Η 919 αποτελεί το εργαστήριο δοκιμών για το επίπεδο της τάσης που θα διαθέτουν τα μελλοντικά υβριδικά συστήματα.
Mission E: To μέλλον ανατέλλει στο Zuffenhausen…
Με την 919 Hybrid, η Porsche έχει εξελίξει ένα νέο πεδίο τεχνολογίας, απώτερο σκοπό την εφαρμογή της σε sport μοντέλα παραγωγής.
Για την “Mission E”, ένα πλήρως ηλεκτρικό πρωτότυπο σπορ αυτοκίνητο δρόμου που παρουσιάστηκε για πρώτη φορά το 2015, και αναμένεται να μπει στην παραγωγή στο τέλος αυτής της δεκαετίας, οι σχεδιαστές της Porsche υιοθέτησαν την τεχνολογία 800 Volt από το πρωτότυπο αγωνιστικό μοντέλο.
Η Porsche έχει εξαντλήσει όλες τις πιθανότητες στο σχεδιασμό του αυτοκινήτου που έχει αποσπάσει δύο νίκες στο LeMans – ειδικά σε ό,τι αφορά το σύστημα κίνησης. Αποτελείται από τον δίλιτρο υπερτροφοδοτούμενο βενζινοκινητήρα V4, τον πλέον αποδοτικό κινητήρα εσωτερικής καύσης που έχει κατασκευάσει ποτέ η Porsche, και δύο ακόμη, διαφορετικά συστήματα ανάκτησης ενέργειας.
Κατά το φρενάρισμα, μια γεννήτρια στον εμπρός άξονα μετατρέπει την κινητική ενέργεια του αυτοκινήτου σε ηλεκτρική.
Στο διαιρούμενο σύστημα εξαγωγής, μία τουρμπίνα κινεί τον υπερσυμπιεστή και μία άλλη μετατρέπει την πλεονάζουσα ενέργεια σε ρεύμα. Η ενέργεια από το φρενάρισμα συμβάλλει κατά 60%, ενώ το υπόλοιπο 40% προέρχεται από τα καυσαέρια. Η ανακτηθείσα ηλεκτρική ενέργεια αποθηκεύεται προσωρινά σε μια μπαταρία ιόντων λιθίου και τροφοδοτεί έναν ηλεκτροκινητήρα ανάλογα με τις ανάγκες. Αυτό σημαίνει ότι ο οδηγός, όποτε θέλει να επιταχύνει, αξιοποιεί αυτήν την ενέργεια με το πάτημα ενός διακόπτη. Σύμφωνα με τις τελευταίες αλλαγές των κανονισμών, η ισχύς από τον κινητήρα εσωτερικής καύσης είναι μόλις κάτω από τους 500 ίππους (368kW), ενώ η απόδοση του ηλεκτροκινητήρα ξεπερνά κατά πολύ τους 400 ίππους (294 kW).
Για τη χρήση και τη συνδυασμένη αξιοποίηση αυτών των δύο πηγών ενέργειας απαιτείται μια καλοδουλεμένη στρατηγική. Με κάθε φρενάρισμα αξιοποιείται, δηλαδή ανακτάται ενέργεια. Στο Grand Prix των 5,148 χιλιομέτρων του Nürburgring, αυτό συμβαίνει 17 φορές ανά γύρο, πριν από κάθε στροφή. Η ποσότητα της ενέργειας που ανακτάται εξαρτάται από τη δύναμη του φρεναρίσματος ή, με άλλα λόγια, από την ταχύτητα με την οποία ο οδηγός φτάνει στη στροφή και από το πόσο κλειστή είναι αυτή η στροφή.
Το φρενάρισμα και η ανάκτηση ενέργειας διαρκούν μέχρι την κορυφή κάθε στροφής, οπότε ο οδηγός επιταχύνει και πάλι. Τη συγκεκριμένη στιγμή, ο στόχος είναι να αξιοποιηθεί όσο το δυνατόν περισσότερη ενέργεια. Ο οδηγός λοιπόν πατά το πεντάλ γκαζιού χρησιμοποιώντας ενέργεια από τα καύσιμα, ενώ ταυτόχρονα “τραβάει” ηλεκτρική ενέργεια από την μπαταρία.
Καθώς ο κινητήρας εσωτερικής καύσης δίνει κίνηση στον πίσω άξονα, ο ηλεκτροκινητήρας αναλαμβάνει τον εμπρός άξονα. Η 919 εκτινάσσεται από την στροφή χωρίς την παραμικρή απώλεια πρόσφυσης, χρησιμοποιώντας την τετρακίνησή της – και ταυτόχρονα ανακτά και πάλι ενέργεια, καθώς στις ευθείες η πρόσθετη τουρμπίνα στον αγωγό της εξάτμισης λειτουργεί εντατικά.
