Porsche 919 Hybrid. Jak działa napęd hybrydowy?

Dzięki 919 Hybrid inżynierowie Porsche z wyścigową prędkością rozwinęli skrzydła w nowej dziedzinie techniki. Zastosowany w prototypie układ 800 V trafił do zaprezentowanego w 2015 roku modelu Mission E – w pełni elektrycznego, zbudowanego z myślą o produkcji seryjnej prototypu samochodu sportowego. Przy projektowaniu dwukrotnego triumfatora Le Mans wyczerpano wszystkie dostępne możliwości, zwłaszcza jeśli chodzi o koncepcję zespołu napędowego. Składa się on z 2-litrowego, benzynowego silnika V4 turbo, najefektywniejszej jednostki spalinowej w historii Porsche, oraz dwóch różnych systemów odzyskiwania energii.

W czasie hamowania generator przy przedniej osi zamienia energię kinetyczną samochodu w energię elektryczną. W rozdzielonym układzie wydechowym jedna turbina napędza turbosprężarkę, a druga nadmiar spalin wykorzystuje do produkcji prąd. Z hamowania pochodzi 60%, a ze spalin – kolejne 40% łącznej ilości odzyskiwanej energii. Do jej przechowywania służy akumulator litowo-jonowy, który na życzenie zasila jednostkę elektryczną. „Na życzenie” oznacza, że kierowca chce przyspieszyć i zgłosi zapotrzebowanie na energię elektryczną, naciskając odpowiedni przycisk. Zgodnie z najnowszymi przepisami, spalinowy silnik 919 Hybrid osiąga moc niespełna 500 KM (368 kW), a jednostka elektryczna - znacznie ponad 400 KM (294 kW).

Wykorzystanie i współpraca tych dwóch źródeł energii wymaga zastosowania wyrafinowanej strategii. Energia jest generowana – czyli odzyskiwana – podczas każdego hamowania. W przypadku liczącej 5,148 km długości pętli Grand Prix na Nürburgringu kierowca wciska pedał hamulca 17 razy, przed każdym zakrętem. Ilość pozyskanej energii zależy od stopnia intensywności hamowania lub, innymi słowy, od prędkości, z jaką prototyp zbliża się do łuku, oraz od jego promienia. Proces hamowania (i rekuperacji) trwa aż do wierzchołka zakrętu, gdy znów zaczyna się faza przyspieszania. W tym momencie celem jest wykorzystanie jak największej ilości energii – kierowca wciska więc gaz, polegając na energii pochodzącej z benzyny, a równocześnie naciska guzik „doładowania” i uzyskuje dodatkową siłę napędową z energii elektrycznej.

Podczas gdy silnik spalinowy napędza tylne koła, jednostka elektryczna wprawia w ruch koła przedniej osi. Korzystając z napędu obu osi, „919” wystrzeliwuje z zakrętu niczym z katapulty, bez żadnej utraty przyczepności – a w tym czasie znowu odzyskuje energię dzięki dodatkowej turbinie w układzie wydechowym. Przy stałym utrzymaniu wysokiej prędkości obrotowej silnika ciśnienie w wydechu znacznie wzrasta i napędza drugą turbinę, bezpośrednio połączoną z prądnicą. Oba źródła energii są jednak ograniczone obowiązującymi przepisami: na każde okrążenie kierowca nie może zużyć więcej niż 1,8 l paliwa i 1,3 kWh (4,68 MJ) prądu. Musi to starannie wyliczać, tak by na końcu każdego „kółka” skonsumować dokładnie taką ilość energii – ani mniej, ani więcej. W odpowiednim momencie powinien więc zaprzestać używać „doładowania” za pomocą silnika elektrycznego i unieść nieco prawą stopę. Ten, kto przekroczy dopuszczalne limity, zostanie ukarany. A kto zużyje mniej, traci na osiągach.

W przypadku wzorca, którym kierują się aktualne regulacje WEC – 13,629-kilometrowego okrążenia Le Mans – prototyp może wykorzystać 2,22 kWh energii, czyli 8 MJ. To najwyższa klasa energetyczna określona w przepisach. Firma Porsche jako pierwszy producent (a w 2015 roku jedyny) odważyła się sięgnąć tego limitu. W tym roku w klasie 8 MJ rywalizuje również Toyota, Audi korzysta z 6 MJ. Regulacje WEC niemal całkowicie równoważą te różnice.

