Halfgeleiderinnovatie in Solar Challenge

In dit artikel vertelt ingenieur en oud-teamlid Jan Lenssen over een belangrijke vernieuwing die wordt toegepast bij de zonneauto van Solar Team Twente. De motorcontroller is in plaats van silicium gebaseerd op galliumnitride; het team heeft hier hoge verwachtingen van. De auto van dit team en die van de overige teams beginnen maandag aan een vijfdaagse race door Marokko, als alternatief voor de Australische World Solar Challenge.

Trek een rechte lijn van Darwin in het subtropische noorden van Australië naar het zuidelijke Adelaide en je hebt ongeveer de route uitgetekend van alle voorgaande World Solar Challenges. Een afstand van 3022km dwars door de woestijn, met niet al te veel hoogteverschillen en eigenlijk slechts één bocht in het hele parcours. De stuurwielen in de zonneauto's hadden bijna achterwege kunnen blijven.

Solar Team Twente 2021 — Thijs Alberts met de elektromotor en rechts Jan Lenssen met de motorcontroller. Foto: Bram Berkien

Hoe anders is dat bij de komende, alternatieve editie. Door de coronapandemie kon de tweejaarlijkse race niet doorgaan in Australië en zijn de teams neergestreken in Marokko, voor de Solar Challenge Morocco. Er worden vijf verschillende etappes gereden, waarbij de steden Agadir, Zagora en Merzouga centraal staan. In totaal wordt zo'n 2500km afgelegd. Dat gaat door een behoorlijk heuvel- en bergachtig landschap. Ook op een ander vlak wordt het even schrikken, want bochten zijn er te over op de vijf parcoursen en racedagen in Marokko. De driewielers van de verschillende teams en de vierwieler van het Groningse Top Dutch Solar Racing-team krijgen dus te maken met de nodige nieuwe uitdagingen.

Het Solar Team Twente heeft desondanks veel vertrouwen in een goede afloop. De teamleden durven nog net niet hardop te zeggen dat ze eerste worden, maar veel scheelt het niet. Dat vertrouwen in een hoge eindnotering komt mede door een in eigen beheer verder ontwikkelde motor controller unit, of mcu. Het team gebruikt in Marokko voor het eerst een tweede versie van zijn eigen mcu: Jasmine 2.0. De ontwikkeling van Jasmine begon al zo'n vijf jaar geleden en die jarenlange inspanningen moeten nu hun vruchten afwerpen. Er zijn meer auto's die een zelfgemaakte motorcontroller gebruiken, zoals de Nuna 11 van de TU Delft. Waarin Twente zich naar verluidt onderscheidt, is een geheim wapen: de mcu van Twente is gebaseerd op het gebruik van galliumnitride in plaats van silicium als halfgeleider.

Solar Team Twente Jan Lenssen — Jan Lenssen. Foto: Bram Berkien

De ingenieur die aan de basis staat van deze innovatie, is Jan Lenssen. Hij deed in 2017 zelf als teamlid mee aan de toenmalige zonnerace met het studententeam van de Universiteit Twente en Hogeschool Saxion. Na te zijn afgestudeerd in elektrotechniek trad hij in dienst bij ingenieursbureau 3T. Dit bedrijf en Lenssen speelden een belangrijke rol voor het ontwerp van de mcu. Hij is nog steeds erg nauw betrokken bij het team en momenteel ook aanwezig in Agadir, de kustplaats waar de race op 25 oktober begint vanaf het stadion, Stade Adrar. Tweakers sprak met Lenssen over de mcu, wat de verwachtingen zijn en over de bredere opmars van galliumnitride als halfgeleider.

Wat is je achtergrond en met wat voor werk houd je je nu bezig?

