Hoogspanning

Zet je schrap. Wie het rijpedaal van de Porsche Taycan Turbo S tot op de bodem intrapt, ondervindt aan den lijve waarom er wel 12.000 redenen zijn om te zorgen dat je stevig zit. Bestuurder en passagiers worden op een haast letterlijk adembenemende wijze in de stoelen gedrukt, zodra de topversie van deze elektrische sportwagen zijn motorkoppel van 1050 newtonmeter in één keer omzet naar opgeteld 12.000 newtonmeter op alle vier de wielen (Taycan Turbo S: stroomverbruik gecombineerd: 28,5 kWh/100 km, CO₂-uitstoot gecombineerd: 0 g/km (geldig vanaf 03/2021)). De gebalde kracht ontlaadt zich zonder enige merkbare vertraging in zijn volle omvang – en de voortstuwing van de twee elektromotoren aan de voor- en achteras blijft vrijwel ononderbroken doordenderen tot op de topsnelheid. Al deze adrenaline wordt opgewekt door de unieke aandrijftechnologie van Porsche. Niet voor niets riep het gerenommeerde Center of Automotive Management (CAM) de Taycan uit tot ’s werelds meest vernieuwende model van 2020. Innovatie betekende bij Porsche altijd al technologie die tot het uiterste is gedreven. In dit geval betekent dat het potentieel van het elektrische aandrijfconcept optimaal te benutten, en wel zo consequent als nooit eerder is gedaan.

Bij Porsche is dit niet een idee dat gisteren of eergisteren pas ontstond. Het was er ruim 120 jaar geleden al. Destijds ontwikkelde een jonge Ferdinand Porsche zijn eerste elektrische voertuigen met gestuurde wielnaafmotoren, een wereldprimeur. De mogelijkheden van de elektrische mobiliteit prikkelden zijn sportieve aspiraties, en zijn met vier elektrische wielnaafmotoren uitgeruste racewagen werd de eerste personenwagen met vierwielaandrijving ter wereld.

De simpele gelijkstroommotoren van toen zijn inmiddels verruild voor hoogontwikkelde machines. Het natuurkundige basisprincipe is daarbij overigens hetzelfde gebleven: magnetisme. Magneten hebben altijd een noord- en een zuidpool. Ongelijke polen trekken elkaar aan, gelijke polen stoten elkaar af. Enerzijds zijn er permanente magneten waarvan de werking berust op elementaire deeltjes. Anderzijds ontstaan magnetische velden ook bij elke beweging van een elektrische lading. Om het elektromagnetisme te versterken, wordt bij een elektromotor de geleider waar de stroom doorheen loopt tegen een spoel gezet. Elektromagneten – en al naargelang de uitvoering van de motor ook permanente magneten – zijn verdeeld over twee componenten. Het stilstaande gedeelte is de stator, het draaiende gedeelte is de rotor. Door de elektrische spanning periodiek in en uit te schakelen ontstaan er aantrekkende en afstotende krachten die met elkaar een draaiende beweging van de rotor veroorzaken.

Niet elk type elektromotor is geschikt voor de aandrijving van voertuigen. Porsche kiest voor de permanente-magneet-synchroonmotor (PMSM). In vergelijking met de vaker toegepaste en goedkopere constructie van een asynchrone motor (ASM) heeft de PMSM een hoger continu vermogen. Dit type raakt minder snel oververhit en hoeft daarom ook niet naar beneden afgeregeld te worden. De PMSM van Porsche wordt aangestuurd door de vermogenselektronica en gevoed met driefasige wisselspanning. Via de frequentie van de wisselspanning, waarbij deze om het nulpunt van plus naar minus heen en weer gaat, wordt het toerental van de motor bepaald. De pulsomvormer geeft bij de motoren van de Taycan de frequentie aan van het draaiveld in de stator en reguleert zodoende het toerental van de rotor. De rotor is uitgerust met hoogwaardige permanente magneten met legeringen van neodymium-ijzer-boor, die tijdens het productieproces door een sterk gericht magneetveld permanent magnetisch worden gemaakt. Permanente magneten maken ook een sterke terugwinning van energie mogelijk door de recuperatie bij het remmen. Bij het remmen op de motor gaat de elektromotor over op de genererende stand en laat hij de magneten spanning en stroom induceren in de wikkeling van de stator. Het recuperatievermogen van de elektromotor van Porsche is groter dan bij de concurrentie.

