Квант силы

Это вновь произошло: инженерам Porsche в гоночном темпе удалось освоить сферу новой технологии. В рамках Mission E конструкторы делают ставку на технологию высокого напряжения в 800 вольт в системе Porsche 919 Hybrid.

Смелость — это еще и способность образно мыслить. Технический директор программы LMP1 Александер Хитцингер обладает высокой способностью, а также смелостью усовершенствовать в Porsche 919 Hybrid, победившем в Ле-Мане, всё, что только было можно. В первую очередь, концепцию привода. Для справки: на автомобиль устанавливается двухлитровый четырехцилиндровый бензиновый турбодвигатель, самый эффективный на сегодняшний день ДВС, созданный инженерами Porsche. На борту также имеются две различные системы рекуперации энергии.

При торможении кинетическая энергия на передней оси превращается в электрическую. В системе выпуска отработанных газов, помимо турбонагнетателя, есть вторая турбина, также трансформирующая избыточную энергию в электрическую. Доля энергии торможения составляет 60 %, а энергия от отработанных газов 40 %. Полученная электроэнергия накапливается в литий-ионном аккумуляторе и при необходимости (перед ускорением водитель нажимает на кнопку) питает электродвигатель. По словам Хитцингера, мощность двигателя внутреннего сгорания «существенно больше 500 л.с.», а мощность электродвигателя «значительно больше 400 л.с.».

Взаимодействие источников энергии требует продуманной стратегии. На гоночной трассе это работает так: при торможении аккумулируется энергия, далее следует ее воспроизводство. На каждом круге трассы Ле-Ман длиной 13,6 км это повторяется 38 раз, перед каждым поворотом. С различной интенсивностью, которая зависит от скорости выполнения маневра, т.е. от скорости входа в поворот и его крутизны. Вплоть до пика траектории поворота происходит торможение и процесс рекуперации энергии, затем гонщик вновь набирает скорость, и именно в этот момент ему требуется как можно больше мощности.

Гонщик полностью выжимает педаль газа, используя энергию топлива, и одновременно форсированно подключает накопленную электроэнергию. Усилие ДВС передается на задние колеса, электродвигатель же отвечает за привод передних колес. Иными словами, Porsche 919 Hybrid выходит из поворота на полном приводе, одновременно снова накапливается энергия. Особенно активно работает турбонагнетатель на сверхдлинной прямой Hunaudières, где 919 Hybrid мчится со скоростью более 330 км/ч. Вроде ничего сложного. Однако для обоих источников энергии предусмотрены ограничения: расход топлива не может превышать 4,65 л на круг, расход электроэнергии не выше 2,22 кВт/час.

Гонщику, следовательно, надо четко следить, чтобы в конце круга расход соответствовал нормативам, не превышал, но и не был бы меньше допустимых объемов. Задача повышенной сложности: за избыточный расход топлива штрафуют, а его уменьшение сказывается на ходовых качествах. Мастерство заключается в том, чтобы в нужный момент времени прекратить форсированную подачу электроэнергии к приводам и — тоже в нужный момент — слабее нажимать на педаль газа.

2,22 кВт электроэнергии это восемь мегаджоулей, что соответствует в регламенте высшему энергетическому классу. Porsche стал первым и в 2015 году единственным из автопроизводителей, который уложился в норматив. Audi и Toyota смогли продемонстрировать лишь четыре и шесть мегаджоулей, соответственно. Подобное достижение Porsche стало возможным благодаря смелым фундаментальным решениям.

«Выбор концепции был обусловлен тем, что альтернативы прорабатывались нами в деталях и по отдельности», объясняет Хитцингер. Что будет использоваться энергия торможения с передней оси, было ясно сразу. Это для инженера «элементарно»: значительное количество энергии вырабатывается частично на базе уже имеющихся знаний в сочетании с активизацией перспективных разработок. «В качестве вторичной системы рассматривалась рекуперация энергии торможения на задней оси или же рекуперация энергии отработанных газов». Два аспекта повлияли на выбор в пользу отработанных газов: вес и эффективность. «Использование торможения предполагает воспроизведение энергии за очень короткое время, т.е. приходится иметь дело с очень большой мощностью, а это значит: увеличивать вес. Фазы ускорения, наоборот, гораздо продолжительнее фаз торможения, и процесс рекуперации энергии здесь более длительный, что делает систему легче. «Кроме того», добавляет Хитцингер, «усилие двигателя внутреннего сгорания уже передается на заднюю ось. Дальнейшее увеличение передаваемого назад усилия могло бы стать причиной интенсивной пробуксовки колес». Это шло бы во вред эффективности и вело бы к износу покрышек.

Самым смелым принципиальным решением в гибрид-ной системе Porsche 919 была ставка на 800 вольт. «Установка напряжения — фундаментальная вещь для электропривода», подчеркивает Хитцингер. «Она касается и конструкции аккумулятора, и электроники, и электрических агрегатов, и технологии и инфраструктуры заряда. Здесь мы продвинулись вперед настолько, насколько это было вообще возможно».

В обычных и гоночных моделях необходимо принимать в расчет плотность мощности и плотность энергии. Чем больше плотность мощности отдельной ячейки, тем быстрее она заряжается и отдает энергию. Плотность же отражает тот объем энергии, которую можно накопить. В гонке, говоря образно, ячейка должна иметь огромное отверстие. В момент торможения в нее сразу же устремится энергия в огромном количестве. При форсаже энергозапас должен быть израсходован так же быстро. Для наглядности: если бы полностью разряженная литий-ионная батарея смартфона имела бы плотность мощности аккумулятора Porsche 919, то для полного заряда хватило бы 20 секунд. С другой стороны, короткий разговор — и весь заряд вновь израсходован. Для продолжительной работы смартфона без подзарядки первична плотность энергии или емкость аккумулятора. Для электромобиля в городе емкость аккумулятора — это запас хода. «В этом в потребности болида и городского электромобиля различаются», констатирует Хитцингер. «Разрабатывая 919-й, мы проникли в такие сферы управления гибридным приводом, которые до того трудно было себе представить».

В Mission E предусмотрены т.н. возбуждаемые от постоянных магнитов синхронные двигатели. Это как бы сводные братья моторно-генераторного модуля (MGU) прототипа, победившего в Ле-Мане. «919-й стал испытательной лабораторией для режима напряжения в гибридных системах», не без гордости подводит итог Хитцингер. На основе накопленного опыта разработчики серийных моделей и имели смелость представить концепт Mission E с технологией напряжения 800 вольт. Гоночные технологии для серии: это и есть идеальная командная работа à la Porsche.

Автор Хайке Хинцш
Фотографии Франк Кайзер/Porsche