"Na mijn afstuderen aan de universiteit ben ik bij 3T aan de slag gegaan. Dat bedrijf kende ik al van mijn tijd bij het solar team van 2017. Bij 3T zit ik aan de ontwikkelingskant van elektronica. Het eindproduct is vaak een printplaat. Dat is heel specifiek voor klanten, die komen naar ons met een vraag. Dat kan gaan om een stuk software, een stuk hardware of een combinatie van beide. Ik heb elektrotechniek gestudeerd en heb me daarna wat meer gespecialiseerd in mechatronica. Ook bij mijn werk doe ik projecten die wat meer naar die motoraansturingskant gaan en dus raakvlakken hebben met de mechanische kant. Dat kende ik vanuit het studententeam en dat vond ik heel interessant."

Wat is het grootste verschil tussen racen in Marokko en in Australië?

"We hebben dit jaar veel meer bochten. In Australië heb je er maar één, een afslag bij Alice Springs. Voor de auto is het nu dus heel anders. We hebben hier ook veel meer bergen. In Australië stijg je in totaal 800m over een afstand van meer dan 1000km. Dus je hebt nooit het idee dat je in de bergen rijdt. Hier hoef je maar een klein stukje te rijden en je gaat al de bergen in. Op de eerste dag gaan we al van 0 naar 1800m, dus dat is al een aardige klim. Dat is wel typerend voor deze race: de uitdagingen rondom de aandrijving met alle hellingen. En als je naar beneden gaat, wil je ook zoveel mogelijk energie terugwinnen. Dat kun je als het omgekeerde zien. Je moet dan net zo goed weer heel veel koppel leveren, maar dan de andere kant op. Dat wil je ook efficiënt doen, anders gooi je energie weg."

Red Horizon testdag — De Red Horizon, de driewieler die het team inzet in Marokko, hier zichtbaar tijdens een testdag. Foto: Bram Berkien

Heeft dat invloed gehad op de gemaakte keuzes voor het motordeel?

"Vooral binnen het motordeel was het een kwestie van aanpassen en zorgen dat de boel niet oververhit raakt of dat je te veel energie verliest als je de berg opgaat. De hoogteverschillen stellen veel zwaardere eisen aan de aandrijving van de auto. Australië was in dat opzicht wel heel makkelijk en een ideale situatie om echt op efficiëntie te pushen. Hier in Marokko moet je af en toe flink veel 'gas' geven om een helling op te komen en dat moet dan ook efficiënt, want we willen zo min mogelijk energie weggooien. De boel warmt dan nog steeds wel op, puur omdat je zoveel vermogen nodig hebt om met enige snelheid de bergen op te komen."

Wat voor oplossing is doorgevoerd om in te spelen op die warmteontwikkeling?

"We hebben dit jaar voor het eerst waterkoeling in de motor toegepast. Dat was een nieuwe uitdaging toen bekend werd dat we naar Marokko gingen en duidelijk werd wat voor hellingen daarbij kwamen. De motor is ons eigen ontwerp. We hebben gekeken hoe we die konden aanpassen zodat we gedurende lange tijd de opwarming aankunnen. Toen zijn we op een waterkoelsysteem uitgekomen. Normaliter in Australië was dat allemaal niet nodig; daar was luchtkoeling voldoende. Daar komen we hier niet mee weg; dan komen we de zwaarste heuvels misschien niet op."

Wat zijn de belangrijkste verbeteringen aan jullie mcu om deze zo efficiënt mogelijk te krijgen?

"Galliumnitride is wel het hoofddeel waardoor de motorcontroller zo efficiënt is. De hoofdeis is natuurlijk efficiëntie en we dachten dat dat beter kon dan wat mogelijk was bij de inkoopmodellen, dus zijn we een aantal jaar geleden begonnen met de ontwikkeling. Toen kwamen we al snel uit op galliumnitride; dat heeft de toekomst. Met transistoren op basis daarvan kun je veel efficiëntere vermogenselektronica maken, dus ook een efficiëntere motorcontroller. Dat bleek nog wel een flinke uitdaging, dus hebben we ons daar vol op gestort. Nu hebben we dus onze eigen motorcontroller op basis van galliumnitride. We hebben ook enige winst geboekt in het zelf kunnen doen van de aansturing. Het is natuurlijk heel mooi dat we nu alles zelf in de hand hebben en alles precies kunnen toespitsen op de auto, maar het stuk galliumnitride is wel wat de grootste slag in efficiënte heeft gemaakt."

