Чим займається підрозділ Porsche E-Performance?

Рівно 150 років тому, 3 вересня 1875 року народився Фердинанд Порше, який за свої 75 років зробив чимало інженерних винаходів та заснував, мабуть, найвідомішу компанію з виробництва спортивних автомобілів. Зараз Porsche активно працює на спортивними електромобілями, які автомобільні пуристи засуджують. Але в самій компанії до нових, або добре забутих старих, електричних технологій ставляться з величезним ентузіазмом, вбачаючи в них величезний потенціал 

Porsche E-Performance: “E” означає емоції 

У використанні електричних моторів у автомобілях криється величезний потенціал. Інженери та розробники Porsche не просто використовують цей потенціал, а й виводять його на зовсім інший рівень. Вони досліджують можливості технології аж до найдрібніших деталей і витискають з неї все можливе. Наприклад, у світі електромобілів, де конкуренція зростає щодня, Porsche фокусується на тому, щоб поєднати швидкість, ефективність і задоволення від водіння, роблячи свої моделі не просто транспортними засобами, а справжніми джерелами емоцій

Менталітет у Porsche не змінився з часів Фердинанда Порше, але технологічні вимоги еволюціонували. Фердинанд Порше мав у своєму розпорядженні відносно прості мотори постійного струму. Сьогодні ж використовуються високо розвинені електричні мотори, які витискають максимум з кожного вата енергії, що надходить. Адже Porsche повністю відданий продуктивності, незалежно від типу приводу – чи то електричний, чи традиційний

У центрі всього лежить принцип роботи електричного мотора: існують синхронні мотори з постійними магнітами (PSM) і асинхронні мотори (ASM). Найпомітніша різниця полягає в тому, що PSM пропонують вищу постійну потужність і менш схильні до перегріву. Через численні переваги, які вони надають, Porsche обирає технологію PSM, попри вищі витрати на виробництво. Це дозволяє досягти кращої ефективності та надійності, що особливо важливо для спортивних автомобілів, де кожна секунда на рахунку

Так, у січні Porsche Taycan GTS проїхав 132 кола на льоду в контрольованому заносі, який тривав 46 хвилин і охопив 15 503 метри. Світовий рекорд, який демонструє, наскільки електромобілі Porsche можуть бути стабільними та потужними навіть у екстремальних умовах слизької поверхні

Як працює E-Performance? 

Синхронний мотор з постійними магнітами (PSM) від Porsche живиться і керується електронікою живлення з трифазним змінним струмом. Швидкість мотора визначається частотою змінного струму, який коливається від позитивного до негативного значення навколо нуля. У моторах як Taycan, так і Macan частота обертового магнітного поля в статорі контролюється імпульсним інвертором, що регулює швидкість ротора

Ротор, у свою чергу, оснащений високоякісними постійними магнітами з сплавів неодим-залізо-бор, які постійно намагнічуються під час виробництва сильним спрямованим магнітним полем. Ці постійні магніти також дозволяють досягти надзвичайно високого рівня рекуперації енергії через регенеративне гальмування. У режимі руху накатом електричний мотор перемикається в режим генератора, дозволяючи магнітам надсилати напругу та струм у обмотку статора. Регенеративна потужність електричного мотора Porsche є однією з найвищих на ринку, тобто, що Ви можете повернути більше енергії назад у батарею під час гальмування, подовжуючи пробіг без підзарядки

Але це ще не все. Обмотка моторів і імпульсний інвертор також сприяють досягненню максимальної продуктивності. Ключовим компонентом є так звана hairpin-обмотка, яку Porsche використовує на передній осі Taycan. У цій конструкції котушки статора складаються з дротів, які не круглі, а прямокутні. На відміну від традиційних методів обмотки, де використовується мідний дріт з нескінченної котушки, технологія hairpin – це процес складання на основі формування. Прямокутний мідний дріт ріжеться на окремі секції та згинається у форму U – подібно до шпильки для волосся (звідси й назва “hairpin”, англ. “шпилька для волосся”)

Окремі hairpin-дроти вставляються в ламінації статора, де розміщується обмотка, так що плоскі поверхні прямокутного перерізу лежать одна проти одної – це ключова перевага технології hairpin, яка дозволяє щільніше упаковувати дроти, збільшуючи кількість міді в статорі. Якщо традиційні методи обмотки досягають коефіцієнта заповнення міддю близько 50 відсотків, то технологія Porsche сягає майже 70 відсотків, що підвищує потужність і крутний момент у тому ж просторі для встановлення. Такі технічні переваги також застосовуються до технології I-pin від Porsche, яка використовується в Macan і на задній осі Taycan. На відміну від hairpin (або U-pin), I-pin не згинаються, а зварюються з обох боків

