Wysokie napięcie

Lepiej się oprzeć. Po dociśnięciu gazu do podłogi Porsche Taycan Turbo S, topowa wersja elektrycznego modelu sportowego, generuje łącznie na wszystkich kołach moment obrotowy 12 tysięcy niutonometrów i wciska kierowcę oraz pasażerów w fotele, dosłownie zapierając dech w piersiach (Taycan Turbo S: zużycie prądu, cykl łączony: 24,3–25,6 kWh/100 km, emisja CO₂, średnia: 0 g/km (stan na 03/2021 r.)). Skumulowana siła rozwija się w pełni bez jakiegokolwiek opóźnienia, silniki elektryczne na przedniej i tylnej osi generują praktycznie nieustanną siłę ciągu aż do osiągnięcia maksymalnej prędkości. Taka dawka adrenaliny to stały element unikalnej technologii napędu Porsche. Nie bez powodu renomowany instytut Center of Automotive Management (CAM) uznał Taycana w 2020 r. za najbardziej innowacyjny model na świecie. W Porsche od zawsze innowacyjność oznaczała maksymalne dopracowanie każdej technologii. W tym przypadku oznaczało to wykorzystanie pełnego potencjału napędu elektrycznego – i to w niespotykanej dotąd skali.

Koncepcja ta nie jest dla Porsche niczym nowym, wręcz przeciwnie – powstała ona przeszło 120 lat temu. Wtedy to młody Ferdinand Porsche projektował pierwsze pojazdy elektryczne z silnikami montowanymi w piastach kół – światową nowość. Elektryczna mobilność i jej możliwości budziły w młodym inżynierze sportowe ambicje. Jego wyścigowy pojazd z czterema silnikami elektrycznymi był pierwszym na świecie samochodem osobowym z napędem na cztery koła. 

O ile proste silniki prądu stałego z tamtych czasów już dawno zostały zastąpione przez zaawansowane maszyny, to fizyczna zasada ich działania pozostała ta sama – pole magnetyczne. Każdy magnes ma dwa bieguny: północny i południowy. Bieguny różnoimienne przyciągają się, a równoimienne – odpychają. Z jednej strony są magnesy trwałe, które opierają się na oddziaływaniu cząstek elementarnych. Z drugiej strony pola magnetyczne powstają pod wpływem każdego ruchu ładunku elektrycznego. W celu wzmocnienia oddziaływania pola elektromagnetycznego wykorzystywany w silniku elektrycznym przewód, przez który przepływa prąd, tworzy uzwojenie w formie cewki. Elektromagnesy i – w zależności od konstrukcji silnika – również magnesy trwałe, są rozmieszczone na dwóch komponentach. Część nieruchoma to tzw. stojan, a część obracająca się to wirnik. Poprzez naprzemienne włączanie i wyłączanie napięcia elektrycznego powstają siły przyciągania i odpychania, które wprawiają wirnik w ruch obrotowy. 

Nie każdy typ silnika elektrycznego można zastosować do napędzania pojazdów. Porsche wykorzystuje system silników synchronicznych wzbudzanych magnesami trwałymi (PSM). W porównaniu z powszechnie stosowanymi tańszymi silnikami asynchronicznymi (ASM) silnik PSM oferuje wyższą moc trwałą, ponieważ jest mniej podatny na przegrzewanie się i tym samym nie wymaga intensywnego chłodzenia. System PSM Porsche jest zasilany i sterowany przez układ energoelektroniczny trójfazowym napięciem przemiennym. Jego częstotliwość, która oscyluje wokół punktu zerowego od plusa do minusa, przekłada się na obroty silnika. Za regulację prędkości obrotowej wirników w silnikach Taycana odpowiada falownik impulsowy, sterujący częstotliwością pola wirującego w stojanie. Wysokiej jakości magnesy trwałe ze stopów neodymu, żelaza i boru są poddawane trwałemu namagnesowaniu w procesie produkcji przez silne, kierunkowe pole magnetyczne. Magnesy trwałe umożliwiają również bardzo wysoki odzysk energii poprzez hamowanie rekuperacyjne. Podczas tego procesu silniki elektryczne przechodzą w tryb generatora, a magnesy indukują napięcie i prąd w uzwojeniu stojana. Pod względem zdolności do rekuperacji silnik elektryczny Porsche nie ma sobie równych. 

