Napęd

→ SYTUACJA

Lepsza ochrona klimatu, nowe rynki, mniejsza zależność od nieodnawialnych źródeł energii: to nowe podejście do mobilności, szczególnie w motoryzacji. Kluczem jest tu elektromobilność. Jej rozwój stanowi wyzwanie dla przemysłu na całym świecie. Ważnym bodźcem w tym zakresie są wymagania stawiane przez świat polityki – europejscy producenci samochodów muszą do 2020 r. obniżyć emisję dwutlenku węgla w nowych pojazdach do zaledwie 95 g/m.

Przyszłość Porsche stoi pod znakiem elektryczności. W 2025 r. co drugie sprzedane Porsche ma być napędzane elektrycznie.

Liczba samochodów elektrycznych na całym świecie rzeczywiście gwałtownie wzrasta. Na początku 2018 r. było ich ok. 3,2 miliona. To 55-procentowy wzrost w stosunku do poprzedniego roku. Statystyka obejmuje wszystkie pojazdy zasilane elektrycznie, a zatem również hybrydy typu plug-in. Rynek ten najbardziej dynamicznie rozwija się w Chinach. Obecnie jeździ tam ponad 1,2 miliona e-samochodów. Tylko w 2017 r. przybyło ich 579 tysięcy. W USA liczba samochodów elektrycznych wzrosła w 2017 r. o 195 tys. i osiągnęła poziom 750 tys. sztuk. Niemcy wypadają na tym tle stosunkowo słabo. Mimo to zanotowano tu wzrost o 54 490 do łącznie 92 740 pojazdów. Ich udział w liczbie nowo zarejestrowanych samochodów wyniósł 1,6%. Jeśli wzrost utrzyma się na poziomie z 2017 r., w 2025 r. liczba nowo rejestrowanych e-samochodów na całym świecie wyniesie ponad 25 milionów rocznie.

Przyszłość Porsche stoi pod znakiem elektryczności. Przedsiębiorstwo chce przejść na mobilność elektryczną szybciej niż pozostali niemieccy producenci samochodów. W 2025 r. co drugie sprzedane Porsche ma być napędzane elektrycznie. Jako pierwszy w 2019 r. na rynek wejdzie sportowy model Taycan. Liczba sztuk szacowana jest na 20 tys. rocznie. To około dwie trzecie obecnej sprzedaży modelu 911.

→ WYZWANIA

Polityczne ograniczenia w zakresie emisji tlenków azotu i CO₂ oraz urbanizacja to czynniki, które stymulują rozwój elektromobilności w branży motoryzacyjnej. Przestrzeń miejska jest coraz większa – na całym świecie. Od 2007 r. tyle samo ludzi mieszka w miastach co na wsi. W niektórych regionach Azji i Afryki miasta rozwijają się niezwykle szybko. Metropolie takie jak Tokio, Bombaj czy Szanghaj to symbole postępującej urbanizacji.

Ma to olbrzymi wpływ na przemysł motoryzacyjny. Najważniejszym zadaniem Porsche jest zaangażowanie w te zmiany – potrzebne są samochody sportowe, o atrakcyjnej stylistyce i praktyczne na co dzień dzięki dużemu zasięgowi. Związane z tym wyzwania to: jak stworzyć samochód, który wyznaczy nowe standardy pod względem osiągów i efektywności, dynamiki jazdy i praktyczności na co dzień? Jak skompensować masę akumulatorów? Co musi mieć e-samochód, by wciąż robić wrażenie typowego Porsche?

→ DROGA PORSCHE

Inżynierowie w Weissach opracowali koncepcję napędu pierwszego całkowicie elektrycznego Porsche, która jest zgodna z zasadą „Intelligent Performance” – standardem w każdym modelu Porsche. „W przypadku Taycana zdecydowaliśmy się na silniki synchroniczne wzbudzane magnesami trwałymi (PSM)”, wyjaśnia Heiko Mayer, kierownik zespołu pracującego nad projektem napędu. „Łączą one dużą gęstość mocy z wysoką mocą trwałą i maksymalną sprawnością”. Podobnie jak w modelu 919 Hybrid, zwycięzcy z Le Mans, dwa takie silniki wytwarzają ruch obrotowy, który można w każdej chwili wykorzystać. Od strony technicznej polega to na wymuszeniu ruchu poprzez stałe wzbudzenie wirnika przez pole magnetyczne stojana.

