Il 919 è il laboratorio di prova per il livello di tensione che avranno i futuri sistemi ibridi.
Missione E: Il futuro sta sorgendo a Zuffenhausen...
Con la 919 Hybrid, Porsche ha sviluppato un nuovo settore tecnologico con l'obiettivo finale di applicarlo ai modelli sportivi di serie.
Per la "Mission E", un prototipo di auto sportiva da strada completamente elettrica presentato per la prima volta nel 2015 e che entrerà in produzione alla fine di questo decennio, i progettisti Porsche hanno adottato la tecnologia 800 Volt del modello da corsa originale.
Porsche ha esaurito tutte le possibilità nella progettazione della vettura che ha vinto due LeMans, soprattutto per quanto riguarda il gruppo propulsore. Si tratta del motore a benzina V4 turbo da due litri, il motore a combustione interna più efficiente che Porsche abbia mai costruito, e di altri due diversi sistemi di recupero dell'energia.
In fase di frenata, un generatore sull'asse anteriore converte l'energia cinetica dell'auto in energia elettrica.
Nel sistema di scarico diviso, una turbina aziona il turbocompressore e un'altra converte l'energia in eccesso in elettricità. L'energia di frenata contribuisce per 60%, mentre la restante 40% proviene dai gas di scarico. L'elettricità recuperata viene temporaneamente immagazzinata in una batteria agli ioni di litio e alimenta un motore elettrico quando necessario. In questo modo, ogni volta che il conducente desidera accelerare, sfrutta questa energia con un semplice interruttore. In base alle ultime modifiche normative, la potenza del motore a combustione interna è di poco inferiore a 500 CV (368 kW), mentre la potenza del motore elettrico supera di gran lunga i 400 CV (294 kW).
L'uso e l'uso combinato di queste due fonti di energia richiede una strategia ben progettata. A ogni frenata, l'energia viene sfruttata, cioè recuperata. Nel Gran Premio del Nürburgring, lungo 5,148 chilometri, questo avviene 17 volte al giro, prima di ogni curva. La quantità di energia recuperata dipende dalla forza di frenata o, in altre parole, dalla velocità con cui il pilota raggiunge la curva e da quanto stretta è la curva.
La frenata e il recupero di energia durano fino all'inizio di ogni curva, quando il pilota accelera di nuovo. In quel momento, l'obiettivo è quello di utilizzare la massima energia possibile. Il conducente preme quindi il pedale dell'acceleratore utilizzando l'energia del carburante e, allo stesso tempo, "attingendo" elettricità dalla batteria.
Mentre il motore a combustione interna aziona l'asse posteriore, il motore elettrico si occupa dell'asse anteriore. La 919 esce dalla curva senza la minima perdita di trazione, sfruttando le quattro ruote motrici, e allo stesso tempo recupera nuovamente energia, poiché nei rettilinei la turbina supplementare nel condotto di scarico lavora intensamente.
A regimi costantemente elevati, la pressione nel sistema di scarico aumenta rapidamente e aziona la seconda turbina, collegata direttamente a un generatore elettrico.
Entrambe le fonti di energia, tuttavia, sono soggette a restrizioni normative: il pilota non può utilizzare più di 1,8 litri di carburante per giro e più di 1,3 kilowattora (4,8 megajoule) di elettricità. Deve fare calcoli accurati in modo che alla fine del giro abbia utilizzato esattamente questa quantità, né più né meno.
Se ne usa di più, viene punito con una penalità. Se ne usa meno, la prestazione viene ridotta. Deve smettere di "tirare" l'energia e togliere il piede dall'acceleratore al momento giusto.
Nel giro di LeMans di 13,629 chilometri, utilizzato come modello in scala per il regolamento, la quantità di energia consentita è di 2,22 kilowattora. Ciò corrisponde a 8 megajoule ed è la categoria energetica più alta prevista dal regolamento.
Porsche è stato il primo e unico costruttore nel 2015 a osare spingersi così oltre i limiti. Nel 2016 anche Toyota è entrata nella classe degli 8 megajoule. Audi utilizza 6 megajoule. I regolamenti del WEC bilanciano quasi completamente queste differenze.
