Híbridos y Eléctricos

ASÍ ES UN SISTEMA DE 800 VOLTIOS

Los motores, el inversor y la transmisión del Taycan lo convierten en un auténtico “Porsche”

El Porsche Taycan cuenta con dos motores eléctricos de imanes permanentes con bobinado en horquilla, controlados por el inversor de modulación de pulso, cuya potencia se transmite mediante una transmisión de dos velocidades para alcanzar 12.000 Nm de par instantáneos en las ruedas.

Mecanica Porsche Taycan
La mecánica eléctrica del Porsche Taycan adaptado a un sistema eléctrico de 800 voltios.

El Porsche Taycan Turbo S es la versión más potente y deportiva de las cuatro que forman la gama que ofrece el fabricante alemán a sus clientes. Un coche eléctrico que representa la transformación más importante de su historia y en el que ha puesto toda su experiencia para que quien lo conduzca siga sintiendo que viaja en un Porsche. Su tren motriz es capaz de generar un par motor en las ruedas que alcanza los 12.000 Nm, instantáneos hasta alcanzar la velocidad máxima, una cifra abrumadora que aplasta literalmente al conductor y a los pasajeros contra sus asientos. ¿Cómo logra Porsche estas sensaciones?

El Porsche Taycan Turbo S cuenta bajo su carrocería con dos motores eléctricos síncronos de imanes permanentes. El delantero es capaz de generar 192,4 kW (258 CV) y 440 Nm, mientras que el trasero puede alcanzar los 379 kW (508 CV) y 610 Nm de par. Gracias a esta configuración y al trabajo de los ingenieros de Porsche el Center of Automotive Management (CAM) nombró al Taycan el "Modelo más innovador del año 2020".

Principios básicos de un motor eléctrico

Para mover un vehículo eléctrico no vale cualquier motor. Hace más de 120 años, un joven llamado Ferdinand Porsche desarrolló sus primeros vehículos eléctricos con motores en las cuatro ruedas. Su coche de carreras e convirtió en el primer automóvil con tracción total del mundo. Sin embargo, la tecnología ha evolucionado y los sencillos motores de corriente continua de entonces, hace tiempo que fueron sustituidos por máquinas altamente sofisticadas, de corriente alterna, con imanes permanentes o con excitación externa, aunque todo ellos mantienen el mismo principio físico para funcionar: el magnetismo. Un imán siempre se compone de un polo norte y un polo sur, los polos distintos se atraen y los polos iguales se repelen.

Motor eléctrico de Porsche

Motor eléctrico del Porsche Taycan.

Los motores de imanes permanentes utilizan tierras raras con esta propiedad en su naturaleza química. La excitación externa logra este mismo efecto haciendo que las cargas eléctricas se muevan y generen un campo magnético. Para amplificarlo el cableado se dispone en forma de bobina creando un electroimán. Estos o los imanes permanentes se colocan en el rotor, la parte móvil del motor que junto a la parte fija o estátor componen un motor eléctrico. La conexión y desconexión sucesiva de la tensión eléctrica crea fuerzas de atracción y repulsión que generan el movimiento de rotación.

¿Motor síncrono o motor asíncrono, cual es mejor?

En lugar de usar motores asíncronos (ASM), más rentables, Porsche emplea motores eléctricos síncronos (PSM) de imanes permanentes que incorporan, incrustados en su rotor, imanes creados a base de aleaciones de neodimio, hierro y boro, que se magnetizan permanentemente en el proceso de fabricación mediante un fuerte campo magnético direccional. Gracias a ellos, no necesitan excitación externa, ni escobillas, para generar el campo magnético en el rotor. La densidad de flujo es una propiedad de estos imanes que se aprovecha para la generación de energía que genera el movimiento. Su principal característica es que, tras haber sido magnetizados, retienen sus líneas de flujo, de forma similar a las baterías en las que se mueven las cargas eléctricas.

Volante de inercia Motor eléctrico de Porsche

Estátor de los motores eléctrico del Porsche Taycan.

Este tipo de motor ofrece un mayor rendimiento de manera continua gracias a una menor tasa de calentamiento. El motor PSM de Porsche emplea corriente alterna trifásica cuyas características se regulan mediante la electrónica de potencia. La variación de la frecuencia que fluctúa de menos a más en torno al punto cero, determina las revoluciones del motor. El inversor ajusta la frecuencia del campo giratorio en el estátor de los motores del Taycan regulando la velocidad del rotor.

