Alta-tensão

Sente no banco de seu carro e relaxe. Quem pisar fundo no pedal do acelerador de um Porsche Taycan Turbo S vivenciará 12.000 razões para uma posição estável do banco. Quando o modelo top de carro esportivo elétrico libera de uma só vez seu torque integral de 12.000 Newton-metros em todas suas quatro rodas (Taycan Turbo S: consumo de energia (combinado): 28,5 kWh/100 km, emissões de CO₂ (combinado): 0 g/km (dados de 03/2021)), motorista e passageiros são simplesmente pressionados de modo vertiginoso no estofamento do encosto dos bancos. A força concentrada é liberada sem qualquer atraso em toda sua extensão – e o impulso vindo dos dois motores elétricos nos eixos dianteiro e traseiro permanece praticamente inalterado até a velocidade máxima. Esta dose de adrenalina é a matéria-prima da extraordinária tecnologia de propulsão da Porsche. Não é por acaso que o renomado Center of Automotive Management (CAM) declarou o Taycan como o modelo mais inovador do mundo em 2020. Para a Porsche, inovação sempre significou levar tecnologias ao seu extremo. Nesse caso, isso representa nada menos que explorar ao máximo o potencial da propulsão elétrica, como ninguém jamais fez anteriormente.

Esse conceito Porsche não surgiu ontem. Nem anteontem. Ele já existe há 120 anos. Naquela época, o jovem Ferdinand Porsche desenvolveu seu primeiro carro elétrico com motores de cubos de roda articulados – uma novidade mundial. As possibilidades da eletromobilidade estimularam suas ambições esportivas. Seu carro de corrida equipado com quatro motores elétricos com cubos de roda foi o primeiro carro de passeio do mundo com tração integral.

Os motores simples de corrente contínua daquela época há muito já foram substituídos por motores altamente desenvolvidos. Porém, o princípio físico básico permaneceu o mesmo: o magnetismo. Um ímã sempre é composto por um polo norte e um polo sul. Polos diferentes se atraem, polos iguais se repelem. Por um lado, existem ímãs permanentes que se baseiam no efeito de partículas elementares. Por outro, surgem campos magnéticos também a cada movimento de um carregamento elétrico. Para reforçar o eletromagnetismo, em caso de um motor elétrico, o condutor percorrido por corrente é atribuído a uma bobina. Eletroímãs – e dependendo da versão do motor também ímãs permanentes – são atribuídos a dois componentes. A peça fixa chama-se estator, a peça giratória é o rotor. Através da ligação e do desligamento periódico da tensão elétrica surgem forças de atração e repulsão que, por sua vez, criam o movimento giratório do rotor.

Nem todo tipo de motor elétrico é adequado para o uso como propulsão de veículo. A Porsche aposta no motor síncrono permanentemente excitado (PSM). Comparado à forma construtiva predominantemente utilizada do motor assíncrono (ASM) mais econômico, o PSM oferece uma maior potência contínua. Pois ele sobreaquece com menor facilidade, portanto não precisa ser controlado para reduzir. O PSM da Porsche é alimentado e controlado por um sistema eletrônico de potência com tensão alternada trifásica: a rotação do motor é definida através da frequência da tensão alternada, com a qual ela oscila em torno do ponto zero de positivo para negativo. Nos motores do Taycan, o ondulador por pulsação especifica a frequência do campo magnético no estator, regulando assim a rotação do rotor. O rotor possui ímãs permanentes de alta qualidade com ligas de neodímio-ferro-boro. No processo de fabricação, essas ligas são magnetizadas permanentemente por um campo magnético fortemente direcionado. Os ímãs permanentes também permitem uma recuperação muito alta de energia através da recuperação na frenagem. No modo de propulsão, o motor elétrico passa para o modo regenerativo e deixa os ímãs induzirem tensão e corrente na bobinagem do estator. A potência de recuperação do motor elétrico Porsche é a mais elevada dentre a concorrência.

