Filozofija Porsche E-Performance
Porsche izkorišča vsak sestavni del električnega pogona, da dviguje učinkovitost in vozno dinamiko na povsem novo raven. Rezultat je električni pogon, ki postavlja nova merila.
V uporabi električnih motorjev v avtomobilih se skriva ogromen potencial. Porschejevi inženirji in razvojni strokovnjaki tega ne le dosledno izkoriščajo, temveč ga dvigujejo na povsem novo raven. Do najmanjše podrobnosti raziskujejo vse možnosti tehnologije in izkoristijo prav vse, kar je v danem trenutku mogoče.
Način razmišljanja pri Porscheju se od časov Ferdinanda Porscheja ni spremenil, so se pa spremenile tehnološke zahteve. Medtem ko je imel Ferdinand Porsche na voljo razmeroma preproste motorje na enosmerni tok, danes uporabljamo visoko razvite elektromotorje, ki iz vsakega dovedenega vata iztisnejo največ. Porsche je tako še vedno, neglede na pogonski sistem, stoodstotno predan zmogljivosti.
V središču vsega je osnovno delovanje elektromotorja: poznamo sinhrone motorje s trajnim magnetom (PSM) in asinhrone motorje (ASM). Ključna razlika je v tem, da sinhroni motorji omogočajo višjo trajno moč in so manj občutljivi na pregrevanje. Zaradi številnih prednosti se je Porsche, kljub višjim stroškom, odločil za uporabo sinhronih motorjev s trajnim magnetom.
Iz dirkališča na cesto
Taycana GTS smo na dirkališču izpostavili zahtevnemu preizkusu. Program je vključeval dolgotrajno obremenitev, silovita pospeševanja iz zavojev in izjemno močna zaviranja. Taycan ne navduši le z vrhunskim oprijemom in lego na cesti, ki ju omogočata podvozje in blaženje, temveč tudi z izjemno napredno tehnologijo. Pospeševanje ob izhodu iz vsakega zavoja je naravnost osupljivo in ostaja enako intenzivno tudi pri desetem, enajstem ali dvanajstem sunkovitem pospešku zapored. Tudi po več kot 20 kilometrih vožnje v dirkaškem tempu Taycan ne pokaže niti najmanjšega znaka popuščanja. Zavore pa kljub ekstremnim obremenitvam ves čas zagotavljajo enakomerno in zanesljivo zavorno moč.
Seveda takšni manevri v vsakodnevni vožnji niso potrebni. A dobre zavore in zmožnost izjemno hitrega pospeševanja pomembno prispevajo k varnosti in samozavesti v resničnih voznih razmerah. Prehitevanja na podeželskih cestah so lahkotna, zavore pa Taycana v ključnem trenutku ustavijo odločno in zanesljivo. Vse je natanko tako, kot pričakujemo od Porscheja, le da v ozadju tiho deluje napredna električna tehnologija.
Kako delujejo Taycanovi motorji
Porschejev sinhroni motor s trajnim magnetom napajata in upravljata močnostna elektronika ter trifazni izmenični tok. Hitrost motorja določa frekvenca izmeničnega toka, ki nenehno niha med pozitivno in negativno vrednostjo. V Taycanovem motorju frekvenco vrtečega se magnetnega polja v statorju uravnava pulzni pretvornik, ki s tem natančno nadzoruje hitrost rotorja. Rotor je opremljen z visokokakovostnimi trajnimi magneti iz zlitine neodim–železo–bor, ki so med proizvodnjo trajno magnetizirani z močnim usmerjenim magnetnim poljem. Ti magneti omogočajo tudi izjemno visoko rekuperacijo energije pri regenerativnem zaviranju. V prostem teku elektromotor preklopi v generatorski način, pri čemer magneti ustvarjajo napetost in tok v navitjih statorja. Regenerativna moč Porschejevega elektromotorja sodi med najvišje na trgu, kar občutno povečuje učinkovitost Taycana.
A to še ni vse. K doseganju največje zmogljivosti prispevata tudi navitje motorjev in pulzni pretvornik. Ključna rešitev je t. i. hairpin-navitje (navitje v obliki sponke za lase), ki ga Porsche uporablja na sprednji osi Taycana. Pri tej zasnovi so statorska navitja sestavljena iz žic s pravokotnim prečnim prerezom. Namesto klasičnega navijanja z bakreno žico iz neskončne tuljave se pravokotna žica razreže na posamezne odseke in upogne v obliko črke U – podobno kot sponka za lase.
Kompaktna zasnova motorjev
Posamezne žice so vstavljene v lamele statorja, kjer poteka navitje, tako da ravne ploskve pravokotnega prereza ležijo tesno ena ob drugi. To je ključna prednost tehnologije hairpin, saj omogoča gostejše pakiranje žic in s tem večjo količino bakra v statorju. Medtem ko klasične metode navijanja dosegajo približno 50-odstotni faktor zapolnitve, tehnologija, ki jo uporablja Porsche, presega skoraj 70 odstotkov. To pomeni generiranje več moči in navora v enakem prostoru. Tehnične prednosti se prenašajo tudi na Porschejevo tehnologijo I-pin, uporabljeno na zadnji osi Taycana. Za razliko od navitja hairpin (ali U-pin) so pri I-pinu žice brez upogibanja zavarjene na obeh koncih.
