Porsche Taycan – följ utvecklingsarbetet av den första elbilen

Premium Det handlar om att bryta ny mark och snabbt nå målet att ta ledningen. Allt görs annorlunda men ingenjörerna måste ändå hålla fast vid klassiska Porsche-känslan. Förväntningarna är höga på den första helt eldrivna Porschen som introduceras på marknaden i slutet av 2019.

Porsche Taycan – följ utvecklingsarbetet av den första elbilen

UTE I DET FRIA

Taycan är fortfarande ett delvis hemligt projekt, men utvecklingen på allmänna vägar måste göras ändå. Intensiva tester pågår under extrema temperaturförhållanden på olika håll i världen. Som här, i den västra delen av Sydafrika.

Mer än sextio Porsche-utvecklare var där med tjugofem kamouflagemålade prototyper – i dagstemperaturer på runt 40 grader. Detta var en stor utmaning både för teamet och bilarna. Sammanlagt avverkades 40.000 kilometer under denna resa. Vid tiden för Taycans marknadsintroduktion kommer den totala teststräckan att uppgå till miljontals kilometer.

Ett 3-siffrigt antal prototyper har byggts hittills, men det exakta antalet är konfidentiellt.

BAKOM STÄNGDA DÖRRAR

De som arbetar här känner Taycan utan och innan långt innan resten av världen får se den. I Zuffenhausen finns konstruktionsavdelningen för prototyper, den plats där varje ny Porsche föds. 800-voltstekniken, dess batterier, dess avancerade kylsystem: Allt vad formgivarna har tänkt sig för Taycan överförs här till de första provbilarna.

Samtidigt läggs grunden till serieproduktion, eftersom man även testar och förbereder sådant som behövs för monteringsarbetet, med tillhörande logistik. Prototypexperterna instruerar sina kollegor från tillverkningen hur de på bästa sätt ska förbereda Taycan för serieproduktion.

Cirka 40 specialister bygger prototyperna av Taycan.

DRIVLINA

DAGSLÄGET

Större miljömedvetenhet, nya marknader, mindre beroende av fossila bränslen: mobilitet och i synnerhet bilindustrin är föremål för omvärderingar. Den pågående utvecklingen av elbilar utgör ett framtidsscenario i hela den industriella världen. Detta är nyckeln till miljövänlig mobilitet. Här är policy en viktig faktor. År 2020 måste europeiska bilproducenter ha kommit ner till ett genomsnittligt utsläpp av CO2 på högst 95 g/km. 

Antalet elbilar i världen har därför ökat kraftigt. Det totala antalet eldrivna bilar uppgick till cirka 3,2 miljoner i början av 2018. Det är en ökning med 55 procent jämfört med föregående år. Siffran inkluderar alla fordon som laddas med el, som till exempel laddhybrider. 

Expansionen är som störst i Kina. Där finns för närvarande över 1,2 miljoner elbilar, och 579.000 av dem tillkom 2017. I USA ökade antalet elbilar med 195.000 år 2017 till totalt över 750.000. Tyskland har relativt låga siffror men de ökade med 54.490 till 92.740 fordon. Andelen nyregistreringar uppgick till 1,6 procent.

Om tillväxttakten kommer att vara densamma som under 2017 kommer antalet elbilar i världen att överstiga 25 miljoner år 2025. 

För Porsche är framtiden elektrisk. Företaget vill övergå till elektromobilitet före alla andra tyska biltillverkare. År 2025 är målsättningen att varannan Porsche som säljs ska ha en elektrisk drivenhet. Hälften av modellerna ska vara helt elektriskt drivna och den andra hälften laddhybrider. Porsche kommer att introducera sin första elmodell, Taycan, under 2019. Enligt nuvarande beräkningar ska 20.000 enheter tillverkas per år. Det skulle motsvara ungefär två tredjedelar av den nuvarande försäljningen av 911.

