Formule E als proeftuin voor toekomstige technieken

Je waant je in Monaco waar het straatbeeld is omgetoverd in een racecircuit. Coureurs die met hun snelle auto’s in de stad aan de Middellandse zee op smalle en bochtige wegen strijden om een podiumplek. Toch klopt er iets niet. In het vorstenstaatje trakteren de wagens je op een aanzwellend en bijna onheilspellend gebrul lang voordat je ze ziet rijden. Waarna, in een flits, het geluid weer verstomt. Totdat de volgende om de hoek komt. We hebben het hier echter niet over de Formule 1. Nee, dit is de Formule E. Een straatrace voor elektrische auto’s. Muisstil op slippende banden na. Voor de liefhebbers van ronkende motoren misschien een tekortkoming maar op het gebied van snelheid, innovatie en techniek zeker zo indrukwekkend.

Aanleiding voor de race

De wereldwijde elektrische race is een relatief nieuw FIA-kampioenschap met eenzitters die uitsluitend op elektrische energie rijden. Hiermee wil de FIA (Fédération Internationale de l’Automobile) met partners een visie neerzetten voor de toekomst van de auto-industrie. Het idee is dat daarmee de R&D rond de elektrische auto en de algemene belangstelling voor deze auto’s versnelt en dat het duurzaamheid bevordert.

Audi Sport ABT Schaeffler

Tijdens het afgelopen seizoen deden er tien teams mee aan de races. Elk team heeft twee bestuurders. Voor Audi zijn dat Daniel Abt en voormalig formule 1 coureur Lucas di Grassi. Daarnaast heeft elk team twee auto’s. Behalve het geluid is er namelijk nog een groot verschil. Het bereik van de auto en de laadtijd van de batterij zijn nog niet toereikend. De coureur moet daarom tijdens de pitstop wisselen van auto.

Het Duitse Audi werkt samen met technologiepartners. Een daarvan is Würth Elektronik eiSos (WE). Mevrouw Wagner, hoofd technologiepartnerschappen op het gebied van e-mobiliteit bij WE geeft daarvoor de volgende verklaring. "De formule E is hèt symbool voor e-mobiliteit. Een van de snelst en economisch meest aantrekkelijke groeiende bedrijfssectoren van de toekomst. Voor ons, als fabrikant van elektronische en elektromechanische componenten, was het de perfecte match om de toekomstige behoeften van componenten te ontwikkelen. We zijn ervan overtuigd dat e-mobiliteit staat voor een schoner milieu en duurzaamheid. Door dat te koppelen aan de gevraagde hoge prestatie en efficiëntie van de formule E versnellen wij de toekomst".

   

Testlab

De bestuurder di Grassi kan zich daar wel in vinden. Volgens hem vinden bij de formule E geavanceerde ontwikkelingen plaats voor toekomstige commerciële toepassingen op het gebied van e-mobiliteit, zoals in e-bikes, elektrische auto’s en vrachtwagens. "Het team experimenteert op allerlei gebieden zoals technologie voor batterijen of motoren, elektrische componenten, connectiviteit of dataoverdracht", zegt hij tijdens een interview.

Als voorbeeld geldt dat de capaciteit van de batterij in vijf jaar bijna is verdubbeld van 28kWh naar 54 kWh. "Om die ontwikkelingen mogelijk te maken gebruiken we het racecircuit als testlab voor onze componenten in extreme omstandigheden", vervolgt Wagner. Op een recht stuk accelereren de auto’s met 3,5 g. De ontwikkelaars houden voor hun componenten echter rekening met 50 g vanwege de schokken die optreden in de bochten, op de curbs (de hobbelige randen buiten de baan) of misschien zelfs door een aanrijding.

Elektrisch contact

Vanwege de gemaakte afspraken met Audi vallen de meeste ontwikkelingen onder strikte geheimhoudingsverklaringen (NDA’s). Nu het vierde seizoen is afgelopen kan WE wel een tipje van de sluier oplichten. Als voorbeeld haalt Wagner de bevindingen met de Redcube terminal-serie aan die tijdens het tweede raceseizoen op de frequentieregelaars is ontworpen.