Кінці дротяних кліпів зварюються лазерами, щоб сформувати котушку. Ще одна важлива перевага – це гомогенний контакт між сусідніми мідними дротами, який покращує теплопередачу, дозволяючи hairpin-статору охолоджуватися набагато ефективніше. Хоча електричні мотори перетворюють понад 90 відсотків енергії на рух, вони все ж генерують тепло, хоч і значно менше, ніж двигуни внутрішнього згоряння, яке потрібно розсіювати. Тому електричні мотори оснащені охолоджувальною водяною оболонкою

Електроніка живлення є ключовою для точного керування синхронним мотором з постійним збудженням. Тут на сцену виходить імпульсний інвертор. Porsche інвестував значні знання в цей пристрій. Він перетворює 800-вольтовий постійний струм з батареї на змінний і подає його на два електричні мотори. Спочатку розроблений для гоночного автомобіля Porsche 919 Hybrid, технологія 800 вольт, вперше застосована в серійній моделі з Taycan, зменшує масу та простір для встановлення завдяки тоншим кабелям, а також дозволяє скоротити час зарядки. Електричні мотори досягають до 16 000 обертів на хвилину

Щоб оптимально використовувати цей діапазон швидкостей для типового балансу Porsche між динамікою керування, ефективністю та максимальною швидкістю, передній і задній приводні блоки мають власні коробки передач. Taycan став першим електричним спортивним автомобілем з двоступеневою коробкою передач на задній осі, де перша передача має дуже коротке передавальне число. Передня вісь використовує єдиний планетарний редуктор для передачі потужності від електромотора на колеса. Довша друга передача на задній осі забезпечує ефективність і оптимальну подачу потужності на високих швидкостях. Така комбінація дозволяє Taycan Turbo S вивільнити свою величезну потужність до 700 кВт

Porsche ніколи не задовольняються досягнутим 

Не дивно, що досягнення ще вищої продуктивності було одним з головних пунктів у списку завдань. Крістіан Мюллер, технічний менеджер проекту Porsche для спеціальних автомобілів Taycan, і його команда відповідали за це. “Збільшення потужності – це суттєвий елемент для моделі, призначеної для максимальної продуктивності”, – каже Мюллер. “Тому ми взялися за це на ранніх етапах розробки”. Порівняно з Taycan Turbo S, топова модель Turbo GT може видавати до 120 кВт додаткової потужності на максимум 10 секунд – ніби бустер для Turbo

Тут знову ключову роль грає імпульсний інвертор. Taycan Turbo S використовує інвертор на 600 ампер для керування електромотором і перетворення постійного струму високовольтної батареї ємністю 105 кВт-год на змінний. Однак інвертор Taycan Turbo GT працює зі струмом до 900 A, проштовхуючи більше електричної енергії до мотора. Крім того, інвертор Turbo GT використовує карбід кремнію замість кремнію як напівпровідниковий матеріал, зменшуючи втрати на перемикання та дозволяючи вищу частоту перемикання

“Це призводить до значно кращої ефективності, а в поєднанні з оптимальним налаштуванням електромотора також досягає вищої постійної потужності”, – пояснює Мюллер. Якщо раніше ключовими факторами в специфікаціях автомобілів були об’єм двигуна, циліндри чи кінські сили, то сьогодні це сила імпульсного інвертора, час зарядки чи запас ходу 

Окрім змін в інверторі, синхронний мотор з постійними магнітами та двоступенева коробка передач на задній осі потребували перенастроювання. Збільшене навантаження через вищий вхідний крутний момент вимагало перегляду компонентів коробки передач. Поверхні зубчастих пар були оброблені відповідно, підшипники модифіковані, а зчеплення посилене. Щоб досягти вищої максимальної швидкості 305 км/год, друга передача отримала довше передавальне число. Загалом Taycan Turbo GT пропонує потужність 580 кВт (789 к.с.). З активним Launch Control доступна потужність 760 кВт (1034 к.с.) – або 815 кВт (1108 к.с.) з Launch Control з Overboost на пікові дві секунди. Немає часу на передих під час старту – чисте захоплення такою потужністю гарантовано!

Якого розміру має бути батарея електромобіля? 

Хоча багато уваги приділяється потужності та важливості інвертора, для успіху електромобіля тягова батарея є не менш, а то й більш важливою. Якого розміру має бути накопичувач енергії, щоб забезпечити відповідний запас ходу? Які клітинки використовувати, щоб досягти як потужності, так і ефективності?

