TUe/InMotion: revolutionair accupack-ontwerp

18 april 2019, 14:01
Het InMotion-studententeam van de Technische Universiteit van Eindhoven (TU/e) grijpt deze gelegenheid aan om bekendheid te geven aan hun werk aan ‘Electric Refuelling’, een concept dat erop is gericht om een oplossing te bieden voor het even snel ‘volgooien’ van elektrische auto’s als van auto’s met een verbrandingsmotor. Interessant? Laten we eens kijken waar ze meer bezig zijn...

Het InMotion-studententeam, waar ik deel van uitmaak, bestaat uit meer dan vijftig jonge, ambitieuze studenten van de Technische Universiteit Eindhoven en de Fontys Hogeschool voor Toegepaste Wetenschappen. Studententeams bieden een unieke mogelijkheid tot samenwerking tussen universiteiten en industrie, zodat de studenten kunnen werken aan grensverleggende technologie. Wij werken aan een concept dat ‘Electric Refuelling’ wordt genoemd. Het gaat om de mogelijkheid een elektrische auto even snel op te laden als het tanken van een wagen met verbrandingsmotor zou duren. We willen de mogelijkheden van deze techniek in 2023 demonstreren bij de Garage 56 Class tijdens de 24-uurs rally van Le Mans met een volledig elektrische racewagen. We moeten daarvoor een eigen op maat gemaakt accupack ontwikkelen en dat is mijn taak voor dit jaar. Als u zich dus ooit hebt afgevraagd
 
  • hoe elektrische voertuigen worden gevoed,
  • en hoe het mogelijk is om een voertuig te voeden met cellen die in de palm van je hand passen
 
dan is dit artikel iets voor u!
 


In de beginne...

Bij het ontwerpen van een accupack, voor welke toepassing dan ook, is de eerste stap het vastleggen van de ontwerpeisen. De vier belangrijkste eisen zijn de (minimale, nominale en maximale) spanning, de capaciteit, het gewicht en het vermogen. Verder moet er altijd rekening worden gehouden met de veiligheid en de regelgeving.
De huidige accutechnologie stelt ons voor een dilemma. We kunnen kiezen voor een accupack met een grote capaciteit. Daarmee kun je meer energie meenemen en kun je dus langere afstanden afleggen. Een alternatief is om te gaan voor een accupack dat eerder geschikt is voor het leveren van een groot vermogen en voor sneller opladen. Omdat de focus bij InMotion ligt op het ontwikkelen van snellaadtechnologie, hebben wij voor het laatste gekozen. We ontwikkelen dus nu een accupack met een geringere capaciteit dan momenteel wordt aangeboden in commerciële voertuigen. Niettemin stelt dit ons in staat technologie te ontwikkelen die kan worden gebruikt als de accutechnologie zover is verbeterd dat er accupacks met een groot vermogen en voldoende capaciteit voor commerciële toepassingen beschikbaar zijn.
 

Structuur

Een accupack bestaat uit een groot aantal kleinere accucellen. Meerdere cellen worden gecombineerd in een module, en die modules worden dan gecombineerd tot een accupack (zie ook figuur 1).

 
Figuur 1: Een voorbeeld van een accukoelpack gemaakt door Kokam

Cel

De keuze van het type accucel is waarschijnlijk de belangrijkste beslissing in het proces. Het is de bepalende factor voor de prestaties van het accupack. InMotion maakt gebruik van pouch-cellen omdat die beter geschikt zijn voor snelladen dan cilindrische cellen. Ze zijn robuuster, hebben meestal een lagere inwendige weerstand (waardoor ze minder warm worden) en ze hebben een groter oppervlak waardoor ze gemakkelijker te koelen zijn.

Module

De ontwerpvariabelen van de individuele modules worden bepaald door de vrije ruimte die nodig is rondom elke cel. Bij gebruik van pouch-cellen zijn de benodigde ruimtes boven, onder en naast de cellen allemaal parameters die moeten worden bepaald of onderzocht. Meestal zijn die afhankelijk van de locatie van de aansluitingen en de manier van koelen.