Los imanes permanentes también permiten una recuperación de energía muy alta durante el frenado. En retención, el motor eléctrico pasa al modo regenerativo y permite que los imanes induzcan tensión y corriente en el bobinado del estátor.

Bobinado en horquilla, la clave de la densidad de potencia

Los motores del Porsche Taycan emplean una nueva técnica de bobinado llamada “en horquilla” mediante la cual, en lugar de emplear cableados de sección cilíndrica se usan alambres de sección rectangular. A diferencia de los procedimientos tradicionales, esta tecnología de horquilla emplea un proceso de montaje basado en la conformación. Esto quiere decir que el alambre de cobre de corte rectangular se divide en secciones individuales y se dobla en forma de “U". Cada una de esas "horquillas" resultantes tiene una superficie rectangular y actúa como una grapa que apoya en la siguiente a la que se suelda mediante láser. Ahí es donde reside la gran ventaja de este sistema de bobinado, pues permite introducir más cantidad de cobre en el estátor.

Estátor Motor eléctrico de Porsche

Estátor de los motores eléctrico del Porsche Taycan.

Con esta técnica se pasa de un factor de relleno de cobre de aproximadamente el 50% a un 70%, lo que permite aumentar las cifras de potencia y par motor en el mismo espacio de montaje. Además el contacto homogéneo entre el cobre mejora la transmisión de calor y permite una refrigeración más eficiente. Si bien los motores eléctricos logran alcanzar eficiencias de hasta un 90%, en ellos, al igual que en los de combustión interna, también hay pérdidas que son mayores cuanto más se dificulta la disipación del calor. Por esa razón, los motores eléctricos llevan una camisa de agua para aumentar su refrigeración.

El inversor con modulación de pulso: el secreto mejor guardado

Los motores síncrono de excitación permanente del Taycan tienen que decirle a la electrónica de potencia la posición angular exacta del rotor para que esta pueda controlar su velocidad. Aquí es donde entra en juego un dispositivo llamado “resolver” compuesto por un rotor hecho de metal conductor, una bobina de ataque y dos bobinas receptoras. La bobina de ataque genera un campo magnético que se transmite a las bobinas receptoras a través de un codificador. Eso hace que en las bobinas receptoras se induzca una tensión cuya posición se ajusta en base a la posición del rotor. A partir de esta información, el sistema de control puede calcular la posición angular exacta del rotor.

El inversor con modulación del pulso se encarga de convertir la corriente continua de la batería (800 voltios) en corriente alterna y de suministrar esta corriente a los dos motores eléctricos. En este dispositivo se concentra el saber y la experiencia de Porsche, puesto que ningún fabricante había implementado hasta convertir un nivel de tensión de 800 voltios. Esa experiencia proviene del Porsche 919 Hybrid, que debutó en el Campeonato Mundial de Resistencia de 2014, pionero en el empleo de un sistema de 800 voltios que ahora en el Taycan se fabrica en serie.

El resultado en la experiencia de conducción

Los sistemas de 800 voltios permiten reducir el peso del cableado y el espacio de montaje y permiten acortan los tiempos de recarga de la batería. Los motores eléctricos alcanzar velocidades de giro de hasta 16.000 rpm, combinando dinamismo, eficiencia y prestaciones, que es el resultado que Porsche necesitaba para que el Taycan “pareciera” un Porsche.

Transmisión Motor eléctrico de Porsche

Transmisión de dos velocidades del motor eléctrico trasero del Porsche Taycan.

El Taycan es el primer deportivo eléctrico que tiene en el eje trasero una caja de cambios de dos marchas, de las cuales, la primera es muy corta. En el eje delantero, la fuerza es transmitida a las ruedas por un engranaje planetario de una sola marcha. Con esta combinación mecánica, en el eje delantero, la transmisión de una sola relación multiplica los 440 Nm de par máximo del motor, hasta convertirlos en cerca de 3.000 Nm a las ruedas. En el eje trasero, la primera marcha convierte los 610 Nm en aproximadamente 9.000 Nm a las ruedas, mientras que la segunda marcha sirve para garantizar la eficiencia a alta velocidad.

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