Przy wyborze koncepcji 919 Hybrid inżynierowie Porsche kompleksowo przeanalizowali poszczególne alternatywy. Nie ulegało wątpliwości, że wykorzystają energię hamowania z przedniej osi – co oznacza dużą ilość energii pochodzącą z obszarów, które były już częściowo zaprojektowane. Jako drugi system rozważano wykorzystanie energii hamowania z tylnej osi lub ze spalin. O wyborze zadecydowały tu dwa czynniki: po pierwsze masa, po drugie wydajność. Przy rekuperacji energii podczas hamowania system odzyskuje ją błyskawicznie i w dużych ilościach, ale kosztem wagi. Fazy przyspieszania są jednak znacznie dłuższe niż hamowania, co pozwala gromadzić energię przez dłuższy czas i zmniejszyć masę układu – zwłaszcza że z tyłu 919 Hybrid pracuje już silnik spalinowy. Dodatkowa siła napędowa na tylnej osi mogłaby powodować niekorzystny poślizg kół i prowadzić do przyspieszonego zużycia ogumienia.

Prawdopodobnie najodważniejszą decyzją Porsche w przypadku hybrydowego zespołu „919” było postawienie na system 800 V. Ustalenie poziomu napięcia jest fundamentalną decyzją w przypadku układów napędu elektrycznego – decyduje niemal o wszystkim, od projektu akumulatora i elektroniki przez jednostkę elektryczną aż po technologię ładowania. Porsche posunęło się tu tak daleko, jak to tylko możliwe.

Niełatwo było znaleźć podzespoły odpowiednie dla tak wysokiego napięcia, w szczególności odpowiednie nośniki. Prądnica oparta na kole zamachowym, superkondensatory czy akumulator? Porsche wybrało chłodzony cieczą akumulator litowo-jonowy z setkami pojedynczych ogniw, każde zamknięte w osobnej, wykonanej z metalu cylindrycznej kapsule o wysokości 7 cm i średnicy 1,8 cm.

Zarówno w autach seryjnych, jak i w samochodach wyścigowych trzeba zrównoważyć gęstość mocy oraz gęstość energii. Im wyższa gęstość mocy ogniwa, tym szybciej można ładować i pobierać energię. Inny parametr - gęstość energii - określa z kolei ilość energii, którą można przechowywać. W świecie wyścigów ogniwa - mówiąc obrazowo – powinno być bardzo „przepustowe”, ponieważ gdy tylko kierowca zaczyna hamować, do akumulatora trafia znaczna ilość energii, a gdy przyspiesza, w tym samym czasie energia musi popłynąć do silnika. Można to porównać do sytuacji z życia codziennego: gdyby wyczerpana bateria litowo-jonowa smartfona miała tę samą gęstość mocy co akumulator 919 Hybrid, jej naładowanie nie zajęłoby nawet jednej sekundy. Minus: wystarczyłaby krótka rozmowa i bateria znów by się wyczerpała. Ponieważ smartfony pracują w innych warunkach, w ich przypadku priorytetem jest gęstość energii, czyli pojemność.

W seryjnym aucie elektrycznym pojemność przekłada się na zasięg – w związku z tym wymagania przy jego projektowaniu są inne niż w przypadku samochodu wyścigowego. W zarządzaniu hybrydowym układem napędowym 919 Hybrid inżynierowie Porsche osiągnęli jednak niewyobrażalny dotąd poziom. Prototyp służy jako jeżdżące laboratorium do testowania poziomu napięcia przyszłych zespołów hybrydowych. Dzięki programowi LMP1 pozyskano kluczową wiedzę w tym zakresie – dotyczącą kwestii takich jak chłodzenie akumulatora i silnika elektrycznego, technologia podłączania elementów układu wysokiego napięcia, zarządzania energią czy projektowania całego układu. Koledzy z działu rozwoju aut seryjnych wykorzystali te doświadczenia przy budowie 4-drzwiowego prototypu Mission E z technologią 800 V. Do końca dekady z koncepcyjnego wozu powstanie pierwszy w pełni elektryczny model Porsche.