Động cơ điện Porsche - Cực điểm công nghệ

Với hướng đi tiên phong của mẫu xe thể thao chạy điện Taycan, Porsche tiếp tục truyền thống không ngừng đổi mới của mình.

 

Khi nhấn hết chân ga của Taycan Turbo S, người ngồi trên xe có hàng ngàn lý do để chọn cho mình một vị trí ngồi ổn định. Cả người lái và hành khách như bị ép vào đệm ghế một cách nghẹt thở khi mẫu xe thể thao chạy điện này giải phóng mức mô-men xoắn cực đại 12.000 Nm trên cả bốn bánh cùng một lúc. Năng lượng tập trung được "xả" ra toàn bộ mà không có bất kỳ độ trễ nào, lực đẩy từ hai động cơ điện ở trục trước và sau hầu như không thay đổi cho đến khi đạt tốc độ tối đa.

Liều adrenaline này là hoạt chất trong công nghệ truyền động độc đáo của Porsche. Không phải ngẫu nhiên mà Viện Nghiên cứu và Tư vấn Chiến lược ô tô (CAM) nổi tiếng đã tuyên bố Taycan là mẫu xe sáng tạo nhất thế giới năm 2020. Tại Porsche, sự đổi mới luôn đồng nghĩa với việc đẩy công nghệ lên đỉnh cao. Trong trường hợp này, điều đó có nghĩa là khai thác tiềm năng của hệ truyền động điện theo cách mà chưa ai từng làm trước đây.

Động cơ dẫn động độc lập đặt tại các trục bánh xe từ Ferdinand Porsche

Không phải Porsche chỉ mới đưa ra khái niệm này gần đây, trên thực tế, nó đã có từ hơn 120 năm trước. Vào thời điểm đó, chàng thanh niên Ferdinand Porsche là người phát triển xe điện với động cơ độc lập ở các trục bánh xe đầu tiên trên thế giới. Những triển vọng của phương tiện di chuyển bằng điện mang lại đã thôi thúc khát vọng của Ferdinand Porsche, và chiếc xe đua của ông đã trở thành phương tiện chở khách có hệ dẫn động 4 bánh đầu tiên trên thế giới.

 

Các động cơ DC đơn giản của những năm trước từ lâu đã được thay thế bằng các máy móc phức tạp hơn. Tuy nhiên, nguyên tắc vật lý cơ bản dựa trên từ tính vẫn giữ nguyên. Một nam châm luôn có cực bắc và cực nam. Trái cực thì hút nhau, cùng cực thì đẩy nhau. Mặt khác, đây là những nam châm vĩnh cửu, dựa trên sự tác động lẫn nhau của các hạt cơ bản. Từ trường cũng phát sinh mỗi khi một điện tích di chuyển. Để khuếch đại điện từ trường, dây dẫn mang dòng điện trong động cơ điện được sắp xếp tạo thành một cuộn dây. Tùy thuộc vào thiết kế của động cơ. Nam châm điện và nam châm vĩnh cửu được bố trí trên hai bộ phận. Phần cố định được gọi là stator, phần quay là rotor, nó xoay khi lực hút và lực đẩy được tạo ra thông qua chu kỳ bật và tắt điện áp.

Động cơ điện sử dụng nam châm vĩnh cửu (PSM) thay vì động cơ không đồng bộ (ASM)

Không phải loại động cơ điện nào cũng thích hợp để trang bị trong xe hơi. Porsche sử dụng động cơ kích thích vĩnh viễn (PSM). So với kết cấu rẻ hơn được sử dụng nhiều là động cơ không đồng bộ (ASM) thì PSM cho hiệu năng cao hơn vì nó ít nóng và ổn định hơn do đó không phải giảm tốc. PSM của Porsche được ứng dụng và điều khiển thông qua thiết bị điện tử với điện áp xoay chiều ba pha: tốc độ của động cơ được xác định bởi tần số điện áp xoay chiều dao động quanh điểm 0 từ âm đến dương. Trong những động cơ của Taycan, bộ biến tần thiết lập tần số của trường quay trong stator qua đó điều chỉnh tốc độ của rotor.

 

Rotor gắn nam châm vĩnh cửu chất lượng cao với hợp kim neodymium-sắt-boron được từ hóa vĩnh viễn trong quá trình sản xuất nhờ từ trường định hướng mạnh. Các nam châm vĩnh cửu cũng cho phép thu hồi năng lượng ở mức độ rất cao thông qua quá trình phanh. Ở tốc độ quá cao, động cơ điện chuyển sang chế độ phục hồi trong khi nam châm cảm ứng điện áp và dòng điện vào cuộn dây stator. Hiệu suất phục hồi của động cơ điện Porsche là tốt nhất trong số các đối thủ.