Σε σταθερά υψηλές στροφές του κινητήρα, η πίεση στο σύστημα εξαγωγής αυξάνεται γρήγορα και κινεί τη δεύτερη τουρμπίνα, η οποία είναι συνδεδεμένη απευθείας σε μια ηλεκτρογεννήτρια.
Και για τις δύο πηγές ενέργειας, ωστόσο, ισχύουν περιορισμοί που τίθενται από τους κανονισμούς: ο οδηγός δεν επιτρέπεται να χρησιμοποιήσει περισσότερα από 1,8 λίτρα καυσίμου ανά γύρο και περισσότερες από 1,3 κιλοβατώρες (4,8 μεγατζάουλ) ηλεκτρικού ρεύματος. Πρέπει να πραγματοποιεί προσεκτικούς υπολογισμούς, έτσι ώστε το τέλος του γύρου να έχει χρησιμοποιήσει ακριβώς αυτήν την ποσότητα – ούτε περισσότερο, ούτε λιγότερο.
Εάν χρησιμοποιήσει περισσότερο, τιμωρείται με ποινή. Εάν χρησιμοποιήσει λιγότερο, μειώνεται η απόδοση. Πρέπει να σταματά να “τραβά” ενέργεια και να παίρνει το πόδι του από το γκάζι ακριβώς τη σωστή στιγμή.
Στον γύρo των 13,629 χιλιομέτρων του LeMans, ο οποίος χρησιμοποιείται ως υπόδειγμα κλίμακας για τους κανονισμούς, η επιτρεπόμενη ποσότητα ενέργειας είναι 2,22 κιλοβατώρες. Αυτό αντιστοιχεί σε 8 μεγατζάουλ – και είναι η υψηλότερη ενεργειακή κατηγορία που προβλέπεται στους κανονισμούς.
Η Porsche ήταν η πρώτη και η μόνη κατασκευάστρια εταιρεία το 2015 που τόλμησε να σπρώξει τα όρια τόσο μακριά. Το 2016 η Toyota επίσης συμμετέχει στην κατηγορία των 8 μεγατζάουλ. Η Audi χρησιμοποιεί 6 μεγατζάουλ. Οι κανονισμοί του WEC εξισορροπούν σχεδόν πλήρως αυτές τις διαφορές.
Για την επιλογή των τεχνολογικών λύσεων που θα αξιοποιούσε η Porsche 919 Hybrid εξετάστηκαν πολύ προσεκτικά οι επιμέρους εναλλακτικές λύσεις. Αναμφίβολα η Porsche θα χρησιμοποιούσε την ενέργεια πέδησης στον μπροστινό άξονα, καθώς έτσι προκύπτει τεράστια ποσότητα ενέργειας από τομείς που έχουν ήδη αξιοποιηθεί εν μέρει με τεράστια πρόοδο.
Για το δεύτερο σύστημα, εξετάστηκε η περίπτωση της ανάκτησης ενέργειας στον πίσω άξονα ή της αξιοποίησης των καυσαερίων. Υπήρξαν δύο παράγοντες που οδήγησαν στην επιλογή των καυσαερίων: Το βάρος, και στη συνέχεια η αποδοτικότητα.
Στην περίπτωση της ανάκτησης ενέργειας πέδησης, το σύστημα πρέπει να είναι σε θέση να ανακτά ενέργεια σε πολύ μικρό χρονικό διάστημα, πράγμα που σημαίνει ότι πρέπει να διαχειρίζεται μεγάλες ποσότητες ενέργειας, έχοντας όμως αυξημένο βάρος. Οι φάσεις της επιτάχυνσης, ωστόσο, έχουν πολύ μεγαλύτερη διάρκεια απ’ ό,τι οι φάσεις της πέδησης, πράγμα που αυξάνει το χρονικό διάστημα της ανάκτησης και παρέχει τα περιθώρια να έχει το σύστημα μικρότερο βάρος. Συν το γεγονός ότι ο κινητήρας εσωτερικής καύσης της 919 διαθέτει ήδη σύστημα κίνησης στον πίσω άξονα. Με ακόμα μεγαλύτερη ισχύ στον πίσω άξονα, θα αυξανόταν το μη αποδοτικό σπινάρισμα των τροχών. Επιπλέον, κάτι τέτοιο θα προκαλούσε έντονη φθορά των ελαστικών.
