Alta tensione

Appoggiarsi allo schienale, prego. Chiunque premi a fondo il pedale dell’acceleratore di una Porsche Taycan Turbo S, sperimenta 12.000 ragioni per sedersi in una posizione stabile. Infatti, nel momento in cui la coppia accumulata di 12.000 newton metri viene rilasciata contemporaneamente su tutte e quattro le ruote dell’auto sportiva elettrica (Porsche Taycan Turbo S: consumo elettrico combinato: 25,6–24,3 kWh/100 km, emissioni CO₂ combinato: 0 g/km (stato 03/2021)), guidatore e passeggeri si ritrovano schiacciati contro l’imbottitura dei sedili fin quasi a rimanere senza fiato. La potenza concentrata viene scaricata completamente senza dilazione – e la spinta dei due motori elettrici sugli assi anteriore e posteriore rimane pressoché invariata fino alla velocità massima. Questa dose di adrenalina è il principio attivo della tecnologia di trazione unica di Porsche. Non è un caso che il rinomato Center of Automotive Management (CAM) abbia dichiarato la Taycan il modello più innovativo al mondo del 2020. In Porsche, innovazione ha sempre significato spingere le tecnologie all’estremo. In questo caso ciò significa niente meno che sfruttare il potenziale degli azionamenti elettrici in un modo finora mai visto.

Questa filosofia Porsche non è nata ieri. E nemmeno l’altro ieri. Sono passati più di 120 anni. A quel tempo, il giovane Ferdinand Porsche sviluppò i suoi primi veicoli elettrici con motori su mozzi ruota sterzanti – una novità mondiale. Le possibilità dell’elettromobilità stimolarono le sue ambizioni sportive. La sua auto da corsa, equipaggiata con quattro motori elettrici sui mozzi delle ruote, divenne la prima auto a trazione integrale al mondo. 

I semplici motori a corrente continua di quel tempo hanno ceduto il passo da tempo a motori elettrici molto sofisticati. Il principio fisico di base, tuttavia, è rimasto lo stesso: il magnetismo. Un magnete è sempre costituito da un polo nord e un polo sud. I poli opposti si attraggono, quelli concordi si respingono. Nel caso dei magneti permanenti, questi si basano sull’azione delle particelle elementari. I campi magnetici si creano però anche con qualsiasi movimento di una carica elettrica. Per rafforzare l’elettromagnetismo, il conduttore che trasporta la corrente in un motore elettrico è disposto in una bobina. Gli elettromagneti – e, a seconda del design del motore, anche i magneti permanenti – vengono disposti su due componenti. La parte fissa si chiama statore, quella che gira è invece il rotore. Attivando e disattivando periodicamente la tensione elettrica si creano forze di attrazione e repulsione che generano la rotazione del rotore. 

Non tutti i tipi di motore elettrico sono adatti come propulsori per veicoli. Porsche punta sul motore sincrono (PSM) a eccitazione permanente. Rispetto al più economico motore asincrono (ASM), comunemente utilizzato, il PSM offre una potenza continua più elevata, perché è meno probabile che si surriscaldi e quindi non deve essere regolato verso il basso. Il PSM di Porsche viene alimentato e controllato con tensione alternata trifase tramite elettronica di potenza: il regime del motore viene determinato dalla frequenza della tensione alternata con cui oscilla dal polo positivo a quello negativo intorno allo zero. Nei motori Taycan, l’inverter a modulazione di larghezza d’impulso specifica la frequenza del campo rotante nello statore e regola quindi il regime del rotore. Il rotore è dotato di magneti permanenti di alta qualità con leghe di neodimio-ferro-boro che vengono magnetizzati in modo permanente nel processo di produzione utilizzando un forte campo magnetico allineato. I magneti permanenti consentono anche un livello molto elevato di recupero energia durante le frenate. In fase di rilascio, il motore elettrico entra in modalità generatore e consente ai magneti di indurre tensione e corrente nell’avvolgimento dello statore. Le prestazioni di recupero del motore elettrico Porsche sono le più alte tra la concorrenza.