Heeft de toepassing van galliumnitride de productie van de mcu moeilijker gemaakt?

"De componenten zijn wel wat duurder; die kopen we gewoon in. We maken daar een systeem mee. Voor ons is daar de productie niet per se veel moeilijker door geworden, maar elektronisch zijn de componenten lastiger aan te sturen. Transistoren op basis van galliumnitride reageren veel sneller, je hebt meer eisen aan de aansturing en je hebt krappere stuurspanningen. Je zit met veel krappere marges aan alle kanten als je het op componentniveau bekijkt."

Hoe ziet dat er meer in detail uit?

"Een transitor heeft drie pinnen. Je schakelt door een signaal op de gate te zetten en dat gatesignaal mag maar tussen de 0 en 6 of 10V zitten, terwijl dat bij silicium tot de 20V mag gaan. Dus meer dan het dubbele. Daarnaast schakelt het veel sneller, dus signalen zijn veel hoogfrequenter. Als je de spanning bekijkt, is er een veel steiler flankje. Dan is er eerder de neiging om een overshoot te krijgen, dus een klein piekje er bovenop. Dat kan nou weer net niet, omdat je die krappere marges hebt. Dat samen in combinatie met gedrag dat verandert als je het wat warmer stookt of meer stroom geleidt, maakt dat je er heel goed naar moet kijken en je bewust moet zijn van alle invloeden. Silicium bestaat al dertig of veertig jaar op deze manier. Er zijn daarvoor al heel veel trucs uitgevonden. Bij galliumnitride komen er een paar nieuwe dingetjes bij en gaan alle oude regels niet meer helemaal op. Dus moet je er opnieuw naar kijken en je eigen tests doen."

Wat voor rol speelt de motorcontroller precies in de aansturing van de elektromotor?

"De motorcontroller stuurt een driefasenmotor aan, eigenlijk drie terminals. Als de motor draait, gaan er drie sinusvormige stromen doorheen. Die zijn altijd op zo'n manier gestuurd dat ze precies de juiste hoeveelheid koppel maken. Zo'n motor is eigenlijk een stator en een ronddraaiende magneetring. Om de juiste stromen te kunnen sturen, moet je de positie van die magneetring weten. Als de magneetring de ene kant op staat en je stuurt de stroom met de verkeerde fase aan, dus een sinus die net is verschoven in de tijd, dan levert ie helemaal geen koppel. Dat moet je dus precies met elkaar matchen. In dat opzicht kunnen we met de motorcontroller precies de stroomrichting bepalen. Die motor kan twee kanten op draaien; dat is net zo efficiënt. Hij is dus volledig symmetrisch."

De routes van de vijf etappes

Galliumnitride kan hogere temperaturen aan. Speelt die eigenschap nog een rol voor de mcu?

"Dat van die hogere temperaturen klopt in theorie, maar mijn ervaring is dat de temperaturen bij de meeste componenten nog niet veel hoger gespecificeerd zijn. Dat zijn de componenten die je kunt kopen en echt kunt inzetten. Er is een klein verschil met silicium. Je kunt er iets meer uitpersen, maar dat is voor ons niet relevant. Wij gaan echt voor efficiënt en dan zijn temperaturen niet zo'n groot probleem. Het geheel is nog efficiënter, ook bij hogere stromen, dus is er ook minder koeling nodig. Dat is ook weer een voordeel, want dat scheelt gewicht."

Betekende de toepassing van galliumnitride ook dat jullie kleinere componenten hebben kunnen gebruiken?

