Formule E technologie: Van het circuit naar de weg

In het eerste seizoen (2014/15) had Formula E een bescheiden start. Alle tien teams hadden identieke auto’s, de Spark-Renault SRT_01 E van Spark Racing Technology, een bedrijf dat speciaal voor dit doel door Renault is opgericht. De Italiaanse autofabrikant Dallara leverde het chassis, McLaren Electronic Systems de aandrijflijn en elektronica. De Williams Advanced Engineering-batterij woog 200 kilogram en leverde maximaal 28 kilowattuur bij 1000 volt; de motor van seizoen 1 produceerde 200 kW (272 pk) en de auto’s hadden een maximumsnelheid van 225 km/u. De teams mochten hun auto’s niet ontwikkelen, dat was alleen mogelijk vanaf seizoen 2 – en sindsdien is er veel gebeurd.

Lees hier het eerste verhaal van deze serie, Formule E: Van ‘kansloos’ naar publiekstrekker

In de loop der jaren zijn de prestaties van de accu’s voortdurend verbeterd, maar de verandering van auto in het midden van de race bracht steeds de tekortkomingen van de nieuwe technologie aan het licht: het feit dat elektrische auto’s gewoonweg een te kleine actieradius hebben, of het nu op het circuit of op de weg is. Sinds de eerste race van het vijfde seizoen in de straten van Riyadh op 15 december 2018 is dit echter eindelijk veranderd – in ieder geval op het circuit.

De elf teams die in het seizoen 2018/19 de grid vormen, beginnen met het nieuwe SRT 05e standaard chassis van Spark Racing Technology. De standaard Williams batterij die in de eerste vier seizoenen werd gebruikt, is vervangen door een 348-kilo batterijpakket van McLaren Applied Technologies. Michelin levert nog steeds de standaard banden. Alle andere componenten zoals de motor, transmissie, ophanging, veren, schokdempers, stabilisator, het brake-by-wire en koelsysteem kunnen door de fabrikanten zelf worden ontwikkeld. Daarnaast is het maximale vermogen van de auto’s verhoogd van 200 kW/272 pk naar 250 kW/340 pk, wat betekent dat het optrekken van 0-100 km/u maar 2,8 seconden duurt. De maximumsnelheid van de auto’s is nu 280 km/u. De accucapaciteit is 54 kWh.

Deze nieuwe mogelijkheden voor het ontwikkelen van onderdelen en vooral het weglaten van de autowissel in het midden van de race trekken nieuwe fabrikanten naar de Formule E. Naast Renault, Audi, Venturi, Jaguar en Mahindra, doet Mercedes nu een testjaar onder de HWA-vlag. Nissan heeft DAMS overgenomen en omgedoopt tot Nismo-Team en BMW heeft Andretti overgenomen. “Formula E is niet alleen een innovatieve en spectaculaire raceserie die zich heeft gevestigd als een van de topraceseries in de wereld met een totaal nieuwe benadering van duurzaamheid en evenementen binnen enkele jaren”, aldus Klaus Fröhlich, lid van de Raad van Bestuur van BMW AG, Development en Motorsport, tijdens de presentatie van de BMW iFE.18 op 14 september 2018 in München. “Voor BMW is het ook het perfecte testlaboratorium voor productontwikkeling. De technologieoverdracht tussen autosport en serieproductie is intensief. Onze ervaring met serieproductie komt ten goede aan de aandrijflijn van de racewagen. Tegelijkertijd vloeien de inzichten uit de Formule E direct door in de ontwikkeling van toekomstige serieproductieaandrijvingen. Ik kijk dus uit naar een geweldig raceseizoen.”

De BMW iFE.18 werd deels gebouwd in dezelfde productiefaciliteiten als de BMW i3 en de bevindingen uit de Formule E stromen direct terug naar de ontwikkeling van toekomstige serieproductieaandrijvingen van toekomstige BMW i modellen. “BMW’s expertise in de BMW iFE.18 zit vooral in het hart van de auto, de aandrijflijn”, zegt BMW Motorsport Director Jens Marquardt. “We vertelden de productie-ingenieurs die de elektrische motor en de omvormer ontwerpen: ‘Vergeet alle overwegingen die je normaal gesproken bij de ontwikkeling zou hebben, en denk alleen maar aan de prestaties, de grootste efficiëntie, het laagste gewicht. Als we dat punt hebben bereikt, kun je nadenken over hoe je dat later in de serieproductie kunt integreren.'”

De ingenieurs ontwierpen vervolgens de achteras inclusief vering en moesten de aandrijflijn in de achterkant van de racewagen integreren. “De kennis die we in deze zeer competitieve omgeving opdoen, vloeit dan direct terug in de productieontwikkeling. Dit is de perfecte uitvoering van ons motto: van het circuit tot de weg”, benadrukte Marquardt.

De aandrijflijn

Het ‘hart’ van de nieuwe BMW i Andretti Motorsport racer is de aandrijflijn, de Racing eDrive01, die bestaat uit de elektrische motor, het koelsysteem en de omvormer.

De elektrische motor bestaat in wezen uit drie delen: De rotor, de stator en de behuizing. De rotor heeft steunen van vezelcomposieten, die bijdragen aan een lager gewicht en versterking. Daarnaast zijn er innovatieve materialen zoals hoog thermisch geleidende harsen, titanium en keramiek.

Voor de koeling van de elektrische machine zorgt een vrijwel 360°-koelgeometrie in een aluminium behuizing die via het additieve productieproces wordt gemaakt. Ook dragen zeer warmtegeleidende materialen zoals keramiek en gietharsen bij aan de koeling.