Pack

Als de afmetingen van de modules zijn bepaald, kan worden bepaald hoe die tot een pack moeten worden gestapeld. Dat zal bepalen waar de koelslangen moeten komen en hoe de modules elektrisch moeten worden aangesloten in het pack.

Slimme software

Het ontwikkelproces bij InMotion is erg dynamisch. Daardoor kunnen we allerlei dingen al doende veranderen. Dat betekent ook dat niet alle ontwerpeisen keihard zijn vastgelegd. We proberen een eisenpakket te vinden dat past bij onze doelen. Het accupack is daar een goed voorbeeld van, want het kan op ontelbare manieren worden geconfigureerd. Maar hoe moeten we uitvogelen welke configuratie het beste werkt?
Om te voorkomen dat we telkens een nieuw model moeten genereren voor elke configuratie, heb ik een accupack-configurator gemaakt die het pack kan optimaliseren voor verschillende beginparameters. Om het gebruikersgemak te garanderen en de gebruiker in staat te stellen om verschillende configuraties uit te proberen zonder de onderliggende code te hoeven begrijpen, heb ik een GUI gemaakt (zie figuur 2).

 
Figuur 2: Een speciaal geschreven programma helpt bij het ontwerp van het accupack.
Die neemt alle ontwerpvariabelen als input en probeert dan zo veel mogelijk modules in een gegeven ruimte te plaatsen, waarbij ze allemaal in dezelfde richting worden gestapeld. In de ruimte die overblijft, probeert hij dan opnieuw zoveel mogelijk modules te stapelen, zelfs als dat betekent dat de richting van sommige modules anders is dan die van de andere.
Het script maakt gebruik van een heuristische methode in plaats van een analytische benadering om dit optimalisatieprobleem aan te pakken. Deze aanpak is gekozen, omdat die gemakkelijker te programmeren is en toch lokale minima kan vinden. Dit werkt ook bijzonder efficiënt en snel. Op een doorsnee-PC berekent het script 190 optimale configuraties, selecteert de beste voor een gegeven groep voorkeursinstellingen en plot die binnen 5 seconden. In die tijd slaat het ook alle gemaakte optimale configuraties op, zodat ze kunnen worden gefilterd voor verschillende voorkeuren. Als een andere configuratie beter blijkt te zijn, kan die weer gemakkelijk worden geplot met behulp van de GUI.
De GUI berekent de verwachte prestatie van het accupack, en wel:
 
  • de verwachte capaciteit;
  • het aantal in serie en parallel geschakelde modules;
  • het verwachte gewicht van de cellen;
  • het spanningsverschil tussen een vol pack en een leeg pack.

Daarnaast berekent het de laadstromen en geeft het aan hoeveel warmte daarbij vrijkomt en welk laadvermogen nodig is om het pack in 7,5 minuten op te laden.

Prestaties

Ons doel met Electric Refueling is een elektrische auto op te kunnen laden in slechts een paar minuten. Als dat lukt, gaat het ongetwijfeld de energietransitie van benzine naar elektrisch in de automotive industrie versnellen. Om de wereld te laten zien hoe snel elektrisch racen kan zijn, hebben we de “Fusion” gebouwd: een elektrische racewagen die op dit moment recordhouder is met de snelste rondetijd voor een elektrisch voertuig op de circuits in Zandvoort, Assen en Zolder (in België). Onze concept car “Vision” is de ware belichaming van de toekomstige elektrische mobiliteit. Het ontwerp is tien keer aerodynamischer dan een Formule-1-wagen. Dat is werkelijk de enducance racer van onze dromen.

 
Het InMotion-team (foto: Bram Naus).

Is jouw team grensverleggend bezig?

Maak je deel uit van een studententeam dat slimme of verbazende prestaties zou kunnen rapporteren op het gebied van elektronica? Stuur dan een mailtje naar editor@elektor.com, met als onderwerp “Studenten in de schijnwerpers”.

(180732​) 
Wilt u meer ElektorLabs artikelen lezen? Word dan nu lid van Elektor!
Reacties worden ingeladen...
gerelateerde items