"Dat is een voordeel dat je vaak ziet bij consumentenproducten op basis van galliumnitride. Dan kunnen producenten nauwkeurig balanceren: wil ik het nou efficiënter, kleiner, of lichter? Het zijn van die keuzes die je weleens op een driehoek ziet, zo van: kies er maar een paar, maar je kunt nooit alles tegelijk hebben. Met galliumnitride kun je dus in zijn geheel wat kleiner gaan of bijvoorbeeld wat efficiënter. Voor ons is efficiëntie heel belangrijk, dus de motorcontroller is niet per se kleiner geworden. Hij is zelfs net iets groter bij een vergelijkbaar gewicht. Dat heeft ook weer met andere componentkeuzes te maken. Soms is een grote component gewoon efficiënter, ook al weegt hij misschien iets meer of neemt hij meer ruimte in beslag."

Hoeveel prestatiewinst verwachten jullie te behalen?

"In deze tweede versie van de motorcontroller zijn de verliezen ruim gehalveerd in de aandrijflijn ten opzichte van de eerste versie. Het gaat allemaal om de efficiëntie. Je stopt er energie in en je krijgt er aandrijfvermogen uit. Er blijft een stukje hangen; dat is warmte. Dat hebben we ruim gehalveerd ten opzichte van de vorige versie. Het is een groot project geweest om op dit punt te komen. Het moest het ook wel waard zijn; dat was voor ons ook een eis. Toen we begonnen, hebben we goed gekeken wat we hier uit konden halen en of het dan al die tijd waard zou zijn. Dat was het inderdaad."

Zijn jullie de enigen die galliumnitride toepassen in de mcu?

"Ik weet niet hoe vergelijkbaar het allemaal is. We zijn er nu al vier à vijf jaar mee bezig. Ik ben ermee begonnen in mijn tweede jaar, dat is 2016 en 2017 toen ik teamlid was. We hebben al wat wedstrijden met de eerste versie gereden, zoals in België tijdens het Europees Kampioenschap. De tweede versie gaat nu voor het eerst in Marokko meedoen. Ik weet dat andere teams ook zijn begonnen met eigen ontwikkelingen in de aandrijflijn. Sommige teams kijken naar eigen motoren en eigen motorcontrollers, maar ik heb geen idee of anderen ook iets met galliumnitride doen."

Wat is er precies verbeterd ten opzichte van de eerste versie?

"Voor ons is Jasmine 2.0 weer een flinke verbeterstap geweest door alle ervaringen met de eerste versie. Voor de tweede versie is opnieuw gekeken naar het vermogensstukje, dus rondom de gauntlets, wat daar beter kan. Het is nu beter gematcht op de auto die we nu hebben. Onze motor is ook in eigen ontwikkeling; alles rondom de aandrijflijn ontwikkelen we zelf en maken we samen met onze partners. Daar zit ook ontwikkeling in en dat blijven we op elkaar afstammen. Dat maakt het wel zo mooi, dat je de laatste tienden van een procent eruit perst om het nog iets efficiënter te krijgen. Deze tweede versie is daar weer het gevolg van; we zagen veel mogelijkheden om het nog iets te verbeteren. Het is vooral een verdere ontwikkeling, maar de nieuwe versie is wel flink verbeterd."

Twente MCU — Foto uit 2019, met Jan Willem Mijnheer en rechts Jan Lenssen. Achter hen is de Twentse zonneauto zichtbaar van de World Solar Challenge van 2019. Foto: Martina Ketelaar.

Bij de vorige race in 2019 in Australië werden zonnepanelen op basis van het veel duurdere galliumarsenide ingezet, wat de nodige voordelen met zich meebracht. Dat is in de voorschriften inmiddels verboden. Zijn jullie niet bang voor een dergelijk scenario voor het gebruik van galliumnitride, ook al gaat het hier over twee verschillende grootheden?