De grote accu, verantwoordelijk voor bijna een kwart van het gewicht van de auto, dwingt de technici om zo efficiënt mogelijk om te gaan met de resterende beschikbare ruimte. Dat geldt tot in het kleinste detail. Zelfs voor de elektrische contacten tussen verschillende PCB’s op een frequentieregelaar.
Compact Dynamics ontwikkelt de elektronica voor de racewagen. Deze dochtermaatschappij van Schaeffler moet ervoor zorgen dat de elektrische verbindingen tussen de printplaten geen hindernis vormen als er bij een maximum temperatuur van 80 graden piekstromen van 500 Aeff en een continue stroom van 300 Aeff doorheen lopen.

Het ontwikkelteam van Compact Dynamics en de specialist voor elektronische componenten bij WE zijn het dan ook roererd met elkaar eens als het om strenge mechanische eisen, beperkte ruimte en hoge stromen gaat: "Een ‘press fit’ verbinding is in deze situatie voor de Redcube terminal geschikter dan een gewone soldeerverbinding. De geleidende eigenschap van koper ligt een factor 20 hoger dan die van soldeermaterialen. Dat maakt de contactweerstand bij een ‘press fit’ verbinding een factor 3 a 4 gunstiger. De hoge wrijving tijdens het persen zorgt voor een vervorming van het materiaal waardoor een homogene en gasdichte verbinding ontstaat". Dat zijn echter niet de enige redenen.

Promofoto verstrekt door de organisatie

Koude soldeerverbinding

"Elke elektronicaontwikkelaar is bekend met het probleem van ‘koude soldeerverbindingen’ door een te lage temperatuur of doordat de verbinding is bewogen voordat het is afgekoeld. De hoge weerstand van de verbinding veroorzaakt storingen en is bros. Tijdens de races hebben we een soortgelijk probleem ondervonden", vervolgt de specialist van WE.

"De overdracht van hoge elektrische stroom genereert veel warmte. Dit leidt tot thermische uitzetting van aan elkaar gesoldeerde componenten op de plaats van de soldeerverbinding. De verschillende uitzettingscoëfficiënten van de aansluitcomponenten (pin, soldeer, via) en de veel grotere doorsnedes in vergelijking met de signaaldragende componenten zorgden op langer termijn voor vermoeiingsverschijnselen van het materiaal op de soldeerlocatie. Dit resulteerde in een ‘koude soldeerverbinding’, die uiteindelijk op lange termijn niets meer is dan een vermoeiingsfractuur. Dit probleem bestaat niet bij een ‘press fitt’ verbinding. De aan elkaar gelaste componenten – de koperen legerings-pin en de koperen via – hebben dezelfde uitzettingscoëfficiënten. Onze testen hebben aangetoond dat warmte de geperste zone zelfs veerkrachtiger en sterker maakt. Bovendien neemt de contactweerstand af gedurende de levensduur van het onderdeel".

Tweede generatie

Vanaf het vijfde seizoen zullen er nieuwe auto’s van de tweede generatie rijden. De Gen2 auto’s zijn sneller en krijgen een verdubbeling van de energieopslagcapaciteit en het bereik, met behoud van gewicht en volume. Onder de motorkap neemt het vermogen met 50 kW toe naar een maximum van 250kW waardoor snelheden van 280 km/u haalbaar zijn. Dat betekent dat de coureurs een volledige raceafstand zullen afleggen met hogere snelheden zonder een mid-race carruil te maken. Dat vraagt opnieuw om een nieuwe aanpak, voor de coureur, het team en de techniek.

Volgens di Grassi vraagt het nieuwe seizoen weer veel van de betrouwbaarheid van de hardware en van de efficiëntie van het rijden. "Gedurende het jaar geldt er een ‘hardwarefreeze’. Tussentijdse ontwikkelingen zijn niet toegestaan", zegt hij. "Software updates en aanpassingen van configuraties mogen wel. Daarnaast blijven we natuurlijk werken aan het optimale rijgedrag". Dat maakt het zo mooi. De combinatie van mens en techniek. In die zin verandert er eigenlijk niets vergeleken met de formule 1.

Dit artikel is mede mogelijk gemaakt dankzij de volgende personen van Würth Elektronik eiSos : Oliver Opitz (Technisch Coördinator Formule E), Marion Wagner (Hoofd Technologie partnerschappen) en Christopher Becht (Hoofd Digitale Communicatie).