Konci bakrenih žic so lasersko zavarjeni in tvorijo tuljavo. Pomembna prednost zasnove hairpin je tudi homogeni stik med sosednjimi bakrenimi vodniki, ki izboljša prenos toplote in omogoča bistveno učinkovitejše hlajenje statorja. Čeprav elektromotorji v gibanje pretvorijo več kot 90 odstotkov dovedene energije, še vedno nastaja nekaj odvečne toplote, a je te bistveno manj kot pri motorjih z notranjim izgorevanjem. Tudi to toploto je treba učinkovito odvajati, zato so elektromotorji opremljeni z vodnim plaščem za hlajenje.
Močnostna elektronika je ključna za natančen nadzor sinhronega motorja s trajnim magnetom. Ključno vlogo pri tem odigra pulzni pretvornik, v katerega je Porsche vložil ogromno strokovnega znanja. Ta naprava 800-voltni enosmerni tok iz baterije pretvarja v izmenični tok in ga dovaja obema elektromotorjema. Tehnologija, ki poganja Taycana, je bila prvotno razvita za dirkalnik Porsche 919 Hybrid. Njena zasnova omogoča uporabo tanjših kablov, kar pomeni manjšo maso in več prostora za vgradnjo, hkrati pa občutno skrajša čase polnjenja. Osupljiv je tudi podatek o hitrosti vrtenja elektromotorjev, ki znaša vse do 16.000 vrtljajev na minuto.
Da bi optimalno izkoristili široko območje vrtljajev in dosegli značilno Porschejevo ravnovesje med vozno dinamiko, učinkovitostjo in najvišjo hitrostjo, imata sprednja in zadnja pogonska enota vsak svoj menjalnik. Taycan je bil prvi električni športni avtomobil z dvostopenjskim menjalnikom na zadnji osi, v katerem ima prva prestava zelo kratko prestavno razmerje. Na sprednji osi moč elektromotorja na kolesa prenaša en planetni zobnik. Druga prestava z daljšim razmerjem na zadnji osi pa zagotavlja visoko učinkovitost in optimalno podajanje moči pri višjih hitrostih. Ta kombinacija omogoča, da lahko Taycan Turbo S na cesto prenese vse do osupljivih 700 kW (952 KM).
Tehnologija največje moči
Pri Porscheju inženirji nikoli ne počivajo na preteklih dosežkih. Zato ni presenetljivo, da je bilo doseganje še višjih zmogljivosti ena glavnih prioritet. To nalogo sta prevzela Christian Müller, tehnični vodja projekta posebnih modelov Taycan, in njegova ekipa. »Povečanje moči je ključen element pri modelu, zasnovanem za največjo zmogljivost,« pojasnjuje Müller. »Zato smo se te naloge lotili že zelo zgodaj v razvoju.« V primerjavi s Taycanom Turbo S lahko model Taycan Turbo GT za največ deset sekund sprosti dodatnih 120 kW (163 KM) moči – kot pravi turbo polnilnik.
Tudi tukaj ima ključno vlogo pulzni pretvornik. V Taycanu Turbo S je nameščen 600-amperski pretvornik, ki nadzoruje elektromotor in pretvarja enosmerni tok iz 105-kWh visokonapetostne baterije v izmenični tok. Model Turbo GT uporablja še zmogljivejši pretvornik, ki deluje s tokom do 900 A in proti motorju usmerja še več električne energije. Poleg tega namesto silicija uporablja silicijev karbid kot polprevodniški material, kar zmanjšuje stikalne izgube in omogoča višjo frekvenco preklapljanja.
»To prinaša bistveno večjo učinkovitost, v kombinaciji z optimalnim uglaševanjem elektromotorja pa tudi višjo trajno moč,« pojasnjuje Müller. Če so bili v preteklosti ključni podatki prostornina motorja, število valjev ali konjske moči, so danes v ospredju zmogljivost pulznega pretvornika, časi polnjenja in doseg – področja, na katerih je Porsche znova v samem vrhu.
Poleg sprememb na pretvorniku je bilo treba na novo umeriti tudi sinhroni motor s trajnim magnetom in dvostopenjski menjalnik na zadnji osi. Povečana obremenitev zaradi višjega vhodnega navora je zahtevala prenovo menjalniških komponent: površine zobnikov so bile ustrezno obdelane, ležaji prilagojeni, sklopka pa dodatno ojačana. Da bi dosegli najvišjo hitrost 305 km/h, je druga prestava dobila daljše razmerje. Skupna moč Taycana Turbo GT znaša 580 kW (789 KM). Z aktivirano funkcijo Launch Control se poveča na 760 kW (1.034 KM), s funkcijo Overboost pa za največ dve sekundi celo na 815 kW (1.108 KM).