Silniki PSM to klasa turbo wśród silników elektrycznych. Cechują się one bardzo dużą mocą trwałą oraz wysoką sprawnością. W modelu Taycan jeden silnik napędza oś tylną, drugi koła przednie. Razem mają moc ponad 440 kW (600 KM) i zasilane są z akumulatorów zapewniających zasięg 500 km. Dzięki nim Taycan przyspiesza do 100 km/h w znacznie mniej niż 3,5 sekundy, a do 200 km/h w krócej niż 12 sekund. Napędy PSM przekształcają energię elektryczną w moc bardzo wydajnie, równomiernie i z wysoką mocą trwałą, wytwarzając przy tym stosunkowo mało ciepła. Rzecz jasna również Porsche z e-napędem może startować na torach wyścigowych.

Silniki PSM mają ponadto bardzo zwartą konstrukcję. „Umożliwia to zastosowanie mniejszych silników i akumulatorów przy tej samej mocy”, mówi Mayer. Aby jeszcze bardziej zaoszczędzić na gabarytach, cewki magnetyczne śliników elektrycznych wykonano w tzw. technologii hairpin. „Druty nawojowe cewek nie są okrągłe, lecz kwadratowe”, wyjaśnia Naser Abu Daqqa, kierujący w Porsche pracami nad napędami elektrycznymi. „Dzięki temu są one gęściej rozmieszczone i więcej miedzi trafia do cewek – w ten sposób ta sama objętość zapewnia więcej mocy i wyższy moment obrotowy”. Intensywnie pracowano również nad wydajnością energoelektroniki Taycana. Falowniki, przekształcające napięcie stałe akumulatora w napięcie przemienne, pracują nie jak w tradycyjnej technologii ze stałą, lecz z bezstopniowo zmienną częstotliwością taktowania. „Pozwala to w każdej chwili zapewnić optymalne parametry pracy silnika elektrycznego”, wyjaśnia Mayer. Spod znaku Intelligent Performance jest również układ chłodzenia. Czujniki temperatury mierzą zapotrzebowanie na chłodzenie w czasie rzeczywistym, a oprogramowanie dba o to, aby płyn chłodzący natychmiast trafiał w odpowiednie miejsca. Jeśli kierowca naciśnie gaz do dechy, również chłodzenie zacznie pracować na najwyższych obrotach, zapewniając stałą moc.

Akumulator

→ SYTUACJA

Akumulatory to serce pojazdów elektrycznych. Jednak w porównaniu z modelami spalinowymi e-samochody wydają się drogie, a ze względu na mniejszy zasięg i obecnie jeszcze niewystarczającą infrastrukturę ładowania cieszą się ograniczonym zaufaniem. O ból głowy niektórych przyprawiają również kwestie bezpieczeństwa. Technologia akumulatorów jest skomplikowana i stawia nowe wyzwania przed producentami. W samochodach elektrycznych muszą one bowiem spełniać bardzo surowe wymagania.
 
„Zasięg to jedno z najważniejszych kryteriów dla nabywców e-samochodów”, mówi Otmar Bitsche, dyrektor ds. e-mobility w Porsche. Obecnie standardy wyznaczają najnowsze wysokonapięciowe akumulatory litowo-jonowe. Ich gęstość energii wynosi dziś ok. 270 watogodzin na kilogram (Wh/kg). Podobnie jak w przypadku telefonów komórkowych i ich baterii, również w kwestii technologii akumulatorów notuje się stałe postępy, z parametrami lepszymi o nawet 5% rocznie.

Rosnące znaczenie elektromobilności motywuje inżynierów na całym świecie do opracowywania jak najdoskonalszych rozwiązań. Obecnie trwają badania zarówno nad optymalizacją dotychczasowej technologii litowo-jonowej dzięki wykorzystaniu nowych materiałów, jak i nad innowacyjnymi akumulatorami z elektrolitami stałymi.

→ WYZWANIA

W przypadku akumulatorów kluczowe znaczenie mają trzy główne czynniki: masa, temperatura i dostępność surowców. Teoretycznie już dziś można osiągnąć zasięg ponad 500 km, problemem jest jednak ogromna masa akumulatorów. Należy zatem jak najgęściej „upakować” ogniwa litowo-jonowe. Im więcej ich w jednym akumulatorze, tym więcej elektronów, a zatem więcej energii można zgromadzić na tej samej przestrzeni. W tym celu trzeba zmienić w ogniwie procesy fizyczne i chemiczne na poziomie atomowym i molekularnym. Poza tym akumulator pracuje optymalnie tylko w optymalnej temperaturze – ogniwa litowo-jonowe osiągają najlepsze wyniki w przedziale od 20 do 40°C – zarówno podczas ładowania, jak i jazdy. Przed producentami pojazdów stoją jeszcze dwa istotne wyzwania: ograniczona dostępność zasobów oraz ich zrównoważone pozyskiwanie. W obu tych kwestiach Porsche czyni już intensywne przygotowania.