UTMANINGARNA

Elektrifiering hos biltillverkarna drivs till lika delar av föreskrifter om kväveoxider, koldioxid och urbanisering. Världen samlas i städer överallt. Sedan 2007 har fördelningen mellan stad och landsbygd varit helt jämn. I delar av Asien och Afrika har urbanisering gått i en skrämmande takt. Megastäder som Tokyo, Mumbai och Shanghai ger en föreställning om den fortsatta utvecklingen. 

Effekterna för bilindustrin är mycket stora. Den viktigaste uppgiften för Porsche är att vara med och forma dessa förändringar – med fordon som är sportiga, unika när det gäller sin konstruktion och präglas av hög daglig användbarhet tack vare en lång räckvidd.

Utmaningen är hur man skapar ett elfordon som sätter nya standarder när det gäller prestanda, effektivitet, köregenskaper och daglig användbarhet. Hur kompenserar man för batteriernas vikt? Vad kan man göra för att ett elfordon att ska kännas som en äkta Porsche?

PORSCHES LÖSNING

Taycan har ett drivsystem baserat på principen om intelligenta prestanda. "Vi valde en synkronmotor med permanentmagneter", berättar Heiko Mayer, projektledare för drivenheten i Taycan. "De kombinerar en hög energitäthet med tillförlitliga prestanda och maximal effektivitet." 

Två synkronmotorer med permanentmagneter (PSM), liksom de som användes i Le Mans-vinnande 919 Hybrid, garanterar att man alltid har maximala prestanda tillgängliga.

PSM-elmotorer kan sägas vara elmotorernas turbo. De kombinerar extremt höga prestanda med maximal effektivitet. En elmotor driver Taycans bakaxel, en annan driver framaxeln. Tillsammans lämnar de över 600 hk och matas av batterier gjorda för att ge 500 kilometers räckvidd. Taycan sprintar från 0 till 100 km/h på under 3,5 sekunder och toppar 200 km/h vilket nås på 12 sekunder.

PSM-motorerna omvandlar elektrisk energi till drivkraft med stor effektivitet samtidigt som de genererar relativt lite värme. Motorerna möjliggör även en mycket kompakt design. Mayer igen: "Det gör det möjligt att göra motorerna och batterierna mindre och lättare med samma effektkaraktär." 

"För att spara vikt används en ny teknik för att få in mer koppar i motorns spolar, vilket gör dem mindre och vi kan öka effekt och vridmoment med bibehållen storlek", förklarar Abu Daqqa, chef för elektriska drivsystem hos Porsche. "Detta gör det möjligt att packa trådarna tätare och få in mer koppar i spolarna – det blir ökad kraft och vridmoment med samma volym."  

De omformare som konverterar batteriets likström till växelström för elmotorn fungerar inte med en fast periodicitet utan med en steglöst variabel sådan. "Motorn arbetar därför alltid optimalt", förklarar Mayer. 

Intelligenta prestanda lämnas också av kylsystemet. Temperatursensorer läser av kylbehovet i realtid och ser till att tillräckligt med kylvätska styrs till rätt ställe. Om föraren ger full gas arbetar även kylsystemet för fullt.


Här är huvuddragen och målen som Porsche satt upp för sin första elbil, Taycan.

RÄCKVIDD

ÄR ETT AV DE VIKTIGASTE KRITERIERNA FÖR KÖPARE AV ELBILAR

BATTERI

DAGSLÄGET

Batterierna är hjärtat i de eldrivna fordonen. Jämfört med förbränningsmotorbilar, anses elfordon dyrare och åtnjuter endast begränsad acceptans idag, främst på grund av deras sämre räckvidd och en dåligt utbyggda infrastruktur. Säkerheten hos batterierna är också en källa till oro för vissa fordonsköpare. 

Batteritekniken är komplex och ger tillverkarna nya utmaningar. Kraven för batteriernas användning i elektriska fordon är extremt hårda.

"Räckvidden är ett av de viktigaste kriterierna för köpare av elbilar", säger Otmar Bitsche, chef för e-mobilitet hos Porsche. 