Optimalna kapaciteta baterije
Veliko je bilo povedanega o moči in ključnem pomenu pulznega pretvornika. A enako pomembna za funkcionalnost električnega vozila je pogonska baterija. Kako velika mora biti shramba energije, da omogoča ustrezen doseg? Katere celice izbrati, da zagotovijo hkrati moč in učinkovitost?
Kot je pričakovano, si tudi tukaj Porsche utira svojo pot. Da bi določili optimalno velikost baterije za potrebe kupcev športnih avtomobilov, so analizirali njihove prioritete in dejansko vsakodnevno uporabo. Samoumevno je, da je vozna dinamika pri športnih vozilih visoko na lestvici prioritet. Po drugi strani pa kupci na daljših poteh sprejmejo krajši doseg, če je na voljo hitro polnjenje. Večje baterije so pogosto povezane z daljšim dosegom, krajšimi potovalnimi časi in izboljšanimi voznimi lastnostmi. A virtualne simulacije krogov na dirkališču Nürburgring Nordschleife so pokazale, da lahko prevelike ali premajhne baterije s svojo maso negativno vplivajo na zmogljivost.
V iskanju ravnovesja med dosegom, zmogljivostjo in trajnostjo se je Porsche osredotočil na čas potovanja. Optimalno razmerje ponuja baterija s kapaciteto okoli 100 kWh. Aktualni Taycan ima kapaciteto 105 kWh bruto oziroma 97 kWh neto in se lahko v optimalnih pogojih na ultrahitrih polnilnicah z enosmernim tokom polni z močjo do 320 kW, kar je 50 kW več kot pri predhodniku. Zaradi večje robustnosti pri polnjenju lahko moč nad 300 kW vzdržuje do pet minut, kar čas polnjenja med 10 in 80 % napolnjenosti (SoC) skrajša za skoraj štiri minute – na vsega 18 minut, kljub večji kapaciteti baterije. Višja moč polnjenja in izboljšana učinkovitost omogočata, da Taycan v le desetih minutah pridobi do 315 kilometrov dosega. To pomeni 40-odstotno povečanje v primerjavi s prvo generacijo.
Porsche je z novo kemijsko sestavo celic povečal energijsko gostoto baterije za približno 10 odstotkov. Poleg tega so inženirji uporabili prenovljen pulzni pretvornik z optimizirano programsko opremo, izboljšan sistem toplotnega upravljanja in toplotno črpalko nove generacije. Vse to novemu Taycanu omogoča doseg do skoraj 680 kilometrov po standardu WLTP, kar je 175 kilometrov več kot pri njegovem predhodniku. Tudi daljša potovanja so zato zdaj bolj brezskrbna kot kadarkoli prej.
Drug pomemben dejavnik pri podaljševanju časa med postanki za polnjenje je regenerativno zaviranje. Ko voznik pritisne zavorni pedal, elektromotorja preklopita v generatorski način. Namesto da bi poganjala kolesa, začneta upočasnjevati vozilo in hkrati proizvajati električno energijo, ki se vrača v baterijo. Tako boste kar v 90 odstotkih vseh zaviranj v vsakodnevni vožnji zavirali izključno električno, brez pomoči hidravličnega zavornega sistema. Inženirjem je pri Taycanu uspelo povečati največjo moč rekuperacije z 290 na kar 400 kW, kar pomeni 30-odstotni skok.
Toplotni nadzorni sistem vozila ne skrbi le za udobno temperaturo v notranjosti, temveč tudi za optimalno pripravo visokonapetostne baterije. Glede na vrsto polnilne postaje in pričakovano stopnjo napolnjenosti ob prihodu se baterija segreje ali ohladi na idealno delovno temperaturo. Pri Taycanu kombinacija visokonapetostnega grelca in toplotne črpalke omogoča do 17 kW grelne moči.
Filozofija zmogljivosti ostaja
V prihodnjih letih lahko tudi po zaslugi napredka baterijske tehnologije pričakujemo krajše čase polnjenja in še izboljšano vozno dinamiko.
Ko govorimo o električnem pogonu, se morda zdi presenetljivo, da Porsche še naprej uporablja oznake, kot so Turbo, Turbo S, Turbo GT in GTS. A proizvajalec športnih avtomobilov želi, enako kot pri vozilih z motorji z notranjim izgorevanjem, tudi pri električnih modelih jasno izraziti raven zmogljivosti posamezne različice.
Zmogljivost in čustva sta bila vedno v središču Porschejeve strasti. To se ni spremenilo vse od prvih modelov Ferdinanda Porscheja, ne glede na to, ali so bili električni ali z motorjem z notranjim izgorevanjem. Za dosego tega so potrebne nove ideje, natančno razvojno delo in popolna predanost. Tako kot v pionirskih časih proizvodnje športnih avtomobilov je tudi danes Porsche enako zavezan temu cilju.