Elektrisch rijden voor iedereen

De geschiedenis van studententeam Inmotion gaat terug tot 2009. Toen presenteerde een groep studenten van de Hogeschool Utrecht een milieuvriendelijk racewagen die reed op bio-ethanol. Een van de groepsleden, Albert Maas, nam het project mee naar Eindhoven waar hij ging studeren. Daar verschoof de blik van de TU Eindhoven- en Fontys-studenten naar elektrisch rijden. In 2015 onthulde het Inmotion-team de Fusion, zijn eerste volledig elektrische Formule-auto. De wagen reeg de ronderecords aaneen; onder meer in Zandvoort, Zolder en Assen dook de Fusion ruim onder de snelste tijd die er op dat moment met elektrische auto’s was gereden.

‘Dat was natuurlijk heel gaaf’, zegt Lynn van Mourik, marketingmanager bij Inmotion. ‘Maar we wilden meer, zijn groter gaan denken: hoe kunnen we een bijdrage leveren aan een betere wereld?’ Het team kwam uit bij de bottleneck van veel elektrische auto’s: de oplaadtijd van het accupakket. Helemaal cruciaal als je ermee wilt racen. ‘De Fusion kon maar één snel rondje rijden. Inclusief aanloop- en uitrijrondje was de batterij dan leeg’, vertelt Van Mourik. ‘Het kostte vervolgens drie kwartier om de accu’s weer op te laden en nog eens een half uur om de batterijen te laten afkoelen.’

In 2019 startte Inmotion met het design van de Revolution, met als doel om een snelladende raceauto te creëren waarmee het in 2023 kan meedoen aan de 24 uur van Le Mans. Afgelopen augustus kon het team de nieuwe bolide aan het publiek tonen. ‘Bekende elektrische auto’s op de weg, zoals de Tesla Model 3 en de Volkswagen ID.3, hebben een accucapaciteit van 57 kWh. Dat zit ook in de Revolution’, weet Inmotion-engineer Koen Jacobs. ‘Die commerciële auto’s hebben een oplaadtijd van bijna een half uur. Wij kunnen het in twaalf minuten. Voor Le Mans willen we naar electric refuelling, wat betekent dat je net zo snel kunt laden als bij een reguliere tankbeurt.’ Daarvoor moet Inmotion de laadtijd verder inperken tot maximaal drie minuten.

Teamcenter

Dat Inmotion de laadtijd al heeft teruggebracht tot twaalf minuten, was zeker niet evident. ‘In de Fusion hadden we gezien dat de capaciteit en de laadsnelheid niet toereikend waren’, vertelt Jacobs. ‘Maar we hadden helemaal geen ervaring met het maken van een eigen accupakket en met snellaadtechnieken. Hoe zit zo’n accu in elkaar? Wat zijn de bepalende parameters? En welke vormfactor moet je kiezen?’

Om met de laatste vraag te beginnen, Inmotion koos voor de Revolution voor een Le Mans-prototypeauto op basis van een LMP3-chassis. Jacobs: ‘Ginetta, een Brits bedrijf dat groot is in de racewereld, heeft ons geholpen om zijn standaard LMP3-chassis geschikt te maken voor een elektrische aandrijflijn. Dat chassis is immers ontworpen voor een traditionele brandstofmotor en biedt geen ruimte voor het grote accupakket dat wij nodig hebben.’

In samenwerking met Ginetta ontwierp Inmotion ook een speciale behuizing voor de batterijen. ‘Dat was een van de grootste uitdagingen omdat het een dragend deel van de constructie is’, weet Jacobs. De casing zit tussen de monocoque, de beschermende huls waarin de coureur zit, en de achterophanging. Ook staat hij in verbinding met de aandrijflijn van de wagen. ‘Je kunt je wel voorstellen hoeveel krachten er tijdens een race op die behuizing worden uitgeoefend, en wat dat betekent voor de eisen aan de stijfheid en sterkte.’