Cuộn dây dạng kẹp tóc: một đặc điểm đặc biệt ở động cơ Taycan

Tại Porsche, công nghệ luôn được đẩy đến những giới hạn của nó. Điểm này thể hiện rõ ở một thiết kế đặc biệt của động cơ Taycan, được gọi là cuộn dây kẹp tóc. Ở đây, các cuộn dây của stator gồm các dây hình chữ nhật thay vì hình tròn. Không giống như các quy trình quấn cổ điển khi dây đồng được lấy từ một cuộn vô tận, công nghệ kẹp tóc này được gọi là quy trình lắp ráp theo tạo hình. Các sợi dây đồng hình chữ nhật được chia thành các đoạn riêng lẻ và được uốn thành hình chữ U, tương tự như một chiếc kẹp tóc. Các "cặp tóc" riêng lẻ được lắp vào các lớp của stator, trong đó cuộn dây được gắn sao cho các bề mặt của mặt cắt ngang hình chữ nhật nằm chồng lên nhau.

 

Lợi thế quyết định của công nghệ "kẹp tóc" là có thể xếp các dây đồng dày hơn qua đó tăng thêm đồng vào stator. Trong khi các phương pháp quấn dây thông thường có mật độ dây đồng khoảng 50%, thì công nghệ mà Porsche sử dụng có hệ số lấp đầy gần 70%. Điều này làm tăng công suất và mô-men xoắn với cùng một không gian lắp đặt. Các đầu của cặp tóc được hàn với nhau bằng tia laser, tạo ra cuộn dây. Một ưu điểm quan trọng khác là sự tiếp xúc đồng nhất giữa các dây đồng liền kề giúp cải thiện khả năng truyền nhiệt và stator kẹp tóc được làm mát hiệu quả hơn nhiều. Động cơ điện chuyển đổi hơn 90% năng lượng thành sức đẩy. Nhưng cũng giống như trong động cơ đốt trong, năng lượng hao hụt chuyển hóa thành nhiệt phải được tiêu tán.

 

Cực điểm chuyên môn của Porsche trong lĩnh vực biến tần xung

 

Để điều khiển đúng quá trình động cơ đồng bộ được kích thích vĩnh viễn thì thiết bị điện tử phải biết chính xác vị trí góc của rotor. Đây là nhiệm vụ dành cho bộ giải góc rotor, gồm một đĩa rotor làm bằng kim loại dẫn điện trường, một cuộn dây kích từ và hai cuộn dây nhận. Cuộn dây kích từ tạo ra một từ trường truyền qua bộ mã hóa đến các cuộn dây nhận. Điều này tạo ra điện áp trong các cuộn dây nhận, vị trí pha của chúng được dịch chuyển tỷ lệ với vị trí rotor. Theo đó, hệ thống điều khiển có thể sử dụng thông tin này để tính toán vị trí góc chính xác của rotor. Hệ thống điều khiển hay còn gọi là bộ biến tần xung này là đỉnh cao chuyên môn của Porsche. Nó có nhiệm vụ biến đổi dòng điện một chiều của pin ở 800V thành dòng điện xoay chiều và cung cấp cho hai động cơ điện.

 

Porsche là nhà sản xuất đầu tiên sử dụng mức điện áp 800V. Ban đầu được phát triển cho xe đua Porsche 919 Hybrid, mức điện áp này giúp giảm trọng lượng và không gian lắp đặt trong quá trình sản xuất hàng loạt nhờ dây cáp gọn gàng hơn, đồng thời cho thời gian sạc ngắn hơn. Những động cơ điện đạt mốc 16.000 vòng/phút. Để tận dụng tối ưu dải tốc độ này và lan tỏa màu sắc đặc trưng của Porsche giữa động lực học, hiệu suất và tốc độ tối đa, các bộ truyền động ở trục trước và sau đều có hộp số riêng. Taycan là chiếc xe thể thao chạy điện đầu tiên sở hữu hộp số hai bánh răng có thể chuyển số ở trục sau, với số đầu tiên có tỷ số truyền rất ngắn. Trong khi ở trục trước, một bộ bánh răng hành tinh sẽ truyền lực kéo đến các bánh xe.

Những điều kể trên kết hợp với nhau mang lại cho Taycan Turbo S sức mạnh vượt trội. Ở cầu trước, tỷ số truyền chuyển 440 Nm do động cơ điện tạo ra thành khoảng 3.000 Nm ở bánh xe. Đồng thời 610 Nm từ động cơ ở cầu sau được nhân lên ở cấp số đầu thành khoảng 9.000 Nm. Hộp số thứ hai có tỷ số dài hơn có nhiệm vụ đảm bảo hiệu suất và dự trữ năng lượng ở tốc độ cao. Đây là công nghệ tiên phong, được áp dụng tỉ mỉ đến từng chi tiết nhỏ nhất và là sự tiếp nối cho truyền thống không ngừng đổi mới của Porsche trong thời đại truyền động điện.