczas przeprowadzonych badań. Podobnie opisano też bazy olejowe stosowane w przypadku smarów plastycznych przeznaczonych do smarowania łożysk elektrycznych zespołów napędowych. Wyjaśniono rolę i znaczenie dodatków uszlachetniających w zakresie możliwości poprawy niektórych właściwości środków smarowych. W podsumowaniu zaznaczono, że wraz z postępem technologii e-mobilności środki smarowe muszą być odpowiednio dostosowywane w zakresie kompatybilności elektrycznej i materiałowej oraz zarządzania termicznego do eksploatacji w elektrycznych zespołach napędowych.

EN

The article describes the fundamental differences that exist between classic automotive powertrains with reciprocating internal combustion engines and electric powertrains. Attention is drawn to the different operating conditions of electric drive gearboxes compared to those of classic drive gearboxes. This is largely due to the different performance characteristics of the internal combustion engines and electric motors of the compared drives as described and illustrated in the figures. The result of these differences is the specific requirements that are placed on lubricants for the gearboxes of electric drives. Additional requirements arise from the possibility of simultaneously using such lubricants as coolants for electric motors and inverters of electric control units. The necessity to develop new lubricants dedicated to electric powertrains is explained. It is pointed out that to date there are no clear technical requirements for electric vehicle fluids as the design of electric drives is still developing. There is also a lack of many standardised test methods and definition of the scope of the necessary tests for the fluids in question. It was emphasised that future lubricants for electric vehicles should improve the mechanical efficiency and reduce the hydraulic losses of the transmission in order to reduce the electric vehicle's electricity consumption and CO2 emissions arising during the production of electricity. Improving the energy efficiency of an electric motor can be done by optimising the thermal properties of the lubricant – i.e., thermal conductivity, thermal capacity and flow rate. The article goes on to discuss the problems and challenges of lubricating electric power units. With a view to improving the cooling efficiency of electric drive trains, it was explained why it is important to reduce the viscosity of the lubricating oil. The dangers this poses were also pointed out. The great importance of the electrical properties (dielectric, electro-insulating, puncture resistance) of the lubricant, which can prevent electrical erosion damage to bearings and electrical assemblies, is described. The compatibility of lubricants with the various materials used in the construction of electrical assembly components was also addressed. Requirements for selected properties of lubricating oils for internal combustion and electric drive trains are also extensively described and collated. A similar comparison was made with regard to lubricant additives for both types of power unit. Particularly important differences between the properties of the lubricants used for the drive units in question are identified. The final section of the article focuses on the composition of lubricating oils for electric drive gearboxes. It describes which oil bases are the most suitable for such lubricating oils. Their properties are characterised on the basis of the results of the studies conducted to date. Similarly, the oil bases used for greases intended to lubricate the bearings of electric drive trains are also described. The role and importance of additives in terms of their ability to improve certain lubricant properties is explained. It concludes by pointing out that as e-mobility technology advances, lubricants need to be adapted accordingly in terms of electrical and material compatibility and thermal management for operation in electric powertrains.

Słowa kluczowe

PL

zespoły napędowe; samochód elektryczny; warunki pracy; problem; smarowanie; oleje smarowe; smary plastyczne

EN

electric car; operating conditions; powertrains; lubrication; problem; lubricating oils; greases

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2023
• Tom: R. 79, nr 2
• Strony: 131--140
• Opis fizyczny: Bibliogr. 30 poz.