Technologie tot het uiterste gedreven: dit stukje Porsche-DNA zien we terug in een bijzonderheid van de motoren van de Taycan: de zogeheten hairpin-wikkeling. Daarbij bestaan de statorspoelen uit koperdraden die niet rond zijn, maar rechthoekig. Anders dan de klassieke wikkeltechniek, waarbij het koperdraad van een eindeloze rol komt, is de hairpin-wikkeling een methode gebaseerd op vervorming. Dat betekent dat het rechthoekige koperdraad in meerdere stukken wordt verdeeld en wordt verbogen tot een U-vorm, net als bij een haarspeld, of in het Engels hairpin. Deze klemmen worden zodanig in de statorplaten, waartussen de wikkeling wordt aangebracht, geschoven dat de platte stukken van de rechthoekige draden volledig tegen elkaar aan komen te liggen. En precies daarin ligt het grote voordeel van de hairpin-technologie: de draden kunnen dichter tegen elkaar aan gelegd worden, zodat er meer koper in de stator kan worden verwerkt. Terwijl met de conventionele wikkeltechnieken de zogeheten kopervulfactor rond vijftig procent bedraagt, is dat bij de door Porsche toegepaste technologie bijna zeventig procent. Dit leidt tot meer vermogen en koppel bij gelijkblijvend formaat. De uiteinden van de draadklemmen worden met een laser gelast tot er een spoel ontstaat. Een ander belangrijk voordeel is dat vanwege het homogene contact van de zo dicht op elkaar liggende koperdraden de warmteoverdracht verbeterd wordt. Daardoor kan een hairpin-stator ook duidelijk efficiënter worden gekoeld. Weliswaar zetten elektromotoren negentig procent van de energie om in stuwkracht, maar net als bij een verbrandingsmotor worden ook hier de verliezen omgezet in warmte. Om die warmte af te voeren, zijn de motoren voorzien van een koelwatermantel.

Om een permanente-magneet-synchroonmotor precies te kunnen aansturen, moet de vermogenselektronica weten wat de exacte hoek van de rotor is. Daartoe dient de resolver. Deze bestaat uit een rotorschijf van veldgeleidend metaal, een bekrachtigingsspoel en twee ontvangerspoelen. De bekrachtigingsspoel wekt een magnetisch veld op dat via de pulsgever naar de ontvangerwikkelingen wordt gezonden. In de ontvangerspoelen wordt daardoor een spanning geïnduceerd met een fasepositie die proportioneel verschoven is ten opzichte van de rotorpositie. Op basis van deze informatie kan de besturing de exacte hoek van de rotor berekenen. In deze besturing, de zogeheten pulsomvormer, zit veel eigen kennis van Porsche. De pulsomvormer dient om de gelijkstroom van de accu van achthonderd volt om te vormen in wisselstroom en die dan toe te voeren aan de twee elektromotoren. Porsche is ook de eerste fabrikant die een spanning van achthonderd volt wist om te zetten. Dit was in eerste instantie ontwikkeld voor de Porsche 919 Hybrid, een racewagen. Maar nu zijn voor de serieproductie het gewicht en de omvang ervan verminderd door het gebruik van slankere kabels. Ook de laadtijden zijn korter.

De elektromotoren kunnen draaien met een toerental van 16.000 omwentelingen per minuut. Om dit toerentalbereik optimaal te kunnen benutten voor de zo kenmerkende afweging tussen dynamiek, efficiency en snelheid van Porsche, hebben de voorste en achterste aandrijfunit elk een eigen transmissie. De Taycan is de eerste elektrische sportwagen die aan de achteras een transmissie heeft met twee schakelbare versnellingen, waarvan de eerste een zeer korte overbrenging heeft. Aan de vooras wordt het vermogen via een planetaire versnellingsbak met één versnelling op de wielen overgebracht.

Het is dankzij deze combinatie dat de Taycan Turbo S zijn geweldige krachten volledig kan ontplooien. Aan de vooras zet de versnelling de 440 newtonmeter van de elektromotor om in circa 3000 newtonmeter aan de wielen. De 610 newtonmeter van de motor op de achteras wordt in de eerste versnelling vermenigvuldigd tot een wielkoppel van ongeveer 9000 newtonmeter. De lange overbrenging van de tweede versnelling is bedoeld om ook bij hoge snelheden nog voldoende rendement en vermogensreserve te hebben.

Vooruitstrevende toptechnologie tot in het kleinste detail – daarmee zet Porsche de traditie van innovatie voort, ook in het tijdperk van de elektrische aandrijving.