De omvormer zet de gelijkstroom van de accu om in wisselstroom die de elektromotor van stroom voorziet. De behuizing is deels gemaakt van vezelcomposieten; binnenin de halfgeleiders bevinden zich meerdere MOSFETS (metaaloxide-halfgeleider-veld-effecttransistoren) met de modernste siliciumcarbidetechnologie. Dankzij deze technologie bereikt de omvormer een zeer hoge diëlektrische sterkte met minimaal energieverlies en is dus ook kleiner en lichter. Een effectief koelsysteem en een verliesgeoptimaliseerde circuit lay-out dragen ook bij aan de maximale efficiëntie van de omvormer.

Structuur van de achterkant en achterwielophanging

Naast de aandrijflijn zijn de achterkant van de auto en de achtervering de gebieden waar de fabrikanten de grootste speelruimte hebben voor hun eigen ontwikkelingen. Daarom is de achteras – inclusief vering en schokdempers – ook een compleet BMW in-house ontwerp op de BMW iFE.18. Dit betekent dat het team de vering individueel kan aanpassen, afhankelijk van de karakteristieken van het circuit, bijvoorbeeld de instelparameters zoals veerconstante, anti-rolbars, rijhoogte, de hoogte van de achterkant en camber (de hoek waaronder de banden staan).

Anders dan de meestal gladde oppervlakken van de permanente circuits zijn de stadscircuits meestal veel hobbeliger, wat betekent dat de afstelling een belangrijke rol speelt bij het bereiken van de maximale mechanische grip. Op wegcircuits is het ook zo dat zowel het chassis als de achterconstructie robuust genoeg zijn om agressief over stoepranden te kunnen rijden en licht contact met de barrières aan te kunnen. Overigens zijn er verschillende componenten geproduceerd met behulp van 3D-priners, zoals nu heel gebruikelijk is in de racesport.

Brake-by-wire systeem

Een andere eigen ontwikkeling van de autofabrikant uit München is het elektronische remsysteem. Dat is een belangrijke technologische stap voorwaarts betekent voor de Formule E en de raceklasse in dit opzicht op hetzelfde niveau brengt als de Formule 1 en de LMP1-categorie in het FIA World Endurance Championship (WEC). Brake-by-wire regelt de relatie tussen de mechanische remkracht als de coureur het rempedaal indrukt en het remeffect van de energie die wordt opgewekt tijdens het remmen. Als de motor energie uit het remproces tijdens de race terugwint, functioneert deze in principe als een extra rem op de achteras van de auto.

Dankzij het Brake-by-wire systeem hoeven bestuurders de rembalans niet langer handmatig aan te passen om het extra remeffect te compenseren. De elektronica voert deze balans nu uit en voert bij het remmen automatisch de maximale hoeveelheid energie terug naar de accu. Deze extra energie zorgt er ook voor dat de auto’s met de beperkte hoeveelheid energie uit de accu’s bij maximaal vermogen een volledige raceafstand kunnen afleggen en niet voortijdig door lege accu’s uitvallen.

Gaan Ford en Ferrari het voorbeeld van Porsche volgen?

In seizoen 5 heeft Formule E al geracet in Riyadh, Marrakech en Santiago de Chile. De eerste winnaar van dit seizoen ‘nieuwe Formule E’ was de Portugese coureur António Félix da Costa, die met zijn BMW naar de overwinning in Saoedi-Arabië reed, motorsportbaas Jens Marquardt prees zijn team. “Op het circuit hebben we ook laten zien dat BMW een van ‘s werelds grootste fabrikanten is op het gebied van elektromobiliteit. Dit succes geeft een grote impuls aan onze serie- en autosportontwikkelaars”, zei hij.

In de volgende twee races moesten Da Costa en zijn Britse teamgenoot Alexander Sims echter de lat lager leggen – en in het seizoen 2019/20 wordt het voor iedereen moeilijker. Vanaf seizoen zes hebben ook Mercedes en Porsche hun eigen fabrieksteams. Bovendien denkt Ford steeds serieuzer na over het beginnen in de Formule E en misschien gaat zelfs Fiat/Ferrari meedoen aan de raceklasse. Wijlen Ferrari President Sergio Marchionne zei al in 2017 dat Ferrari “de Formule E nodig heeft”.

“We moeten betrokken zijn bij de Formule E omdat elektrificatie via hybridisatie deel gaat uitmaken van onze toekomst,” vertelde Marchionne aan Auto, het officiële magazine van de FIA. “Hybridisatie is cruciaal voor Ferrari. Het valt niet te ontkennen dat de regelgeving ons onder druk zet, maar we zouden die doelen op andere manieren kunnen bereiken,” legde hij uit. “De uitdaging is om te profiteren van hybridisatie, niet alleen op het gebied van emissiereductie, maar ook als het gaat om prestaties. We hebben al een hybride supercar ontwikkeld, de La Ferrari, en ook in toekomstige Ferrari-modellen zullen we gebruik maken van nieuwe technologieën en elektrificatie.

Zowel Ford als Ferrari zouden echter moeten samenwerken met een van de bestaande teams, aangezien het aantal teams beperkt is tot twaalf en het grid met de komst van Porsche in het zesde seizoen vol zal zijn.

Op 16 februari wordt de Mexico City ePrix de vierde race van het seizoen, en naast Monaco de enige race die op hetzelfde circuit als de Formule 1 wordt verreden. Het laatste raceweekend van het seizoen met races nummer 13 en 14 vindt plaats in New York op 13-14 juli.

Deel één van onze tweedelige serie over de Formule E vind je hier:
Formula E: Van ´kansloos´ naar publiekstrekker

Kopfoto: © BMW