解密  Taycan  動力核心

隨著保時捷 Taycan 革命性的驅動科技,這間來自祖文豪森的車廠將延續其創新傳統。本文詳細說明電動馬達的運作原理。

   

請坐穩!為什麼?當你全力踩下保時捷 Taycan Turbo S「電」門踏板的那 一刻,就會知道 12,000 個坐穩的理由。此時,這款電動跑車的頂級車型瞬間將 12,000 牛頓米扭力全部釋放到四個車輪上時,令人屏息的加速力道將駕駛和乘客狠狠壓進座椅。動力毫無滯延地全數釋放,而且前後軸上的兩具電動馬達持續以同樣的推進力,將車輛帶向極速。這一劑強力的腎上腺素,是保時捷獨特驅動科技不可或缺的要素。知名研究機構汽車管理中心(Center of Automotive Management,簡稱 CAM) 將 Taycan 評為 2020 年全球最具創新力的車型,絕非偶然。對於保時捷,「創新」始終代表著將科技推向極致。這在 Taycan 身上,就是要以前所未有的方式,將電能的潛力發揮到淋漓盡致。

動力核心:

動力核心:

電動馬達和二速變速箱(前)與後軸平行放置。電力電子系統位於頂部。

保時捷打造電動車的念頭,絕非這陣子才出現。120 多年前,年輕的費迪南‧保時捷(Ferdinand Porsche)打造出他的第一輛,也是世界上第一輛搭載轉向輪轂馬達的電動車。電動車的潛能激發了他對賽車的野心,因此他那輛搭載四具電動輪轂馬達的賽車成為世上首部全輪驅動的乘用車。

昔日簡單的直流電馬達,早已被更精密的機器取代。但是其基本的物理原則「磁性」始終存在,每一塊磁鐵都是由一個北極和一個南極組成──異性相吸,同性相斥。一方面,有以基本粒子相互作用為基礎的永久磁鐵;另一方面,電荷移動時也會產生磁場。為了增強電磁力,電動馬達中的載流導體被整理成一組線圈。根據馬達的設計,電磁鐵和永久磁鐵分別被排列在兩個不同的組件上,固定不動的組件稱為定子,旋轉組件則為轉子。透過週期性地開啟和關閉電壓,會產生吸引力和排斥力,藉此產生轉子的旋轉運動。

核心組件:

核心組件:

電動模組的定子主要由圓形金屬片層疊成的圓管以及銅線圈組成。U 型彎線插入到管內的縫隙中,並相互連接。

髮夾技術 提高了定子中 的銅含量

定子由一具極為堅固的冷卻水套包覆, 且溫度持續受到監控和調節。

一旦電流流過,由銅線連接 而成的線圈就會產生磁場。

彎曲成髮夾狀的單一導線,兩端均以雷射焊接相連,形成線圈並經過絕緣處理。

並非每一種電動馬達都適合電動車。保時捷使用的是永磁同步電動馬達(PSM), 與一般成本較低的非同步馬達(ASM)相比,PSM 的連續輸出功率更高,原因是 PSM 較不容易因為過熱而需要調降功率。保時捷的 PSM 是透過三相交流電壓的電力電子系統供電與控制。換句話說,馬達的轉速,是依據交流電壓在零點附近從正極流向負極的頻率來決定。在 Taycan 的電動馬達中,脈波反向器負責調節定子旋轉磁場的頻率,藉此管理轉子的轉速。轉子採用釹鐵硼合金製成的高品質永久磁鐵,在製造過程中會經過高強度定向磁場進行永久磁化。永久磁鐵在煞車過程中也有助於高效回收動能。當車輛處於滑行狀態,電動馬達會進入發電模式,讓磁鐵在定子線圈內電感發電。保時捷電動馬達擁有市面上最優異的動能回收效果。

結構緊湊:

結構緊湊:

Taycan 的前軸驅動器比後軸的驅動器更節省空間。馬達和變速箱同軸放置;轉子、變速箱和車軸位於一直線上。

永磁同步電動馬達可用有更高的連續輸出功率。

電力電子系統直接安裝於驅動器上。這縮短了馬達和感測器的通訊時間, 同時提高效率和減輕重量。

前軸驅動器的行星變速箱有 一個檔位,傳動比為 1:8。這使得前 輪扭力可達 3,000 牛頓米。

永磁同步電動馬達的定子中包含有源電磁鐵, 而旋轉的轉子內含無源永久磁鐵。這個組合最適合用來驅動跑車。

登峰造極的科技:這個保時捷基因完整體現在 Taycan 電動馬達的「髮夾型繞組」技術上。在這項技術中,構成線圈的導線不是圓形,而是矩形。髮夾線圈與傳統繞線技術的差別是,後者是從一個滾筒上連續取得銅線;髮夾技術則是採用成型組裝法,其中矩形銅線被分成多段,並彎曲成類似髮夾的 U 形。這些髮夾各別被插入到安裝線圈的定子疊片中,使矩形截面的表面彼此重疊。這提升了線圈的密度,進而提高定子的銅含量。採用傳統繞線技術的銅含量在 50% 左右,而保時捷所採用的技術能接近 70%,使得相同體積可以輸出更高功率及扭力。「髮夾」的兩端以雷射焊接,形成線圈。另一個重要的優勢是,相鄰銅線的均勻接觸改善了導熱性,提升髮夾定子的冷卻效果。電動馬達可將超過 90% 的能量轉化為推進力,但就像內燃引擎一樣,耗能會轉化為熱能,因此必須散熱,這也使得電動馬達有一層冷卻水套包覆。

慣性質量:

慣性質量:

轉子內填滿了呈 V 形排列的永久磁鐵。

為了能夠精確控制永磁同步馬達,電力電子系統必須掌握轉子的準確角度位置,此時就得仰賴解析器。解析器由一個電場引導金屬製成的轉子盤、一個勵磁線圈和兩個接收線圈組成。勵磁線圈會產生磁場,該磁場會透過編碼器傳輸到接收器線圈,這會在接收線圈中產生電壓,電壓相位與轉子位置成比例移動,根據這些資訊,控制系統可以準確計算出轉子的角度位置。控制系統名為脈波反向器,其中蘊含保時捷的科技結晶,這套系統負責將  800 伏特電池的直流電轉換為交流電,並將其輸送到兩具電動馬達。保時捷是有史以來第一家採用 800 伏特電壓的車廠,這項科技起初是為保時捷 919 Hybrid 複合動力賽車開發,現在在量產車中採用了較細的電纜,重量和體積都進而下降,更縮短了充電時間。

Taycan 的精密電網

搭載二速變速箱的 後軸驅動器

前軸驅動器和輔助裝置

高性能電池上方的 前軸驅動線束

電動馬達轉速每分鐘可高達 16,000 轉。為了在這樣的轉速域之間發揮保時捷經典的動態表現、效能和極速,前後軸的驅動單元各搭載一具變速箱。Taycan 是史上首款後軸搭載二速變速箱的電動跑車,其中第一檔的齒比非常短;前軸的動力則是由 一組單速行星變速箱傳輸到車輪。

在這樣的組合下,Taycan Turbo S 可釋放驚人的動力。前軸電動馬達的 440 牛頓米扭力經由齒輪比轉換後,將約 3,000 牛頓米的扭力傳至車輪;後軸電動馬達的 610 牛頓米扭力在第一檔時倍增為 9,000 牛頓米,齒比綿長的第二檔則確保在高速行駛時的高效率和功率儲備。

就是這些鞭辟入裡的先進科技,使得保時捷在純電時代仍能延續創新傳統。

Peter Weidenhammer
Peter Weidenhammer

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