Maksymalny poziom dopracowania technologii – ten gen Porsche widać w pewnym szczególnym elemencie silnika Taycana, a mianowicie w tak zwanych cewkach typu hairpin. W tych uzwojeniach stojana druty nie są okrągłe w przekroju, lecz prostokątne i – w przeciwieństwie do klasycznych nawijanych drutów miedzianych – precyzyjnie montowane w procesie formowania. Oznacza to, że prostokątny drut miedziany jest dzielony na odcinki i gięty w kształt litery u, przez co przypomina wsuwkę (ang. hairpin). Te pojedyncze odcinki są wsuwane w blachy stojana z uzwojeniem w taki sposób, aby ich płaskie powierzchnie ściśle przylegały do siebie. Na tym polega przewaga technologii hairpin – druty są gęściej „upakowane” i dzięki temu więcej miedzi trafia do stojana. Podczas gdy w konwencjonalnych procesach nawijania współczynnik wypełnienia miedzią wynosi około 50 procent, w technologii Porsche sięga on prawie 70 procent. To oznacza większą moc i większy moment obrotowy przy tej samej ilości zajmowanego miejsca. Końce zagiętych drutów są spawane laserowo i w ten sposób powstaje cewka. Kolejną ważną zaletą takiego gęstego rozmieszczenia jest lepszy przepływ ciepła w wyniku stykania się sąsiednich drutów i znacznie efektywniejsze chłodzenie stojana. Silniki elektryczne przekształcają co prawda ponad 90 procent energii w siłę napędową, ale podobnie jak w przypadku silnika spalinowego straty są przekształcane w ciepło, które wymaga odprowadzania. W tym celu silniki te są wyposażone w płaszcz chłodzenia wodnego. 

Aby móc dokładnie sterować silnikiem synchronicznym wzbudzanym magnesami trwałymi, układ energoelektroniczny musi znać dokładne położenie kątowe wirnika. Do tego służy resolwer. Składa się on z tarczy wirnika wykonanej z metalu ferromagnetycznego, jednej cewki uzwojenia wzbudzenia oraz dwóch cewek uzwojenia wtórnego. Cewka uzwojenia wzbudzenia wytwarza pole magnetyczne, przesyłane do cewek odbiornika. W cewkach uzwojenia wtórnego indukowane jest wskutek tego napięcie, którego kąt fazowy jest przesunięty proporcjonalnie do położenia wirnika. Na podstawie tej informacji sterownik może obliczyć dokładne położenie kątowe wirnika. W tym sterowniku właśnie, tzw. falowniku impulsowym, tkwi innowacyjny potencjał Porsche. Falownik przekształca prąd stały z akumulatora o napięciu 800 woltów na prąd przemienny i doprowadza go do obu silników elektrycznych. Porsche zresztą jako pierwszy producent zastosowało akumulator o napięciu 800 woltów. Opracowany wcześniej dla wyścigowego modelu Porsche 919 Hybrid, w wersji seryjnej podzespół ten – dzięki cieńszym kablom – ma mniejszą masę i gabaryty oraz szybciej się ładuje.

Silniki elektryczne osiągają prędkość do 16 tysięcy obrotów na minutę. Aby optymalnie ją wykorzystać na rzecz typowego dla Porsche połączenia dynamiki z wydajnością i maksymalną prędkością, przedni i tylny zespół napędowy wyposażono w osobne przekładnie. Taycan zresztą jako pierwszy samochód elektryczny posiada przekładnię tylnej osi z dwoma przełączanymi biegami, z których pierwszy ma wyjątkowo krótkie przełożenie. Na przedniej osi jednobiegowa przekładnia planetarna przenosi siłę na koła.

W ten oto sposób Porsche Taycan Turbo S rozwija swoje potężne siły. Zainstalowana na przedniej osi przekładnia przetwarza moment 400 niutonometrów silnika elektrycznego na 3000 niutonometrów na kołach. 610 niutonometrów tylnego silnika zwielokrotnia się na pierwszym biegu do 9000 niutonometrów na osi. Drugi – dłuższy – bieg zapewnia efektywność i rezerwy mocy przy wyższych prędkościach. 

Pionierska technologia dopracowana w najdrobniejszych szczegółach – tak Porsche kontynuuje tradycję innowacji w erze napędów elektrycznych.