Tecnologia portata all’estremo: questo gene Porsche si riflette in una caratteristica speciale dei motori Taycan – il cosiddetto avvolgimento a forcina, in cui le bobine dello statore sono costituite da fili rettangolari anziché rotondi. E in contrasto con il classico processo di avvolgimento, che trae il filo di rame da un rotolo continuo, la tecnologia a forcina è un cosiddetto processo di assemblaggio per formatura. Questo significa che il filo di rame rettangolare è diviso in singoli tratti e piegato a forma di U – similmente a una forcina per capelli. Queste singole graffe vengono inserite nei lamierini dello statore dove è montato l’avvolgimento, in modo che le superfici della sezione rettangolare poggino l’una sull’altra. Proprio questo è il vantaggio decisivo della tecnologia a forcina, che consente di avvolgere i fili più strettamente e quindi di apportare una maggiore quantità di rame nello statore. Mentre i processi di avvolgimento convenzionali presentano un cosiddetto fattore di riempimento in rame di circa il 50%, la tecnologia utilizzata da Porsche raggiunge quasi il 70%. Questo aumenta la potenza e la coppia erogabile a parità di ingombro. Le estremità delle graffe che fermano i fili sono saldate al laser, creando la bobina. Un altro importante vantaggio è che il contatto omogeneo tra i fili di rame adiacenti migliora il trasferimento di calore e lo statore a forcina può essere raffreddato in modo molto più efficiente. I motori elettrici convertono più del 90% dell’energia in trazione. Ma come per un motore a combustione interna, le perdite vengono trasformate in calore che deve essere dissipato. Ecco perché i motori dispongono di una camicia d’acqua di raffreddamento. 

Per controllare con precisione un motore sincrono a eccitazione permanente, l’elettronica di potenza deve conoscere l’esatta posizione angolare del rotore. A questo scopo viene utilizzato il cosiddetto resolver, che consiste in un disco rotore in metallo conduttore di campo, una bobina di eccitazione e due bobine riceventi. La bobina di eccitazione genera un campo magnetico che viene trasmesso agli avvolgimenti del ricevitore tramite il trasduttore rotativo. In tal modo nelle bobine del ricevitore si induce una tensione, la cui posizione di fase viene spostata proporzionalmente alla posizione del rotore. Il sistema di comando può utilizzare questa informazione per calcolare la posizione angolare esatta del rotore. Questo comando, il cosiddetto inverter a modulazione di larghezza d’impulso, è un concentrato del know how tecnologico Porsche. Esso è responsabile della conversione della corrente continua della batteria con una tensione di 800 Volt in corrente alternata e dell’alimentazione ai due motori elettrici. Porsche è il primo produttore in assoluto ad aver implementato un livello di tensione di 800 Volt. Sviluppato un tempo per l’auto da corsa Porsche 919 Hybrid, ora riduce il peso e l’ingombro nella produzione di serie grazie a cavi più sottili, consentendo tempi di ricarica più brevi. 

I motori elettrici raggiungono fino a 16.000 giri al minuto. Per utilizzare in modo ottimale questa gamma di regimi per la tipica ripartizione Porsche tra dinamica, efficienza e velocità massima, i gruppi di trasmissione anteriore e posteriore hanno ciascuno un proprio cambio. La Taycan è la prima auto sportiva elettrica in assoluto ad avere un cambio a due velocità sull’asse posteriore, la prima delle quali ha un rapporto molto corto. Sull’asse anteriore, la potenza è trasmessa alle ruote da un cambio epicicloidale.

Con questa combinazione la Taycan Turbo S sviluppa la sua enorme potenza. Sull’asse anteriore, lo stadio di marcia traduce i 440 newton metri del motore elettrico in circa 3.000 newton metri sulle ruote. In prima marcia, 610 newton metri del motore posteriore vengono moltiplicati a circa 9.000 newton metri di flusso assiale. Il compito della seconda marcia a rapporto più lungo è quello di garantire efficienza e riserve di potenza ad alta velocità. 

Tecnologia all’avanguardia fin nei minimi dettagli – Porsche prosegue così la propria tradizione innovativa anche nell’era dei propulsori elettrici.