Nella scelta delle soluzioni tecnologiche che la Porsche 919 Hybrid avrebbe utilizzato, sono state esaminate attentamente le singole alternative. Senza dubbio, Porsche avrebbe utilizzato l'energia di frenata dell'asse anteriore, in quanto ciò avrebbe permesso di ottenere un'enorme quantità di energia da aree già parzialmente sfruttate con enormi progressi.
Per il secondo sistema, è stato considerato il caso del recupero di energia sull'asse posteriore o del recupero dei gas di scarico. La scelta dei gas di scarico è stata determinata da due fattori.
Nel caso del recupero dell'energia di frenata, il sistema deve essere in grado di recuperare l'energia in un tempo molto breve, il che significa che deve essere in grado di gestire grandi quantità di energia, ma con un peso maggiore. Le fasi di accelerazione, tuttavia, hanno una durata molto più lunga rispetto alle fasi di frenata, il che aumenta il tempo di recupero e consente al sistema di essere più leggero. Inoltre, il motore a combustione interna della 919 dispone già di un sistema di trazione sull'asse posteriore. Con una potenza ancora maggiore all'asse posteriore, aumenterebbe l'inefficiente rotazione delle ruote. Inoltre, ciò causerebbe una forte usura degli pneumatici.
La decisione più coraggiosa di Porsche per il sistema ibrido della 919 è stata probabilmente l'opzione 800 Volt. L'impostazione del livello di tensione è una decisione fondamentale nei sistemi di trazione elettrica. Influisce su tutto: progettazione della batteria, dell'elettronica, del motore elettrico e della tecnologia di ricarica. Porsche ha esaurito ogni margine possibile.
Era difficile trovare componenti per questa alta tensione, soprattutto un supporto di memorizzazione adatto.
Generatore a volano, supercondensatori o batteria? Porsche ha scelto una batteria agli ioni di litio raffreddata ad acqua, con centinaia di celle singole, ciascuna racchiusa in un involucro metallico cilindrico di 7 cm di altezza e 1,8 cm di diametro.
Sia in un'auto da strada che in un'auto da corsa, la densità di potenza e la densità di energia devono essere bilanciate. Più alta è la densità di potenza della cella, più velocemente l'energia può essere recuperata e rilasciata. L'altro parametro, la densità di potenza, determina la quantità di energia che può essere immagazzinata. Nelle corse, le celle - metaforicamente parlando - devono avere un'apertura enorme. Questo perché, non appena il pilota frena, ricevono un'enorme quantità di energia e, non appena il pilota la richiede, questa energia deve uscire dalle celle esattamente alla stessa velocità.
Un confronto per l'uso quotidiano: se una batteria agli ioni di litio scarica in uno smartphone avesse la stessa densità di potenza della batteria del 919, si ricaricherebbe completamente in meno di un secondo. Il rovescio della medaglia: Dopo una breve conversazione, la batteria si scaricherebbe di nuovo. Affinché la batteria dello smartphone duri giorni, la densità di potenza ha la priorità, il che implica la necessità di capacità.
In un'auto elettrica per uso quotidiano, la capacità si traduce in autonomia. In questo senso, i requisiti di un'auto da corsa sono diversi da quelli di un'auto elettrica da strada.
Con la 919, tuttavia, Porsche ha portato la gestione dei sistemi ibridi a livelli inimmaginabili. La 919 è il laboratorio di prova del livello di tensione che avranno i futuri sistemi ibridi. Durante il progetto LMP1 sono state acquisite importanti conoscenze fondamentali. Ad esempio, su argomenti quali il raffreddamento dell'accumulo di energia (batteria) e del motore elettrico, la tecnologia di connessione per l'alta tensione estrema, nonché la gestione della batteria e la progettazione del sistema. Da questa esperienza, i tecnici del reparto di sviluppo della produzione hanno acquisito una notevole esperienza grazie al prototipo Mission E a quattro porte che utilizza la tecnologia a 800 V. Questo prototipo si tradurrà in un'auto di produzione verso la fine del decennio, che sarà il primo modello completamente elettrico di Porsche.
