Чем занимается подразделение Porsche E-Performance?

Ровно 150 лет назад, 3 сентября 1875 родился Фердинанд Порше, который за свои 75 лет сделал немало инженерных изобретений и основал, пожалуй, самую известную компанию по производству спортивных автомобилей. Сейчас Porsche активно работает на спортивных электромобилях, которые автомобильные пуристы осуждают. Но в самой компании к новым, или хорошо забытым старым, электрическим технологиям относятся с огромным энтузиазмом, видя в них огромный потенциал

Porsche E-Performance: “E” означает эмоции

В использовании электрических моторов в автомобилях кроется огромный потенциал. Инженеры и разработчики Porsche не просто используют этот потенциал, но выводят его на совсем другой уровень. Они исследуют возможности технологии вплоть до мельчайших деталей и выжимают из нее все возможное. К примеру, в мире электромобилей, где конкуренция растет ежедневно, Porsche фокусируется на том, чтобы соединить скорость, эффективность и удовольствие от вождения, делая свои модели не просто транспортными средствами, а настоящими источниками эмоций

Менталитет в Porsche не изменился со времен Фердинанда Порше, но технологические требования эволюционировали. Фердинанд Порше располагал относительно простыми моторами постоянного тока. Сегодня же используются высоко развитые электрические моторы, которые выжимают максимум из каждого поступающего вата энергии. Ведь Porsche полностью отдан производительности, независимо от типа привода – будь то электрический или традиционный

В центре всего лежит принцип работы электрического мотора: существуют синхронные моторы с постоянными магнитами (PSM) и асинхронные моторы (ASM). Самая заметная разница заключается в том, что PSM предлагают более высокую постоянную мощность и менее склонны к перегреву. Из-за многочисленных преимуществ, которые они предоставляют, Porsche выбирает технологию PSM, несмотря на более высокие затраты на производство. Это позволяет достичь лучшей эффективности и надежности, что особенно важно для спортивных автомобилей, где каждая секунда на счету

Так, в январе Porsche Taycan GTS проехал 132 круга на льду в контролируемом заносе, который длился 46 минут и охватил 15 503 метра. Мировой рекорд, демонстрирующий, насколько электромобили Porsche могут быть стабильными и мощными даже в экстремальных условиях скользкой поверхности

Как работает E-Performance?

Синхронный мотор с постоянными магнитами (PSM) от Porsche питается и управляется электроникой питания с трехфазным переменным током. Скорость двигателя определяется частотой переменного тока, который колеблется от положительного до отрицательного значения вокруг нуля. В моторах как Taycan, так и Macan частота вращающегося магнитного поля в статоре контролируется импульсным инвертором, регулирующим скорость ротора

Ротор, в свою очередь, оснащен высококачественными постоянными магнитами из сплавов неодим-железо-бор, которые постоянно намагничиваются при производстве сильным направленным магнитным полем. Эти постоянные магниты также позволяют добиться чрезвычайно высокого уровня рекуперации энергии из-за регенеративного торможения. В режиме движения накатом электрический мотор переключается в режим генератора, позволяя магнитам передавать напряжение и ток в статорную обмотку. Регенеративная мощность электрического двигателя Porsche является одной из самых высоких на рынке, то есть, что Вы можете вернуть больше энергии обратно в батарею во время торможения, удлиняя пробег без подзарядки

Но это еще не всё. Обмотка моторов и импульсный инвертор также способствуют достижению максимальной производительности. Ключевым компонентом так называемая hairpin-обмотка, которую Porsche использует на передней оси Taycan. В этой конструкции катушки статора состоят из проволок, не круглых, а прямоугольных. В отличие от традиционных методов обмотки, где используется медная проволока из бесконечной катушки, технология hairpin – это процесс сборки на основе формовки. Прямоугольная медная проволока режется на отдельные секции и сгибается в форму U – подобно заколке для волос (отсюда и название “hairpin”, англ. “шпилька для волос”)

Отдельные hairpin-провода вставляются в ламинации статора, где размещается обмотка, так что плоские поверхности прямоугольного сечения лежат друг против друга – это ключевое преимущество технологии hairpin, которая позволяет более плотно упаковывать провода, увеличивая количество меди в статоре. Если традиционные методы обмотки достигают коэффициента заполнения медью около 50 процентов, технология Porsche достигает почти 70 процентов, что повышает мощность и крутящий момент в том же пространстве для установки. Такие технические преимущества также применяются в технологии I-pin от Porsche, которая используется в Macan и на задней оси Taycan. В отличие от hairpin (или U-pin), I-pin не сгибаются, а свариваются по бокам