→ DROGA PORSCHE

Prędkość zamiast masy – to motto w Weissach. Zamiast montować ciężkie akumulatory, Porsche stawia na szybkie ładowanie, dlatego prąd przepływa przez ok. 400 połączonych szeregowo i równolegle ogniw. Napięcie każdego z nich wynosi ok. 4 V. Steruje nimi specjalny system zarządzania. W ten sposób powstaje, mówiąc w uproszczeniu, akumulator o napięciu 800 V. „Dużym wyzwaniem było przy tym zapewnienie tak ogromnej mocy akumulatora w całym zakresie temperatur – zarówno w trakcie ładowania, jak i rozładowywania”, mówi Nora Lobenstein, kierowniczka ds. wszystkich systemów gromadzenia energii w Porsche. Rozwiązanie stanowią inteligentny protokół ładowania oraz wydajny system wymiany ciepła, który sprawia, że akumulatory szybko osiągają temperaturę roboczą, a w warunkach dużego obciążenia – czyli wysokiego poboru mocy lub szybkiego ładowania – są niezawodnie schładzane. System szybkiego ładowania Porsche ma ładować akumulator na kolejne 400 km w ciągu ok. 15 minut. Zaletą technologii 800 V są nie tylko krótkie czasy ładowania, ale i cieńsze kable w samochodzie, co pozwala zredukować masę.

Porsche ma niezwykle długi cykl życia, dłuższy niż jakakolwiek inna marka. To samo powinno dotyczyć akumulatorów.

Dla Lobenstein to jednak nie wszystko w kwestii akumulatorów. Zrównoważony rozwój to w Weissach więcej niż tylko pojęcie marketingowe. Dlatego już teraz dział rozwoju Porsche prowadzi intensywne badania nad ponownym wykorzystaniem akumulatorów w przyszłości. Podstawowe założenie: Porsche ma niezwykle długi cykl życia, dłuższy niż jakakolwiek inna marka. To samo powinno dotyczyć akumulatorów. Powinny one przynajmniej otrzymać drugie życie.

Ładowanie

→ SYTUACJA

Duże odległości pomiędzy stacjami ładowania, różne metody płatności, konkurencyjne systemy złączy, zbyt słabe sieci energetyczne – trudności pojawiają się już przy próbie naładowania akumulatorów. Wciąż brak bowiem międzynarodowych standardów, które mogłyby zagwarantować wystarczającą sieć nowoczesnych stacji ładowania dla milionów e-samochodów. Zasadniczo rozróżnia się ładowanie przewodowe i indukcyjne. Ładowanie przewodowe polega na przesyłaniu energii między samochodem i siecią elektryczną za pomocą kabla i układu złączy. W przypadku ładowania indukcyjnego energia między samochodem i siecią elektryczną jest przekazywana bezprzewodowo, przez indukcję elektromagnetyczną.

W przypadku ładowania przewodowego, czyli za pomocą kabla, wyróżnia się ładowanie prądem przemiennym (AC), ze standardowego gniazda siłowego 400 V przy mocy nieprzekraczającej 22 kW, oraz ładowanie prądem stałym (DC), przy mocy do 350 kW. Z ładowania AC korzysta się typowo w domu i w miejscach pracy, z ładowania DC – podczas szybkiego doładowywania w drodze. Do ładowania AC konieczna jest zamocowana na ścianie stacja ładowania lub odpowiedni kabel do podłączenia pojazdu do gniazda. W publicznych terminalach ładowania AC wystarczy specjalny kabel z wtykiem CCS.

Przypuszczalnie dodatkowe zapotrzebowanie na energię do 2025 r. będzie jeszcze umiarkowane. Szacuje się, że w zależności od regionu popyt na energię generowany przez elektromobilność będzie rósł powoli. Dopiero do 2035 r. ma on wyraźnie wzrosnąć. Odpowiedzialny za to będzie przede wszystkim rozwój elektromobilności w Chinach.

