Tajemství závodního hybridního Porsche
Jak pracuje hybridní technika v závodním voze Porsche LMP1
Tento víkend se Porsche 919 Hybrid představily poprvé na okruhu Nürburgring. Vyhrály tam čtvrtý závod vytrvalostního mistrovství světa FIA World Endurance Championship. Porsche jako vedoucí tým bojuje o další body při obhajobě titulu mistrů světa z roku 2015. Současně tato mise přináší vývoj pokrokové technologie pro sériové sportovní automobily budoucnosti.
Porsche s vozem 919 Hybrid vyvinulo zcela novou oblast techniky. Bylo to doslova v závodním tempu! Pro Mission E, plně elektrický koncept sportovního silničního automobilu, představený loni ve Frankfurtu, převzali konstruktéři 800-Voltovou techniku ze závodního prototypu. Porsche využilo veškeré možnosti v konstrukci dvojnásobného vítěze závodu 24 hodin Le Mans, zejména pokud jde o koncepci pohonu. Ta sestává ze dvou odlišných systémů rekuperace a také zážehového dvoulitrového vidlicového čtyřválce, přeplňovaného turbodmychadlem. Jde o vůbec nejúčinnější spalovací motor, jaký dosud v Porsche postavili.
Zabudovaný generátor na přední nápravě při brzdění přeměňuje kinetickou energii na energii elektrickou. V rozděleném výfukovém systému jedna turbína roztáčí plnicí turbodmychadlo motoru. Druhá turbína přeměňuje nadbytečnou energii z výfukových plynů rovněž na energii elektrickou. Brzdná energie tak představuje 60 procent rekuperace. Zbývajících 40 procent se získává z druhé turbíny. Rekuperovaná energie se krátkodobě ukládá v akumulátoru Li-ion a podle potřeby roztáčí přídavný trakční elektromotor. „Podle potřeby“ znamená, že chce-li řidič zrychlit, uvolní energii z akumulátorů. Prostě stiskne příslušné tlačítko. V souladu s platnými předpisy je výkon spalovacího motoru něco málo pod 500 k (368 kW), ale výkon elektromotoru přesahuje 400 k (294 kW).
Vzájemná součinnost dvojice zdrojů energie vyžaduje chytrou strategii. V každé fázi brzdění se totiž získává energie. Tedy se rekuperuje. Na 5148 metrů dlouhém okruhu Nürburgring Grand Prix se to stane sedmnáctkrát v každém kole. Vlastně je to vždy při brzdění do zatáčky. Množství získané energie je dané intenzitou brzdění. Jinými slovy tedy tím, jak rychle se jezdec blíží do zatáčky, a také tím, jak je zatáčka ostrá. Brzdění a rekuperace trvá až k vrcholu (apexu) každé zatáčky. Tedy do doby, než jezdec znovu zrychluje. V tu chvíli je cílem využít maximální množství energie, co je k dispozici. Řidič nejen stlačí plynový pedál až na podlahu (maximální množství energie z paliva), ale využije elektrické energie z akumulátoru.
Zážehový motor pohání kola zadní nápravy, elektromotor se stará o pohon přední nápravy. Oba katapultují Porsche 919 Hybrid ze zatáčky bez jakékoli ztráty trakce, jde o pohon všech kol. Na rovince se opět rekuperuje energie, tentokrát turbínou ve výfukovém systému, která už běží naplno. Při trvale vysokých otáčkách motoru se rychle zvyšuje tlak ve výfukovém potrubí. Roztáčí tuto druhou turbínu, spojenou přímo s generátorem elektrické energie. Oba zdroje jsou však omezeny předpisy FIA. Závodník může využít nejvíce 1,8 litru benzinu na jedno kolo. Zároveň ve stejném kole nesmí překročit spotřebu 1,3 kWh (4,68 Megajoulu) energie. Musí tedy zvážit, aby na okruhu využil přesně definované množství energie. Nikoli více, nikoli méně. Ten, kdo překročí limity, je penalizován; ten, kdo využije méně, ztrácí výkon. Závodník musí přerušit využití elektrické podpory a povolit plynový pedál v potřebném čase.