"Ik denk dat het hier meevalt. Met galliumarsenidezonnecellen kun je fundamenteel veel hogere inkomsten krijgen ten opzichte van siliciumzonnecellen. Nu kun je met galliumnitride ook fundamenteel hogere efficiënties behalen dan met siliciumcomponenten, maar het zijn wel echt twee verschillende velden. Dergelijke verschillen in de materialen van zonnepanelen hebben ook veel significantere gevolgen voor de race. Onze motorcontroller gaat helpen doordat die een stuk efficiënter is. Als het om een paar minuten gaat, dan gaat het zeker veel doen, maar bij die zonnepanelen gaat het om grotere getallen en dat heeft ook veel invloed op de rest van het ontwerp van je auto. In onze auto zouden we ook net zo goed met oudere motorcontrollers kunnen gaan rijden als we die zouden inbouwen. In dat opzicht denk ik dat de inzet van galliumnitride juist zal worden aangemoedigd, want het heeft ook toekomst in de vermogenselektronica in de rest van de wereld."

Galliumnitride heeft dus echt de toekomst?

"Ja, daar gaan we met zijn allen naartoe. De eerste producten met galliumnitride lijken al op de markt te komen. Het zou me niet verbazen als het over een aantal jaar gewoon standaard wordt. Dat bijvoorbeeld smartphone- of laptopladers weer kleiner worden. In de consumentenelektronica zal het er vooral om gaan het kleiner en efficiënter te krijgen, dat is makkelijker. In de industrie zie je dat er ook veel met galliumnitride wordt gedaan om dingen veel nauwkeuriger aan te kunnen sturen of te meten. Het heeft allerlei voordelen doordat het sneller kan schakelen. Een voorbeeld is een audioversterker; door galliumnitride kun je de ruis weer wat lager krijgen. Het hoeft echter niet per se audio te zijn. Er zijn allerlei voorbeelden van dingen die versterkt moeten worden, zoals meetsignalen of dingen die aangestuurd moeten worden. Dat kan met minder ruis als je sneller kunt schakelen en dan kun je nog nauwkeuriger produceren."

Doen producenten van reguliere elektrische auto's ook al het een en ander met galliumnitride?

"Ik denk dat wij vooroplopen met zo'n motorcontroller. Ik weet dat veel bedrijven ernaar kijken en aan het proeven zijn, maar zoals gezegd kost het een flinke investering om er wat mee te kunnen en er goed mee om te gaan, zowel wat geld als wat tijd betreft. Je hebt echt een stukje extra kennis nodig omdat het nog niet zo wijdverspreid in gebruik is. Daarom merk je toch wel dat heel veel bedrijven, ook buiten de sector van EV's, terughoudend zijn in het toepassen. Je moet het een beetje zien als een lastige balanceeract. Door de toegenomen efficiëntie zou het bereik van een gemiddelde elektrische auto met enkele tientallen kilometers kunnen toenemen. Of autoproducenten kunnen bepaalde componenten kleiner en lichter maken, wat ook weer gunstig is voor het bereik."

Is de productie van galliumnitride ook een obstakel?

"Ik ken niet alle details van de productiekant van de transistoren. Die fabricageprocessen bestaan al heel lang en daar kan het op meeliften. Bij silicium heb je heel grote wafers van 20 à 30 cm. Bij galliumprocessen liften ze daar deels op mee, maar moeten ze volgens mij nog wat extra bewerkingsstappen doen. De componenten die je kunt kopen, zijn wel wat duurder, maar zeker niet onbetaalbaar. Dan moet je denken aan een factor twee of drie. Dat is duur voor consumentenproducten, maar als je er veel voor terugkrijgt, kan het wel uit. In de industrie is dat vaak geen probleem. De uitdaging is vooral het ontwikkelen van een apparaat daarmee, niet zozeer de productie. Je ziet nu dat langzaam iedereen ermee aan de slag gaat, omdat het ook echt voordelen biedt."