Inmotion-engineers hebben de casing en andere cruciale onderdelen van de Revolution helemaal digitaal uitgedacht. Het team leunt daarbij sterk op het NX Teamcenter-pakket van Siemens. ‘Daarin hebben we een volledig digitale versie van de Revolution gemaakt’, aldus Jacobs. Het Eindhovense team krijgt daarbij hulp van Siemens zelf en van zijn consultancypartner Cards PLM Solutions. ‘Het mooie van Teamcenter is dat je het design kunt opdelen in submodules die je aan één persoon kunt toewijzen. Zo kun je met z’n allen tegelijk aan het design werken zonder dat je elkaar in de weg zit. Eerder werkten we met NX, en moest elke engineer het hele design downloaden om aan zijn onderdeel te sleutelen. Bij het samenvoegen van alle wijzigingen ging veel tijd verloren en werden de nodige fouten gemaakt. Nu staat het hele design in de cloud en kan iedereen eenvoudig aan zijn eigen deel engineeren. Als aanpassingen aan die module zijn goedgekeurd, gaan ze door naar het complete design en kan iedereen er weer bij.’

Accukoeling

Het 3D-design in NX Teamcenter is weliswaar statisch, maar toch kan Inmotion er veel simulaties mee doen. ‘Het is mogelijk om allerlei krachten op delen van het ontwerp te zetten en te kijken hoe die subsystemen daarop reageren’, legt Jacobs uit. Dat levert vaak een flinke puzzel op, zoals bij het buizenframe dat de achtervleugel, de batterijcasing en de aandrijflijn met elkaar verbindt. ‘We hebben dat veelvuldig in Siemens’ fem-pakket NX Nastran gesimuleerd. Op basis van literatuuronderzoek en onze eigen kennis uit de vorige auto’s voeren we gedetailleerd de krachten en aangrijppunten in, om te zien wat de optimale constructie is. Het heeft behoorlijk wat iteraties gekost, ook omdat we hebben gevarieerd in het gebruikte materiaal en omdat de ophangpunten gedurende het ontwikkeltraject een paar keer van positie veranderden.’

Het Inmotion-team gebruikt ook Siemens-tooling voor zijn grootste doel: de laadtijd. Van Mourik: ‘Hoe sneller je de batterijen laadt, hoe hoger de stromen en hoe warmer cellen worden. Juist die hitte is de grootste vijand van een accu.’ Met Star-CMM+ simuleerde de Eindhovense studenten de thermische flow voor de batterijkoeling. ‘We koelen met water, dat we met twee pompen door de accu’s laten lopen’, vertelt Jacobs. ‘We zorgen er steeds voor dat de koelvloeistof voldoende is afgekoeld tot de goede ingangstemperatuur. Daardoor houden we de temperatuur in de accucellen constant en presteren ze optimaal.’

Hoewel Inmotion juist op het gebied van accukoeling hoge ogen gooit, weet Jacobs dat het team nog beter kan. ‘Met deze ontwikkeling hebben we veel geleerd, ook waar nog winst te halen is.’ En dat is nodig want, zoals gezegd, moet de laadtijd nog verder naar beneden. ‘Nog dit jaar hopen we die al terug te brengen tot 7,5 minuut. Verdere optimalisatie van de koeling vormt daarbij de hoofdmoot.’

Mijlpaal

Met de Revolution zit Inmotion nu vol in de testfase. De eerste proefrondjes heeft de raceauto inmiddels gereden op Breda Airport. ‘We horen positieve geluiden van de coureurs’, zegt Jacobs. ‘Als geheel doet de auto het nu al prima. Hij ligt stabiel op de weg, natuurlijk ook omdat hij door de batterijen een stukje zwaarder is dan een benzineauto. Op het rechte stuk hebben ze een snelheid van 200 km/u gehaald, een mooie mijlpaal.’

De volgende stap is de fijnafstemming tussen de motor, de accu’s en de koeling. ‘Die moeten we goed laten samenwerken’, verduidelijkt Jacobs. Tijdens de paar testdagen in Breda heeft Inmotion alvast een grote bak data verzameld waarmee het die wisselwerking grondig kan analyseren. ‘En we moeten de auto betrouwbaarder maken. Dat kun je niet virtueel doen, daar heb je echt duurproeven voor nodig.’

Dit artikel is geschreven in nauwe samenwerking met Siemens Digital Industries Software.