OOG VOOR TECHNIEK

Porsche Taycan: Snel rijden, snel laden

Extreme prestaties

Als Porsche een elektrische auto op de markt brengt, verwacht je geen stadsautootje. Dat is de Taycan dan ook niet. In de lauch controlmodus beschikt de Turbo S (rare naam voor een e-auto trouwens) over 761 pk. De auto snelt daarmee naar 100 in 2,8 seconde. Tot 200 kost nog geen 7 tellen extra. “En”, benadrukt Otmar Bitsche, “Die prestaties zijn herhaalbaar.” In een test (bij 28 °C buitentemperatuur) deed de auto die acceleratie tot 200 km/u maar liefst 26 keer achter elkaar in 10 seconden.

PMS-motoren passen bij Porsche

Zowel op de voor- als de achteras heeft de Taycan een Permanent magneet Synchrone Motor. Die permanente magneten zijn ook meteen het nadeel van zo’n PSM-Motor. Ze zitten in de rotor (die met de uitgaande as verbonden is) en ze bevatten neodymium, een zeldzaam-aardmetaal dat schaars en duur is. Een veel gebruikt alternatief is de ASynchrone wisselstroomMotor. 

Zo’n ASM is mag dan goedkoper zijn, hij is ook zwaarder, groter, heeft een lager rendement én is lastiger te koelen. In de ASM-motoren van de e-tron koelt Audi ook de rotor (zie AMT-eXtra), terwijl Porsche hier volstaat met statorkoeling. “Daarom hebben wij de meerprijs van de magneten er graag voor over”, zegt Bitsche.

Porsche vergrootte de vermogensdichtheid nog eens door een afwijkende wikkeltechniek voor het koperdraad in de stator te gebruiken. Die ‘hairpin-techniek’ zorgt voor minder lucht tussen de wikkelingen. “70 % koperdichtheid tegen 45 % normaal”, zegt Bitsche.

Twee keer PSM
Overigens zie je bij 4WD e-auto’s meestal een ASM op één van de assen (zie de ID.3 in AMT-eXtra). Reden: als de stator niet bekrachtigd wordt, geeft een ASM ook geen weerstand. Bij de Taycan speelt dat niet, die is permanent vierwielaangedreven. Wel levert de motor op de achteras normaalgesproken een groter deel van het koppel. Maximaal 400 Nm voor tegen 550 Nm achter.

Maximum vermogen van beide motoren: 190 kW en 335 kW. Tijdens launch control leveren ze samen kortstondig nog eens 100 Nm en 100 kW extra. En ook niet onbelangrijk, tijdens remmen op de motor kunnen ze maximaal 265 kW aan de batterij terugleveren. Ze verzorgen remvertragingen tot 3,8 m/s2Beide motoren hebben hun eigen inverter. Die zet de 800 V gelijkspanning uit de batterij om in wisselspanning. Of andersom tijdens regeneratief remmen. 

Twee transmissies

De motoren op voor en achteras draaien beide maximaal 16.000 t/min. Om die reden zit er coaxiaal tegen de motor op de vooras een transmissie (en differentieel) met een vaste overbrengingsverhouding van circa 8:1. Daarmee bereikt de motor zijn maximum toerental bij 270 km/u. Dat is 10 km/u boven de opgegeven topsnelheid.Tegen de motor op de achteras is een tweetraps, drieassige versnellingsbak met meervoudige plaatkoppeling en elektronisch gestuurd sperdifferentieel aangebouwd.

De overbrengingsverhouding in twee is hetzelfde als die op de vooras, maar in één gaat die naar 15:1. Daarmee komt het maximale koppel aan de 21 inch wielen op beide assen samen op bijna 12.000 Nm. Zoveel koppel maakt die extreme versnelling naar 100 km/u mogelijk. Met de kick-down in de Sport Plus-modus schakelt de bak net boven de 100 km/u naar twee. In de Range-modus trekt de Taycan op in twee.Voor de statistici: frontmotor, inverter en transmissie wegen samen 76 kg, de aandrijving achterin 170 kg. Motoren en transmissies zijn voor Porsche geen inkoopdelen. Ze worden geproduceerd in de eigen fabriek in Zuffenhausen.

HV-batterij met ‘voetgarage’

De 630 kg zware hoog-voltage batterij telt 33 modules met ieder 12 Li-Ion-cellen. Die zijn geschakeld als twee parallelle series van ieder 198 cellen. Dat geeft een nominale spanning van 725 volt. Toch spreekt Porsche van ‘800 volt’. Dat klinkt natuurlijk veel lekkerder, maar het is ook niet helemaal onjuist. Afhankelijk van de ladingstoestand en temperatuur kan de batterijspanning variëren tussen 610 en 835 volt. De totale capaciteit van de batterij is 93,4 kWh, waarvan zo’n 85 kWh te benutten is. Dankzij de AC-onboard lader is één- of driefasewisselstroom laden tot maximaal 11 kW mogelijk. DC-snelladen op 800 volt kan ook. Maar omdat er nog niet zoveel 800 V-snellaadstations zijn kan de auto ook overweg met 400 V DC. De on-board DC-lader boost die spanning dan naar 800 V voor de batterij.