Högspänningsbatterier med den senaste litiumjontekniken utgör för närvarande den högsta standarden. Deras specifika energiinnehåll är ida cirka 270 wattimmar per kg (Wh/kg). Men som utvecklingen för mobiltelefoner och deras batterier fortsätter utvecklingen med en kontinuerlig hastighet på upp till fem procent per år.

Den växande betydelsen av elektromobilitet driver utvecklarna över hela världen att komma fram med bästa möjliga lösningar. Med forskning som fokuserar på att både optimera den befintliga litiumjontekniken genom att utvidga den till nya material, och helt ny batteriteknik baserad på fasta elektrolyter.

20 till 40 grader Celcius är den optimala driftstemperaturen för ett litiumjonbatteri.

UTMANINGARNA

Tre väsentliga faktorer definierar utvecklingen: vikten, temperaturen och tillgången på råvaror. Teoretiskt sett är en räckvidd på 500 kilometer möjlig idag, om än med ett allvarligt handikapp – batteriernas vikt.

Litiumjonbatterier är därför packade så tätt som möjligt. Ju fler av dem man får in i ett batteri, desto fler elektroner och därmed mer energi kan lagras på samma utrymme. Att göra det betyder att ändra fysiska och kemiska processer på atom- och molekylnivåerna i cellen. Då finns möjligheten att ett batteri bara fungerar perfekt vid optimala temperaturer. Ett litiumjonbatteri, till exempel, fungerar bäst mellan 20 och 40 grader Celsius. Det gäller både vid laddning och vid körning.

Slutligen står bilproducenterna också inför två andra grundläggande utmaningar: tillräcklig tillgång på råmaterial och att extrahera de ämnen man vill åt maximalt.

PORSCHES LÖSNING

Hastighet istället för vikt – är ett känt Weissach-motto. Istället för att installera tunga batterier väljer Porsche snabb laddning. Elektricitet strömmar genom cirka fyrahundra celler, vilka är sammankopplade både seriellt och parallellt. Varje enskild cell har en spänning på ungefär 4 volt. Kontrollerat av batteristyrenheten blir resultatet ett 800-voltsbatteri, i förenklade termer.

"Det var en stor utmaning att uppnå en sådan enorm batterikapacitet både för laddning och urladdning över hela temperaturområdet", säger Nora Lobenstein, chef för alla energilagringssystem hos Porsche. 

Lösningarna är ett intelligent laddningssystem och en effektiv värmeväxlare som snabbt får batterierna till driftstemperatur och kyler dem på ett tillförlitligt sätt under hårda belastningar, till exempel under en plötslig topp vid strömförbrukning eller vid snabbladdning.

Syftet med Porsches snabbladdningssystem: generera 400 kilometers körning på cirka 15 minuter. Bortsett från de korta stoppen för laddning är en annan fördel med 800-voltstekniken att det ger tunnare kablar i bilen. Detta spar vikt.

Men för Lobenstein slutar batteriproblemet inte där. Livslängd är mer än bara en marknadsföringsterm i Weissach. Porsche-utvecklare studerar redan intensivt hur Taycans batterier ska kunna återanvändas i framtiden. När allt kommer omkring har en Porsche en extremt lång livscykel, längre än bilar av andra märken. Batterierna ska ha detsamma. Ett andra liv, i alla fall.


Ännu en gång har fabriken i Zuffenhausen byggts ut, den här gången för att skapa en produktionslina för elbilar.

LADDNING

DAGSLÄGET

Stora avstånd mellan laddstationerna, inget standardiserat betalningssystem, olika anslutningar, otillräckliga elnät – att få ny energi i tomma batterier är allt annat än enkelt. Internationella standarder för tillräcklig geografisk täckning med moderna laddningsstationer för miljontals elbilar? Fortfarande under utveckling.

Det finns en grundläggande skillnad mellan ledande och induktiv laddning. Med ledande laddning överförs energi mellan fordonet och elnätet genom laddningskablar och ett pluggsystem. