Betere ingenieur worden? Bouw een elektrische racewagen

Reading time: 6 minutes

Author:

De TU Delft rijdt mee in de top van de elektrische racewagens bij de Formula Student-competitie. De belangrijkste winst is echter niet de officieuze wereldtitel, maar de onderwijservaring, leggen Marinus Geuze en Maxim Spreij van het Delftse team uit.

De techniek in de autowereld schrijdt voort. Om ook in de toekomst te kunnen blijven innoveren, is het van groot belang studenten in dit vakgebied op te leiden. Deelname aan een wedstrijd is een effectieve manier hiervoor, zo hebben wij ervaren.

Bij het DUT Racing Team, een studententeam van de Technische Universiteit Delft, ligt de focus op elektrisch rijden. Ons team doet mee aan de Formula Student-competitie, een internationale ontwerpwedstrijd waarin wereldwijd ruim vijfhonderd universiteiten en hogescholen participeren. De competitie is in 1981 opgericht door de Society of Automotive Engineers uit Amerika met het doel studenten meer praktijkervaring te geven en bovendien kennis te laten maken met projectmanagement. Kortom: de hele competitie staat in het teken van educatie.

Het Delftse studententeam doet mee sinds 2001, nadat de competitie ook naar Europa was overgewaaid. De laatste jaren wedijveren we met de absolute wereldtop en in de afgelopen zes jaar werden we zelfs vijfmaal officieus wereldkampioen (een officiële titel wordt niet bepaald). Ons team bestaat uit zeventig studenten met uiteenlopende achtergronden: natuurkunde, lucht- en ruimtevaart, elektrotechniek, civiele techniek, informatica en werktuigbouw. Iedereen kan z‘n ei kwijt.

Kobalt en ijzer

Als basiseis geldt natuurlijk dat de auto het in zich moet hebben om goede tijden neer te zetten tijdens de competities. Het voertuig moet dus licht in gewicht zijn, over een groot vermogen beschikken en snel kunnen optrekken. Dat kan alleen door slim te ontwerpen en elk detail kritisch te bekijken. Zo heeft ieder wiel zijn eigen aandrijving, overbrenging en elektromotor. Dit zorgt ervoor dat je je vermogen op de weg kwijt kunt, maar het leidt ook tot een laag gewicht. Verder hebben we voor de DUT13, de wagen waarmee we afgelopen zomer meededen, vleugels ontworpen die extra neerwaartse druk geven en daarmee extra grip. Dit maakt het mogelijk om sneller door bochten te gaan. Alle maatregelen samen hebben geresulteerd in een gewicht van 175 kg, waarbij een vermogen van 150 pk/112 kW optimaal is. Daarmee kan de auto van 0 tot 100 km/u optrekken in 2,4 seconden.

Naast snel moet de auto ook energiezuinig, hanteerbaar en betrouwbaar zijn. Je hebt immers niets aan een wagen die niet bestuurbaar is of de eindstreep niet haalt. Elektrische motoren zijn in dit opzicht op zich al beter dan verbrandingsmotoren. Die hebben typisch een efficiëntie van 30 tot 35 procent, waar de motoren van de DUT13 boven de negentig procent zitten. Deze motoren zijn in samenwerking met AMK Antriebe gemaakt. Het team ontwierp de aluminium lichtgewicht behuizing en de waterkoeling van de motoren, AMK zorgde voor de plaatsing en windingen in de motoren. De kernen van de spoelen in de motoren zijn van een speciale legering van kobalt en ijzer.

Bij het regeneratief remmen, waarbij de motoren de andere kant op draaien, stroomt een kwart van de gebruikte energie direct weer terug de accu in. Aangezien je het meeste remt op je voorbanden, gaat dat vooral via de voormotoren. Door deze technologie is er dus minder energie nodig om dezelfde afstand te overbruggen wat resulteert in een gewichtsbesparing van negen kilo op de accu, met als extra voordeel dat dat de kosten omlaag brengt.

De bocht in geslingerd

De elektronica heeft een grote invloed op de hanteerbaarheid en de betrouwbaarheid van de auto. Niet voor niets wordt de elektronica vaak als het zenuwstelsel van een voertuig beschouwd. Tientallen sensoren meten in welke toestand de wagen zich bevindt en geven die informatie door aan de bestuurder en de electronic control unit (ECU), zodat zij precies kunnen reageren zoals nodig is. De ECU bevat de verschillende veiligheidssystemen van de auto, de voedingsomzetters voor de verschillende elektronische apparaten en natuurlijk de microprocessor waarop de controller draait. Naast de ECU zit er nog een aantal sensornodes in de auto. Dat zijn kleine bordjes voorzien van een Arm Cortex-M0-processor die lokaal waardes van sensoren opslaan en over een Can-bus terugsturen naar de ECU.