Tecnologia levada aos extremos: esse gene da Porsche se reflete na peculiaridade dos motores do Taycan – a chamada bobinagem hairpin. Nela, as bobinas são compostas por fios com perfis que não são redondos, mas sim quadrados. Diferente dos clássicos processos de bobinagem que obtêm o fio de cobre contínuo de um rolo, a tecnologia hairpin é o chamado processo baseado na remodelagem do fio. Ou seja: o fio de cobre de perfil quadrado é dividido em diversas seções e dobrado em forma de “U”– semelhante a um grampo de cabelo, em inglês “hairpin”. Então esses diversos grampos são inseridos nas placas do estator, nas quais a bobinagem está localizada, e de forma tal que as superfícies da seção transversal quadrada fiquem sobrepostas. E é nisso que consiste a vantagem decisiva da tecnologia hairpin: ela permite bobinar os fios de forma mais densa e, assim, trazer mais cobre para o estator. Enquanto processos tradicionais de bobinagem apresentam um chamado fator de preenchimento de cerca de 50%, na tecnologia empregada pela Porsche ele é de quase 70%. Assim, a potência e o torque aumentam com o mesmo espaço de instalação. As extremidades dos grampos de fio são soldados a laser, gerando assim a bobina. Outra vantagem importante é que o contato homogêneo dos fios de cobre vizinhos melhora a transmissão de calor, e um estator hairpin pode ser resfriado com eficiência significativamente maior. Na realidade, motores elétricos transformam 90% da energia em propulsão. Mas tal como em um motor de combustão, as perdas são convertidas em calor e têm que ser dissipadas. Por isso, os motores possuem uma “camisa de água” para o resfriamento.

Para poder controlar de modo exato um motor síncrono permanentemente excitado, o sistema eletrônico de controle deve conhecer a exata posição angular do rotor. O resolver assume essa função. Ele é composto por um disco rotor de metal condutor de campo, uma bobina transmissora e duas bobinas receptoras. A bobina transmissora cria um campo magnético que é transmitido às bobinagens receptoras através do encoder rotativo. Assim induz-se uma tensão nas bobinas receptoras; a posição da fase dessa tensão é deslocada proporcionalmente à posição do rotor. A partir dessa informação, o controle pode calcular exatamente a posição angular do rotor. Este controle, o chamado ondulador por pulsação, contém know-how altamente concentrado da Porsche. Ele é responsável pela conversão da corrente contínua da bateria com tensão de 800 volts em corrente alternada e pela sua transmissão para os dois motores elétricos. A Porsche foi o primeiro fabricante a implementar um nível de tensão de 800 volts. Desenvolvido inicialmente para o carro de corrida Porsche 919 Hybrid, esse nível de tensão reduz agora peso e espaço de instalação na série através de cabos mais finos, e possibilita tempos mais curtos de carregamento.

Os motores elétricos atingem até 16.000 rotações por minuto. Para poder utilizar de modo ideal essa amplitude de rotação típica da Porsche entre dinâmica, eficiência e máxima velocidade, o conjunto propulsor dianteiro e traseiro possuem respectivamente o seu próprio câmbio. Como primeiríssimo carro esportivo elétrico, o Taycan possui no eixo traseiro um câmbio com duas marchas comutáveis, das quais a primeira é muito pouco reduzida. No eixo dianteiro, uma engrenagem planetária de entrada transmite a força para as rodas.

Essa combinação é o segredo da força impressionante desenvolvida pelo Taycan Turbo S. No eixo dianteiro, o nível de marcha multiplica os 440 Newton-metros do motor elétrico para cerca de 3.000 Newton-metros para as rodas. 610 Newton-metros do motor do eixo traseiro são reproduzidos na primeira marcha como um momento de eixo de cerca de 9.000 Newton-metros. A tarefa da segunda marcha, multiplicada por mais tempo, é a garantia da eficiência e de reservas de potência em caso de maior velocidade.

Tecnologia de ponta e visionária até o mínimo detalhe – assim a Porsche dá continuidade à sua tradição inovadora também na era da propulsão elétrica.