Visoka napetost: kako delujeta Taycanova električna motorja?

Prvi Porsche je bil električen

Ideja o prenašanju moči elektromotorja neposredno na kolesa je stara več kot 120 let. Ferdinand Porsche je takšen pogon uporabil že pri svojem prvem modelu Egger-Lohner C.2 Phaeton, ki ga je poganjalo pet konjskih moči. Avtomobil je razvil za tisti čas neverjetno hitrost 25 km/h. Kljub obetavni tehnologiji pa se je razvoj pogonskih sklopov v naslednjih desetletjih usmeril v motorje z notranjim izgorevanjem. Glavni razlog je bila teža električnih avtomobilov, ki se je že takrat približala dvema tonama, drugi razlog pa je bil zelo kratek doseg. Tudi infrastrukture za polnjenje takrat seveda še ni bilo.

Preproste električne motorje na enosmerni tok so že zdavnaj zamenjali bolj sofisticirani motorji. Enak pa je ostal princip njihovega delovanja - magnetizem. Vsak magnet ima svoj severni in južni pol. Dva nasprotna pola se privlačita, dva enaka pa odbijata. Magnetno polje lahko ustvarimo s trajnimi magneti ali pa z elektromagneti, skozi katere spustimo električni tok. Električni tok teče skozi navitje in ustvarja rotacijsko magnetno polje. Rezultat je sila, ki vrti motor. Elektromagneti ali trajni magneti se nahajajo na dveh sestavnih delih motorja. Mirujoč del, na katerega je nameščeno navitje, imenujemo stator, vrteč del pa rotor. Rotor se vrti, ko se s periodičnim aktiviranjem in deaktiviranem električne napetosti ustvarjajo privlačne in obijajoče sile.

Sinhroni motor s trajnim magnetom

Rotor v Taycanovem motorju sestavljajo visokokakovostni trajni magneti iz posebne zlitine neodima, železa in bora. Ti magneti so že pri njihovi proizvodnji namagneteni z močnim magnetnim poljem. Velika prednost uporabe trajnih magnetov je visoka stopnja rekuperacije med zaviranjem z motorjem. Takrat trajni magneti inducirajo napetost in tok v navitje statorja. Učinkovitost rekuperacije uvršča Taycanov motor v sam vrh avtomobilske industrije. Baterija se lahko med zaviranjem polni z do 265 kW, kar je primerljivo s polnjenjem na najmočnejših ultra hitrih polnilnicah. O učinkovitosti rekuperacije priča tudi podatek, da Taycan ob vsakodnevni uporabi kar v 90 odstotkih zavira izključno z motorjema. Mehanske zavore aktivira le pri najbolj silovitih zaviranjih.

Posebnost Taycanovih motorjev: “hairpin” navitje v obliki sponke za lase

Visoka tehnologija, ki deluje na meji zmogljivosti. Tega vodila smo se pri Porscheju držali tudi pri razvoju Taycanovih elektromotorjev. Za večjo učinkovitost smo zasnovali motor z navitjem v obliki sponke za lase oziroma “hairpin“ navitje. Njegova posebnost so žice s pravokotnim presekom namesto z običajnim okroglim. V nasprotju s klasičnim navitjem, ki je sestavljeno iz neprekinjenje bakrene žice, so žice pri „hairpin“ navitju razdeljene na posamezne kose in zvite v obliki črke U, podobno kot so izdelane sponke za lase. Ti kosi žice so v stator nameščeni v več plasteh. Ker imajo žice s pravokotnim presekom ravne stranice, jih lahko enakomerno stisnemo skupaj, na obeh koncih pa jih zvarimo z laserjem in združimo v tuljavo.

Tako nameščene žice imajo večjo gostoto, zato stator sestavlja kar 70 odstotkov bakra. Za primerjavo, pri motorju z običajnim navitjem je delež bakra v statorju le 45-odstoten. Večja količina bakra v statorju pomeni večjo moč in večji navor elektromotorja. Še ena prednost “hairpin” navitja je učinkovitejše hlajenje motorja.

Upravljanje motorjev in prenos moči na cesto

Pulzni pretvornik je najpomembnejša komponenta, ki upravlja delovanje Taycanovega električnega motorja. Naloga pulznih pretvornikov je pretvarjanje enosmernega toka, ki pri napetosti 800 voltov prihaja iz baterije, v za delovanje motorja potreben izmenični tok. Med zaviranjem pa je naloga pulznih pretvornikov ravno obratna. Izmenični tok, ki nastaja ob rekuperaciji, pretvarjata v enosmerni tok, s katerim se polni baterija. V Taycanu Turbo S na prednji osi deluje pulzni pretvornik z maksimalnim električnim tokom 600 amperov, kar je 300 amperov več, kot pri Taycanu Turbo. Učinkovitost pulznih pretvornikov v obeh avtomobilih je kar 98 odstotna.

Pri Porscheju smo bili prvi, ki smo 800-voltno tehnologijo uporabili v cestnih avtomobilih. Tehnologijo smo prvotno razvili za hibridni dirkalnik Porsche 919, njena glavna prednost pa je občutno zmanjšanje teže in velikosti pogonskega sklopa. Težo smo zmanjšali tudi s tanjšimi in lažjimi kabli, s katerimi se baterija polni veliko hitreje. Taycanova električna motorja se zavrtita vse do 16.000 vrtljajev v minuti, za optimalni izkoristek moči pa skrbita njuna menjalnika. Na sprednjo os je nameščen enostopenjski, na zadnjo pa dvostopenjski menjalnik.

Prestavna razmerja so zasnovana tako, da sprednji menjalnik v Taycanu Turbo S pretvori 440 Nm navora motorja v 3.000 Nm navora na kolesih. Številki sta še bolj impresivni na zadnji osi, tam menjalnik 610 Nm motornega navora pretvori v kar 9.000 Nm kolesnega navora. Skupni rezultat sprostitve maksimalne moči in navora je izstrelitev z mesta do stotice v 2,8 sekunde. Daljše prestavno razmerje druge prestave zadnjega menjalnika pa poskrbi, da se močno pospeševanje ustavi šele pri elektronsko omejeni najvišji hitrosti 260 km/h.