We hebben de elektronische circuits en printplaten – uiteraard – zelf ontworpen. In samenwerking met sponsor TBP Electronics hebben we vervolgens veel aandacht besteed aan de maakbaarheid van de elektronica. Bij het ontwerp van de printplaten hebben we goed gekeken naar de factoren die de elektronica betrouwbaarder maken, bijvoorbeeld door bijna uitsluitend surface-mount-componenten (SMD) te gebruiken, die efficiënt en automatisch te plaatsen zijn. Ook hebben we bij het ontwerp van de printplaten al rekening gehouden met testen tijdens de productie. Zo is het bij de ECU mogelijk om een boundary-scan uit te voeren en heeft elk spoor op de printplaat een test-pad, een contactpunt waarmee de printplaten tijdens productie geautomatiseerd op fouten zijn te controleren.

Er zijn verschillende regelaars die de prestatie van de auto en de bestuurbaarheid voor de coureur verbeteren. Met deze controllers kan de volledige potentie van de wagen worden ontketend. Een belangrijke toevoeging in de DUT13 is de slipratiocontroller. Wielen slippen altijd een beetje wanneer ze koppel overbrengen, maar bij overschrijding van een maximumwaarde begint het wiel te spinnen en verliest het grip. Het gevolg: een lagere efficiëntie, een trager voertuig en een zeer moeilijk te besturen auto.

De slipratiocontroller zorgt ervoor dat elk wiel precies het juiste koppel levert tijdens het accelereren en het remmen op de motoren, zodat voortstuwings- en remkracht worden gemaximaliseerd zonder verlies van grip, efficiëntie en bestuurbaarheid. De beschikbare grip wordt geschat aan de hand van een vergelijking tussen de snelheid van de wielen en de snelheid van de wagen. De wielsnelheden worden gemeten met hoeksensoren in elke motor. Om de snelheid van de auto exact te meten, gebruiken we een laser die op het wegdek staat gericht, volgens hetzelfde principe als de laser in een computermuis.

Verder hebben we de Arm Cortex-M3-controller die we voorgaande jaren in de ECU gebruikten, vervangen door een Cortex-M4, die de benodigde floating-pointberekeningen kan uitvoeren. De controller berekent 250 keer per seconde de gewenste snelheid en het beschikbare koppel voor elk wiel en voert achtduizend correcties per seconde uit. Hierdoor kan zelfs een band die los komt van het wegdek op tijd in bedwang worden gehouden en met de juiste snelheid weer op het wegdek terugkomen.

Een andere belangrijke regelaar in de DUT13 is de yaw-rate-controller. Deze zorgt ervoor dat het in- en uitsturen bij bochten makkelijker en sneller gaat. Door de wielen die de binnenbocht nemen een ander koppel te geven dan die in de buitenbocht kan de auto letterlijk de bocht in worden geslingerd. Met een knopje op het stuur is de hoeveelheid over- en onderstuur aan te passen aan de behoeftes van het circuit en de coureur.

Bijna onmogelijk

Een goede auto ontwikkel je dus niet door allemaal losse goede stukjes auto te ontwerpen. Alles moet bij elkaar passen om samen een winnende auto te vormen. Bovendien moet iedereen zich goed realiseren dat elk stukje van de auto even belangrijk is; elk onderdeel kan er immers voor zorgen dat het voertuig uitvalt. Alles moet perfect zijn, van transistor in de ECU tot de motoren, van bedrading tot elke regel computercode.

Een probleem bij de productie van de elektronica is de korte tijd waarin alles moet worden gerealiseerd. Het gehele project dient binnen een jaar te zijn afgerond, vanaf ontwerp van de auto met alle elektronica, mechanica en software tot en met het moment van de waarheid op het racecircuit. De eerste maanden worden gebruikt voor het ontwerp, dan volgen de productie en aansluitend de periode van testen en assemblage, die ook enkele maanden in beslag neemt. Daaruit vloeit de bijna onmogelijke eis voort dat het ontwerp gelijk foutloos moet zijn.

Dat het streven naar perfectie uiteindelijk zijn vruchten afwerpt, is wel gebleken tijdens de recente races begin augustus op het racecircuit in Hockenheim. De wagen (met coureur) presteerde zo goed dat het team zich nu (officieus) Formula Student Electric Champion mag noemen. Mede dankzij perfect werkende elektronica.