Αναμφίβολα η πιο τολμηρή απόφαση της Porsche για το υβριδικό σύστημα της 919 ήταν η επιλογή των 800 Volt. Ο καθορισμός του επιπέδου της τάσης αποτελεί θεμελιώδη απόφαση στα ηλεκτρικά συστήματα κίνησης. Επηρεάζει τα πάντα – τον σχεδιασμό της μπαταρίας, τον σχεδιασμό των ηλεκτρονικών συστημάτων, τον σχεδιασμό των ηλεκτροκινητήρων και την τεχνολογία φόρτισης. Η Porsche εξάντλησε κάθε δυνατό περιθώριο.
Ήταν δύσκολο να βρεθούν εξαρτήματα για αυτήν την υψηλή τάση, ειδικά δε ένα κατάλληλο αποθηκευτικό μέσο.
Γεννήτρια με σφόνδυλο, υπερπυκνωτές ή μπαταρία; Η Porsche επέλεξε μια υδρόψυκτη μπαταρία ιόντων λιθίου, με εκατοντάδες ξεχωριστές κυψέλες, καθεμία από τις οποίες περικλείεται στο δικό της κυλινδρικό μεταλλικό περίβλημα – ύψους 7 εκατ. και διαμέτρου 1,8 εκατ.
Τόσο σε ένα αυτοκίνητο δρόμου, όσο και σε ένα αγωνιστικό αυτοκίνητο, η πυκνότητα ισχύος και η πυκνότητα ενέργειας πρέπει να εξισορροπούνται. Όσο μεγαλύτερη είναι η πυκνότητα ισχύος της κυψέλης, τόσο ταχύτερα μπορεί να γίνεται η ανάκτηση και η απελευθέρωση της ενέργειας. Η άλλη παράμετρος, η πυκνότητα ενέργειας, καθορίζει την ποσότητα ενέργειας που μπορεί να αποθηκεύεται. Στους αγώνες, οι κυψέλες – μιλώντας μεταφορικά – πρέπει να έχουν τεράστιο άνοιγμα. Και αυτό διότι, μόλις ο οδηγός φρενάρει, δέχονται τεράστια ποσότητα ενέργειας – και, μόλις ο οδηγός τη ζητήσει, η ενέργεια αυτή πρέπει να βγει από τις κυψέλες ακριβώς με την ίδια ταχύτητα.
Μια σύγκριση καθημερινής χρήσης: εάν μια αποφορτισμένη μπαταρία ιόντων λιθίου ενός smartphone είχε την ίδια πυκνότητα ισχύος με την μπαταρία της 919, θα επαναφορτιζόταν πλήρως σε λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο. Το μειονέκτημα: Μετά από μια σύντομη συνομιλία, η μπαταρία θα αποφορτιζόταν και πάλι. Προκειμένου η μπαταρία του smartphone να διαρκεί μέρες, η πυκνότητα ενέργειας έχει προτεραιότητα, πράγμα που συνεπάγεται την ανάγκη να υπάρχει χωρητικότητα.
Σε ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο καθημερινής χρήσης, η χωρητικότητα μεταφράζεται σε αυτονομία. Από την άποψη αυτή, οι απαιτήσεις ενός αγωνιστικού αυτοκινήτου διαφέρουν από τις απαιτήσεις ενός ηλεκτρικού αυτοκινήτου δρόμου.
Με την 919, όμως, η Porsche έχει προχωρήσει σε επίπεδα διαχείρισης του υβριδικού συστήματος που έως τώρα δεν μπορούσε να φανταστεί κανείς. Η 919 αποτελεί το εργαστήριο δοκιμών για το επίπεδο της τάσης που θα διαθέτουν τα μελλοντικά υβριδικά συστήματα. Στη διάρκεια του προγράμματος LMP1 αποκτήθηκαν σημαντικές βασικές γνώσεις. Όπως για θέματα που αφορούν στην ψύξη για την αποθήκευση ενέργειας (μπαταρία) και τον ηλεκτροκινητήρα, την τεχνολογία σύνδεσης για ακραία υψηλή τάση, καθώς και τη διαχείριση της μπαταρίας και τον σχεδιασμό των συστημάτων. Από την εμπειρία αυτή, οι τεχνικοί στο τμήμα ανάπτυξης παραγωγής απέκτησαν σημαντική εμπειρία από το τετράθυρο πρωτότυπο Mission E που χρησιμοποιεί τεχνολογία 800 V. Από αυτό το πρωτότυπο θα προκύψει ένα αυτοκίνητο παραγωγής προς τα τέλη της δεκαετίας, το οποίο θα είναι και το πρώτο αποκλειστικά ηλεκτροκίνητο μοντέλο της Porsche.