Twórcy

autor

Stępień Zbigniew

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• Beyer M., Brown G., Gahagan M., Higuchi T., Hunt G., Huston M., Jayne D., McFadden Ch., Newcomb T., Patterson S., Prengaman Ch., Shamszad M., 2019. Lubricant Concepts for Electrified Vehicle Transmissions and Axles. Tribology Online, 14(5): 428–437. DOI:10.2474/trol.14.428.
• Chen Y., Swarn J., Raut A., Zhang W., Liang H., 2020. Performance Characteristics of Lubricants in Electric and Hybrid Vehicles: A Review of
• Current and Future Needs. Frontiers in Mechanical Engineering, 6, 571464. DOI: 10.3389/fmech.2020.571464.
• Flores-Torres S., Holt D.G.L., 2018. Method for Controlling Electrical Conductivity of Lubricating Oils in Electric Vehicle Powertrains. U.S. Patent 0,100,118A1. Annandale, NJ: ExxonMobil Research and Engineering Co.
• Gahagan M.P., 2017. Lubricant Technology for Hybrid Electric Automatic Transmissions. 2017. SAE Technical Paper, 2017-01-2358. DOI:10.4271/2017-01-2358.
• Gao Z., Salvi L., 2018. High Conductivity Lubricating Oils for Electric and Hybrid Vehicles. U.S. Patent No. 0,100,115A1. ExxonMobil Research and Engineering Co.
• Gunderson S., Fultz G., Snyder C., Wright J., Gschwender L., Heidger S., 2011. The effect of water content on the dielectric strength of polyalphaolefin (PAO) coolants. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 18: 295–302. DOI: 10.1109/TDEI.2011.5704521.
• He F., Xie G., Luo J., 2020. Electrical bearing failures in electric vehicles. Friction, 8: 4–28. DIOI: 10.1007/s40544-019-0356-5.
• Holmberg K., Andersson P., Erdemir A., 2012. Global energy consumption due to friction in passenger cars. Tribology International, 47: 221–234. DOI: 10.1016/j.triboint.2011.11.022.
• Holmberg K., Erdemir A., 2019. The impact of tribology on energy use and CO2 emission globally and in combustion engine and electric cars. Tribology International, 135: 389–396. DOI: 10.1016/j.triboint.2019.03.024.
• Iino M., Tada A., Masuda K., Matsuki S., Onumata Y., 2021. Drivetrain Lubricants with High Cooling and Efficiency-Boosting Properties for Electric Vehicles. SAE Technical Paper, 2021-01-1215. DOI: 10.4271/2021-01-1215.
• Korcek S., Sorab J., Johnson M.D., Jensen R.K., 2000. Automotive lubricants for the next millennium. Industrial Lubrication and Tribology,52(5): 209–220. DOI: 10.1108/00368790010373175.
• Kwak Y., Cleveland C., Adhvaryu A., Fang X., Hurley S., Adachi T., 2019. Understanding Base Oils and Lubricants for Electric Drivetrain Applications. SAE Technical Paper, 2019-01-2337. DOI: 10.4271/2019-01-2337.
• Masuda K., Nakao H., Komatsubara H., Kurosawa O., Yamada K., Ishikawa K., Mori A., 2018. Super Low Viscosity ATF; AW-2. SAE
• Technical Paper, 2018-01-17565. DOI: 10.4271/2018-01-1756. Narita K., Takekawa D., 2019. Lubricants Technology Applied to Transmissions in Hybrid Electric Vehicles and Electric Vehicles. SAE
• Technical Paper, 2019-01-2338. DOI: 10.4271/2019-01-2338.
• Pałuchowska M., Stępień Z., 2017. Oceny paliw etanolowych w testach silnikowych i eksploatacyjnych. Nafta-Gaz, 73(2): 97–104. DOI:10.18668/NG.2017.02.04.
• Romanenko A., Muetze A., Ahola J., 2016. Effects of electrostatic discharges on bearing grease dielectric strength and composition. IEEE Transactions on Industry Applications, 52(6): 4835–4842. DOI: 10.1109/TIA.2016.2596239.
• Romanenko A., Mütze A., Ahola J., 2015. Effects of electrostatic discharges on bearing grease electric properties. IEEE International Electric Machines & Drives Conference, United States: 254–259. DOI: 10.1109/IEMDC.2015.7409068.
• Simons R., 2006. Comparing Heat Transfer Rates of Liquid Coolants Using the Mouromtseff Number. Electronics Cooling Magazine. <https://www.electronics-cooling.com/author/robert_e_simons/page/3/> (dostęp: 19.11.2022).
• Sniderman D., 2017. The chemistry and function of lubricant additives. 2017. Tribol. Lubric. Technol., 73(11): 18–29.
• Stępień Z., Pielecha I., Cieslik W., Szwajca F., 2022. The impact of alcohol admixture with gasoline on carbon buildup and fuel injectors performance. Maintenance and Reliability, 24(2): 226–236. DOI: 10.17531/ein.2022.2.4.
• Stępień Z., Urzędowska W., 2021. Tłokowe silniki spalinowe zasilane wodorem – wyzwania. Nafta-Gaz, 77(12): 830–840. DOI:10.18668/NG.2021.12.06.
• Stępień Z., Żak G., Markowski J., Wojtasik M., 2021. Investigation into the impact of the composition of ethanol fuel deposit control additives on their effectiveness. Energies, 14(3), 604. DOI: 10.3390/en14030604.
• Tada A., Aizawa K., Suskida Y., Tokozakura D., Nakamura T., Sano T., Shinyoshi T., 2022. Development of Transaxle Fluid for Electrification Vehicles: Design of Novel Additive Formulation. SAE Technical Paper, 2022-01-1102. DOI: 10.4271/2022-01-1102.
• Tokozakura D., Sano T., Nakamura T., Tada A., Susukida Y., Moritani H., Shinyoshi T., 2022. Development of Transaxle Fluid for Electrified Vehicles: Validating Optimized Viscosity through Targeted Hardware Testing. SAE Technical Paper, 2022-01-1103. DOI: 10.4271/2022-01-1103.
• Van Rensselar J., 2019. The tribology of electric vehicles. Tribology & Lubrication Technology, 75(1): 34–43.
• Wang X., Wang Z., 2008. Particle effect on breakdown voltage of mineral and ester based transformer oils. Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, Quebec, Canada. DOI: 10.1109/CEIDP.2008.4772859.
• Whitby R.D., 2018. Oils for hybrid electric vehicles. Tribology & Lubrication Technology, 74(9): 88.
• Yamamori K., Saitou K., Kobiki Y., Ogawa A., 2003. Development of New Automatic Transmission Fluid for Fuel Economy. SAE Technical Paper, 2003-01-3258. DOI: 10.4271/2003-01-3258.
• Yokomizo M., Iwai T., Narta K., Kudo M., 2015. Lubricants Formulation Technology for Fuel Saving Performance in Automatic Transmissions. SAE Technical Paper, 2015-01-2037. DOI: 10.4271/2015-01-2037.
• Yu Z.-Q., Yang Z.-G., 2011. Fatigue failure analysis of a grease-lubricated roller bearing from an electric motor. Journal of Failure Analysis and Prevention, 11: 158–166. DOI: 10.1007/s11668-010-9422-z.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).