Pro klasický okruh v Le Mans o délce 13 629 metrů, který je základem příslušných předpisů, to značí povolenou elektrickou energii do 2,22 kWh. Odpovídá to 8 Megajoulům, což je nejvyšší energetická třída, zavedená ve vytrvalostních závodech FIA WEC. Porsche bylo prvním, a v sezoně 2015 jediným výrobcem, který využil nejvyšší třídy. Ta posunula limity rekuperace nejdále. V roce 2016 vstoupila také Toyota do nejvyšší třídy 8 Megajoulů, zatímco u Audi používají jen 6 Megajoulů. Předpisy FIA WEC ovšem téměř zcela vyrovnávají rozdíly kategorií, aby byla zajištěny srovnatelné výkony soupeřů.
Při volbě koncepce pro Porsche 919 Hybrid byly důkladně prozkoumány všechny možnosti. Nebylo pochyb o tom, že Porsche využije brzdnou energii na přední nápravě. Ta představuje značný podíl ze známých způsobů rekuperace. Skýtá také velké možnosti vývoje. Ze dvou dalších systémů rekuperace brzdné energie vzadu, anebo využití energie výfukových plynů, volili u Porsche druhou možnost. Byly k tomu dva důvody. Především nižší hmotnost systému a jeho větší účinnost s delší dobou využití. Fáze zrychlování při závodě jsou mnohem delší než fáze brzdění. Znamená to delší periody rekuperace, nemluvě o již zmíněné nižší hmotnosti. K volbě přispělo i to, že 919 Hybrid je již koncipován s pohonem zadní nápravy zážehovým motorem. Více výkonu na zadní nápravě by vedlo k problémům s přenosem točivého momentu na zadní kola. Při jejich větším prokluzu by totiž docházelo k rychlému snížení životnosti pneumatik.
Rozhodně nejodvážnější volbou byl přechod na hybridní systém s provozním napětím 800 Voltů. Stanovení napěťové hladiny je základním počinem při návrhu elektrické poháněcí soustavy. Ovlivňuje vše ostatní – konstrukci akumulátoru i elektromotoru, řídicí elektroniku a techniku dobíjení. Proto u Porsche posunuli hodnotu napětí co nejvýše. Samozřejmě bylo velmi složité najít díly pro tuto vysokonapěťovou soustavu. Zvláště pak vhodnou akumulaci energie, ale podařilo se. Setrvačníkový mechanický akumulátor, superkondenzátory nebo vyspělé elektrochemické akumulátory? U Porsche sáhli po kapalinou chlazených akumulátorech Li-ion. Ty jsou složeny ze stovek individuálních článků. Každý má vlastní kovový plášť válcového tvaru o průměru 1,8 centimetru a je sedm centimetrů vysoký.
Porsche 919 Hybrid
Jak v silničním, tak v závodním automobilu, musí být hustota výkonu a hustota energie akumulátorů vyváženy. Znamená to, že čím vyšší je hustota výkonu článku, tím rychleji může být nabíjen i vybíjen. Další vlastnost, hustota energie, určuje množství energie, jež se akumuluje. V závodním voze musí články pracovat velmi rychle. Jakmile závodník brzdí, velké množství energie vzniká a ukládá se v článcích. Jakmile zrychluje, podpora elektrickou energií z článků musí být stejně rychlá. Jednoduché je srovnání z praktického života. Pokud by prázdná baterie v mobilním telefonu měla stejnou hustotu výkonu jako v závodním voze 919 Hybrid, musela by se kompletně nabít rychleji než za jedinou sekundu! Jenže po krátkém hovoru by byla hned prázdná. A protože chytrý telefon musí fungovat několik dnů, prioritou je hustota energie. A ta znamená vyšší kapacitu!
V elektrickém automobilu pro každodenní použití určuje kapacita dojezd. Samozřejmě na jednu náplň akumulátorů. Proto jsou požadavky na závodní automobil a elektromobil pro běžný provoz velmi rozdílné. Řešení pro Porsche 919 Hybrid však dosahuje oblastí hybridního managementu, jaké byly dříve nepředstavitelné. A proto je tento závodní vůz zkušební laboratoří vysokonapěťových systémů. Výsledky poslouží pro budoucí hybridní pohonné jednotky. Důležité základní poznatky byly objeveny právě v závodním programu LMP1. Patří k nim chlazení akumulátorů i elektrického motoru, technika propojení při extrémně vysokém napětí a management akumulátorů. Je zřejmé, že kolegové konstruktérů závodního vozu ve vývoji produkčních automobilů získali nové zkušenosti i pro čtyřdveřové koncepční Porsche Mission E. Z tohoto konceptu s technologií 800 Voltů vznikne sériový automobil pro běžný provoz. Objeví se na trhu koncem desetiletí jako první čistě elektricky poháněné Porsche.