→ WYZWANIA

Wysiąść, otworzyć wlew paliwa, włożyć pistolet dystrybutora, zapłacić – i po kilku minutach odjechać. Do tego przyzwyczajeni są kierowcy. Techniczne możliwości ładowania samochodów elektrycznych są już wprawdzie dostępne i w całej Europie rozpoczął się proces tworzenia infrastruktury ładowania. Jednak nieskomplikowany i szybki proces ładowania pojazdów elektrycznych przy autostradach, jak i w obszarach miejskich, wymaga międzynarodowych porozumień i ustaleń – a to nie jest takie proste. Tutaj do gry wkracza polityka. Dostępne obecnie pojedyncze stacje szybkiego ładowania rzadko dysponują mocą przekraczającą 50 kW. Dopiero po około godzinie akumulator jest na tyle naładowany, by pokonać kolejnych 250 km. Pytania zatem są następujące: Jak przyspieszyć ładowanie? Jak zapewnić wystarczającą liczbę ustandaryzowanych punktów ładowania? Jak wzmocnić słabe sieci energetyczne?

→ DROGA PORSCHE

Budowa pokrywającej duży obszar sieci stacji ładowania samochodów elektrycznych potrwa lata. Aby przyspieszyć ten proces, Porsche przejmuje inicjatywę. „Szybsze ładowanie możliwe jest tylko przy wyższej mocy, to było jasne od początku” – mówi Fabian Grill, który wspiera Porsche w rozbudowie infrastruktury dla samochodów elektrycznych. Jego koledzy już spełnili jeden ważny warunek: Taycan, pierwszy samochód sportowy Porsche zasilany wyłącznie elektrycznie, jeździ na 800-woltowym akumulatorze. Aby wykorzystać te możliwości techniczne w przestrzeni publicznej, Porsche intensywnie rozbudowuje infrastrukturę szybkiego ładowania.

Przedsiębiorstwo bierze przy tym pod uwagę trzy opcje. Po pierwsze: ładowanie w domu – za pomocą stacji ładowania lub indukcyjnie za pośrednictwem płyty w podłodze. Po drugie: ładowanie w miastach – można tu wykorzystać istniejącą infrastrukturę. Po trzecie: ładowanie wzdłuż dróg głównych w Europie. Tutaj do gry wkracza Ionity – Joint Venture Porsche, BMW Group, Daimler AG, Ford Motor Company oraz koncernu Volkswagen wraz z Audi. Budowa i uruchomienie około 400 parków szybkiego ładowania do 2020 r. to ważne przedsięwzięcie, które pozwoli zagwarantować elektromobilność również na długich trasach i w ten sposób rozpowszechnić ją na rynku. Każdy z parków szybkiego ładowania Ionity będzie dysponował kilkoma terminalami. Zadbają one o możliwość naładowania pojazdu co 100–150 km wzdłuż europejskich autostrad. Kiedy liczba samochodów elektrycznych wzrośnie, infrastruktura będzie odpowiednio rozwijana. Dzięki temu do 2020 r., niezależnie od marki i mocy pojazdu, klienci zyskają dostęp do tysięcy punktów HPC (High Power Charging). Moc ładowania do 350 kW w każdym punkcie zapewni przystosowanym do tego samochodom znacznie krótszy czas „tankowania” niż w obecnie dostępnych systemach.

Porsche oraz spółka zależna Porsche Engineering stawiają na własną modułową koncepcję ultraszybkich parków ładowania.

Podłączyć i szybko naładować – tak to ma wyglądać. Rozliczanie będzie w pełni automatyczne. Porsche oraz spółka zależna Porsche Engineering stawiają na własną modułową koncepcję ultraszybkich parków ładowania. Od pojedynczych stacji poza miastami po dziesiątki punktów przy drogach szybkiego ruchu i autostradach – to inteligentny system, który można niemal dowolnie skalować. To ważne, jeżeli parki ładowania mają być efektywne i rentowne. Dla klientów Porsche liczy się jednak przede wszystkim możliwość szybkiego naładowania auta również tam, gdzie nie ma sieci energetycznych o dużej mocy. Jest to możliwe za sprawą zintegrowanych w obwodzie akumulatorów buforowych, które w każdej chwili zapewniają wystarczającą pojemność. Szybkie ładowanie oznacza konkretnie: ok. 15 minut wystarczy na kolejne 400 km – w każdym punkcie ładowania Porsche. Obsługa za pomocą wyświetlacza dotykowego jest przy tym tak intuicyjna i bezpieczna, jak w bankomacie. Również w USA i w Chinach trwają prace nad budową pokrywającej duży obszar infrastruktury ładowania.

Rozwiązanie Porsche jest uniwersalne, przeznaczone dla wszystkich pojazdów elektrycznych. Sterownik stacji rozpoznaje typ pojazdu i ogranicza natężenie prądu, jeżeli model nie jest zaprojektowany do szybkiego ładowania. Dzięki temu pionierskiemu rozwiązaniu daleki zasięg pojazdów elektrycznych stanie się oczywistością.