Як і очікувалося, Porsche йде своїм шляхом і тут. Щоб знайти розмір батареї, який відповідає потребам клієнтів спортивних автомобілів, були враховані пріоритети та реальне щоденне використання. Зрозуміло, що динаміка керування стоїть високо в списку пріоритетів для клієнтів спортивних авто. Хоча невеликий запас ходу може бути незручним, він стає прийнятним для далеких поїздок, якщо доступна можливість швидкої зарядки. Великі батареї часто асоціюються з довшим запасом ходу, коротшим часом подорожі та кращою динамікою. Однак віртуальні симуляції кіл на Нюрбургринг Нордшляйфе показали, що маса батарей, які або занадто великі, або занадто малі, негативно впливає на продуктивність

У балансі між запасом ходу, продуктивністю та стійкістю Porsche зосередився на часі подорожі. Розмір батареї близько 100 кВт-год пропонує оптимальний баланс. Поточний Taycan має ємність 105 кВт-год (брутто) і 97 кВт-год нетто – і за оптимальних умов може заряджатися на станціях постійного струму до 320 кВт, що на 50 кВт вище, ніж раніше. Завдяки підвищеній стійкості зарядки висока потужність зарядки понад 300 кВт може утримуватися до п’яти хвилин. Це скорочує час, потрібний для зарядки від 10 до 80 відсотків стану заряду (SoC), майже на чотири хвилини до 18 хвилин, попри більшу ємність батареї. Вища потужність зарядки та покращена ефективність дозволяють додати до 315 км запасу ходу всього за 10 хвилин зарядки, що на 40 відсотків більше порівняно з Taycan першого покоління

Porsche також збільшив щільність енергії батареї приблизно на 10 відсотків завдяки новій хімії клітинок. Крім того, використовується модифікований імпульсний інвертор з оптимізованим програмним забезпеченням, модифікована система терморегулювання та тепловий насос наступного покоління. Усе це забезпечує запасу ходу за WLTP майже в 680 км для нового Taycan – на 175 км більше, ніж у попередника

Ще один важливий фактор для максимізації часу між зупинками для зарядки – це регенеративне гальмування. Як тільки водій натискає на педаль гальма, електричні мотори перемикаються в режим генератора. Замість того, щоб рухати колеса, мотори уповільнюють автомобіль і одночасно генерують електрику, яку можна використовувати для зарядки батареї. У Taycan і Macan до 90 відсотків усіх гальмувань у повсякденному водінні може виконуватися чисто електрично, без залучення гідравлічної гальмівної системи. У Taycan інженери змогли збільшити максимальну швидкість рекуперації з 290 до 400 кВт – це стрибок на 30 відсотків

Macan, також оснащений технологією 800 вольт і це перша модель Porsche, побудована на спільно розробленій з Audi платформі PPE (Premium Platform Electric), яка може досягти значної рекуперативної потужності до 240 кВт. За оптимальних умов високовольтна батарея може заряджатися до 270 кВт на відповідній зарядній станції. Потрібно всього 21 хвилину, щоб зарядити батарею від 10 до 80 відсотків, і лише чотири хвилини, щоб додати енергії для 100 км запасу ходу

Система терморегулювання електромобіля не тільки забезпечує комфортну температуру в салоні, але й оптимальне кондиціювання високовольтної батареї. Залежно від типу зарядної станції та очікуваного рівня заряду батареї (State of Charge, SoC) на момент прибуття, автомобіль автоматично підігріває або охолоджує батарею до її оптимальної температури для найшвидшої та найефективнішої зарядки. Macan оснащений високовольтним нагрівачем потужністю 6 кВт, який забезпечує правильну температуру клітинок, особливо в холодну погоду. У Taycan комбінація високовольтного нагрівача та теплового насоса може досягти потужності нагріву до 17 кВт

Розвиток електромобільних технологій продовжується 

Завдяки постійному прогресу в технології акумуляторів, у найближчі роки ми побачимо значне скорочення часу зарядки та покращення динаміки керування електромобілями. І такі виробники, як Porsche, безперервно працюють над вдосконаленням своїх систем, щоб зробити електричні автомобілі ще зручнішими та ефективнішими для щоденного використання, підвищуючи їхню привабливість для широкого кола споживачів

Коли йдеться про електричний привід загалом, може здатися дивним, що Porsche продовжує використовувати позначення як Turbo, Turbo S чи Turbo GT, а також значок GTS. Однак виробник спортивних автомобілів хоче чітко вказати рівень продуктивності кожної версії моделі, так само, як і для автомобілів з двигунами внутрішнього згоряння

Продуктивність і емоції завжди були в центрі уваги Porsche. І це не змінилося з часів перших моделей, розроблених Фердинандом Порше – чи то електричних, чи з двигунами згоряння. Досягнення цього вимагає нових ідей, ретельної розробки та повної відданості. Porsche залишається так само відданим цій меті сьогодні, як і в ранні дні виробництва спортивних автомобілів