Концы проволочных клипов свариваются лазерами, чтобы сформировать катушку. Еще одно важное преимущество – это гомогенный контакт между соседними медными проводами, улучшающий теплопередачу, позволяя hairpin-статору охлаждаться гораздо эффективнее. Хотя электрические моторы превращают более 90 процентов энергии в движение, они все же генерируют тепло, хоть и гораздо меньше, чем двигатели внутреннего сгорания, которое нужно рассеивать. Поэтому электрические моторы оснащены охлаждающей водяной оболочкой

Электроника питания является ключевой для точного управления синхронным мотором с постоянным возбуждением. Здесь на сцену выходит импульсный инвертор. Porsche инвестировал значительные знания в данное устройство. Он превращает 800-вольтовый постоянный ток из батареи в переменный и подает его в два электрических мотора. Изначально разработанный для гоночного автомобиля Porsche 919 Hybrid, технология 800 вольт, впервые примененная в серийной модели с Taycan, уменьшает массу и пространство для установки благодаря более тонким кабелям, а также позволяет сократить время зарядки. Электрические моторы достигают до 16 000 оборотов в минуту

Чтобы оптимально использовать этот диапазон скоростей для типового баланса Porsche между динамикой управления, эффективностью и максимальной скоростью, передний и задний приводные блоки имеют собственные коробки. Taycan стал первым электрическим спортивным автомобилем с двухступенчатой ​​коробкой на задней оси, где первая передача имеет очень короткое передаточное число. Передняя ось использует единственный планетарный редуктор для передачи мощности от электромотора на колеса. Более длинная вторая передача на задней оси обеспечивает эффективность и оптимальную подачу мощности на высоких скоростях. Такая комбинация позволяет Taycan Turbo S высвободить свою огромную мощность до 700 кВт

Porsche никогда не довольствуются достигнутым

Неудивительно, что достижение еще более высокой производительности было одним из главных пунктов в списке задач. Кристиан Мюллер, технический менеджер проекта Porsche для специальных автомобилей Taycan, и его команда отвечала за это. “Увеличение мощности – это существенный элемент для модели, предназначенной для максимальной производительности”, – говорит Мюллер. “Поэтому мы принялись за это на ранних этапах разработки”. По сравнению с Taycan Turbo S, топовая модель Turbo GT может выдавать до 120 кВт дополнительной мощности на максимум 10 секунд – будто бустер для Turbo

Здесь снова ключевую роль играет импульсный инвертор. Taycan Turbo S использует инвертор на 600 ампер для управления электромотором и преобразование постоянного тока высоковольтной батареи емкостью 105 кВт-ч в переменный. Однако инвертор Taycan Turbo GT работает с током до 900 A, проталкивая больше электрической энергии к мотору. Кроме того, инвертор Turbo GT использует карбид кремния вместо кремния в качестве полупроводникового материала, уменьшая потери на переключение и позволяя более высокую частоту переключения

“Это приводит к значительно лучшей эффективности, а в сочетании с оптимальной настройкой электромотора также достигает более высокой постоянной мощности”, – объясняет Мюллер. Если раньше ключевыми факторами в спецификациях автомобилей были объем двигателя, цилиндры или лошадиные силы, то сегодня это сила импульсного инвертора, время зарядки или запас хода

Кроме изменений в инверторе, синхронный мотор с постоянными магнитами и двухступенчатая коробка передач на задней оси нуждались в перенастройке. Увеличенная нагрузка через более высокий входной крутящий момент требовала просмотра компонентов коробки передач. Поверхности зубчатых пар были обработаны соответственно, модифицированные подшипники, а сцепление усилено. Чтобы достичь более высокой максимальной скорости 305 км/ч, вторая передача получила более длинное передаточное число. В общей сложности Taycan Turbo GT предлагает мощность 580 кВт (789 л.с.). С активным Launch Control доступна мощность 760 кВт (1034 л.с.) или 815 кВт (1108 л.с.) с Launch Control с Overboost на пиковые две секунды. Нет времени на передышку во время старта – чистый захват такой мощностью гарантирован!

Какого размера должна быть батарея электромобиля?

Хотя много внимания уделяется мощности и важности инвертора, для успеха электромобиля тяговая батарея не менее, а то и более важна. Какой размер должен быть накопитель энергии, чтобы обеспечить соответствующий запас хода? Какие клетки использовать, чтобы достичь как мощности, так и эффективности?

Как и ожидалось, Porsche идет своим путём и здесь. Чтобы найти размер батареи, отвечающий потребностям клиентов спортивных автомобилей, были учтены приоритеты и реальное ежедневное использование. Понятно, что динамика вождения стоит высоко в списке приоритетов для клиентов спортивных авто. Хотя небольшой запас хода может быть неудобным, он становится приемлемым для дальних поездок, если доступна возможность быстрой зарядки. Большие батареи часто ассоциируются с более длинным запасом хода, более коротким временем путешествия и лучшей динамикой. Однако виртуальные симуляции кругов на Нюрбургринге Нордшляйфе показали, что масса батарей, которые либо слишком велики, либо слишком малы, негативно влияет на производительность

В балансе между запасом хода, производительностью и устойчивостью Porsche сосредоточился на времени поездки. Размер батареи около 100 кВтч предлагает оптимальный баланс. Текущий Taycan имеет емкость 105 кВт-ч (брутто) и 97 кВт-ч нетто – и при оптимальных условиях может заряжаться на станциях постоянного тока до 320 кВт, что на 50 кВт выше, чем раньше. Благодаря повышенной стойкости зарядки, высокая мощность зарядки свыше 300 кВт может удерживаться до пяти минут. Это сокращает время, необходимое для зарядки от 10 до 80 процентов состояния заряда (SoC), почти на четыре минуты до 18 минут, несмотря на большую емкость батареи. Более высокая мощность зарядки и улучшенная эффективность позволяют добавить до 315 км запаса хода всего за 10 минут зарядки, что на 40 процентов больше по сравнению с Taycan первого поколения

Porsche также увеличила плотность энергии батареи примерно на 10 процентов благодаря новой химии ячеек. Кроме того используется модифицированный импульсный инвертор с оптимизированным программным обеспечением, модифицированная система терморегулирования и тепловой насос следующего поколения. Все это обеспечивает запас хода по WLTP почти в 680 км для нового Taycan – на 175 км больше, чем у предшественника

Еще один немаловажный фактор для максимизации времени между остановками для зарядки – это регенеративное торможение. Как только водитель нажимает на тормоз педаль, электрические моторы переключаются в режим генератора. Вместо того чтобы двигать колеса, моторы замедляют автомобиль и одновременно генерируют электричество, которое можно использовать для зарядки батареи. В Taycan и Macan до 90 процентов всех торможений в повседневном вождении может производиться чисто электрически, без привлечения гидравлической тормозной системы. В Taycan инженеры смогли увеличить максимальную скорость рекуперации с 290 до 400 кВт – это скачок на 30 процентов

Macan, также оснащенный технологией 800 вольт и первая модель Porsche, построена на совместно разработанной с Audi платформе PPE (Premium Platform Electric), которая может достичь значительной рекуперативной мощности до 240 кВт. В оптимальных условиях высоковольтная батарея может заряжаться до 270 кВт на соответствующей зарядной станции. Требуется всего 21 минуту, чтобы зарядить батарею от 10 до 80 процентов, и всего четыре минуты, чтобы добавить энергии для 100 км запаса хода

Система терморегулировки электромобиля не только обеспечивает комфортную температуру в салоне, но и оптимальное кондиционирование высоковольтной батареи. В зависимости от типа зарядной станции и ожидаемого уровня заряда батареи (State of Charge, SoC) на момент прибытия автомобиль автоматически подогревает или охлаждает батарею до ее оптимальной температуры для самой быстрой и эффективной зарядки. Macan оснащен высоковольтным нагревателем мощностью 6 кВт, который обеспечивает правильную температуру ячеек, особенно в холодную погоду. В Taycan комбинация высоковольтного нагревателя и теплового насоса может достигнуть мощности нагрева до 17 кВт

Развитие электромобильных технологий продолжается

Благодаря постоянному прогрессу в технологии аккумуляторов в ближайшие годы мы увидим значительное сокращение времени зарядки и улучшение динамики управления электромобилями. И такие производители как Porsche непрерывно работают над совершенствованием своих систем, чтобы сделать электрические автомобили еще более удобными и эффективными для ежедневного использования, повышая их привлекательность для широкого круга потребителей

Когда речь идет об электрическом приводе, может показаться странным, что Porsche продолжает использовать обозначения как Turbo, Turbo S или Turbo GT, а также значок GTS. Однако производитель спортивных автомобилей хочет четко указать уровень производительности каждой версии модели, равно как и для автомобилей с двигателями внутреннего сгорания

Производительность и эмоции всегда были в центре внимания Porsche. И это не изменилось со времен первых моделей, разработанных Фердинандом Порше – будь то электрических или двигателями сгорания. Достижение этого требует новых идей, тщательной разработки и полной преданности. Porsche остается таким же преданным этой цели сегодня, как и в ранние дни производства спортивных автомобилей