300 km in 12 minuten

Opvallend, op 400 V is de maximale laadsnelheid 150 kW, op 800 V is dat 270 kW. Minder dan het dubbele dus. “Nog sneller gaat ten koste van de levensduur”, legt Bitsche uit. Maar de techniek schrijdt voort: “In toekomstige generaties verwacht ik tot 250 kW bij 400 V en tot 500 kW bij 800 V. Dat laatste komt in de praktijk overeen met ongeveer 300 km actieradius bijtanken in 12 minuten. De aluminium behuizing van de batterij is met 28 bouten onder de carrosserie geschroefd, en maakt deel uit van de crashveiligheidsstructuur. De vloeistofkoeling is tegen de onderkant van de bak gelijmd. Het batterijmanagementsysteem zit bovenop de batterij en neemt in het interieur de ruimte in die in een traditionele achterwielaandrijver voor de transmissie was gereserveerd.Let op de bijzondere vorm aan de achterkant van de batterij. De Taycan is geen SUV, eerder een sportauto voor vier. Om de achterpassagiers in zo’n lage auto voldoende beenruimte te geven, zitten er twee uitsparingen in de batterij: “De voetgarages” noemt Bitsche ze. Onder de achterbank heeft de batterij dan juist weer een tweede etage met modules.

Complexe koeling

De koeling in elektrische auto’s is vaak erg complex. Zo ook bij de Taycan. Porsche geeft een opsomming van de componenten die er een rol in spelen. Dat is allereerst de radiateur links voorin de auto. Dan zijn er drie koelvloeistofpompen, zes kleppen, twee fans en 10 (tien!) koelvloeistoftemperatuursensoren. Bovendien speelt het airconditioningsysteem (met de condensor rechts voorin) een rol in de koeling. Dat is daartoe uitgerust met een zogenoemde chiller. Ten slotte wordt de HV-batterij niet alleen gekoeld, hij kan ook verwarmd worden.Laten we eens kijken hoe het werkt. Het systeem telt twee aparte circuits. Omdat de temperaturen in beide circuits lager zijn dan die in het koelsysteem van een auto met verbrandingsmotor spreekt Porsche van een middentemperatuurcircuit en een lagetemperatuurcircuit. In het eerste zijn de beide inverters en motoren opgenomen, net als de DC/DC-converter en de on-board laders. In het tweede zitten de leidingen onder de HV-batterij.

Koelen én verwarmen

Het middentemperatuurcircuit geeft zijn warmte af aan de radiateur. Het lagetemperatuurcircuit doet dat aan de chiller. Die kun je vergelijken met een verdamper. Koudemiddel verdampt erin zodat het heel veel warmte omtrekt aan zijn omgeving. Bij een chiller bestaat die omgeving niet uit langstromende lucht op weg naar het interieur, maar uit koelvloeistof uit de batterij. Waarom zo ingewikkeld? Simpel, de ideale batterijtemperatuur is zo ongeveer gelijk aan de buitentemperatuur op een warme dag. Een radiateur waarin de buitenlucht de koelvloeistof koelt, voldoet dus niet onder alle omstandigheden voor het lagetemperatuurcircuit.Bij de koude start, maar ook onder andere omstandigheden kan het nodig zijn de batterij te verwarmen. Daarvoor beschikt de auto over een hoogvoltage koelvloeistofverwarmer. Die laatste is ook beschikbaar voor de interieurverwarming. Hetzelfde geldt voor de airconditioning die ook als warmtepomp kan fungeren. Hoe dat werkt, lees je via AMT-eXtra.

Veel voltages

Omdat zo’n Taycan best een ingewikkeld apparaat is, is het hoogvoltagesysteem dat ook. Dat begint al bij het snelladen. De AC-onboardlader (hier Junction Box genoemd) moet de 400 V van veel snellaadstations kunnen boosten naar 800 V. Dat is immers de batterijspanning, en ook de spanning die de inverters omzetten naar wisselstroom voor de beide motoren. Ook de koelvloeistofheater werkt op die hoge spanning.Omdat de andere componenten in de auto andere spanningen vragen is er een DC/DC-converter. Die zet de batterijspanning om naar 12 V voor het batterijnet, naar 800 V voor de actieve stabilisatorstangen en naar 400 V voor de aircocompressor. Zolang de Taycan de enige e-auto op 800 V is dat blijkbaar aantrekkelijker dan een 800 V-compressor speciaal voor deze auto te ontwikkelen. Voor de meeste mensen is een Taycan zo al duur genoeg.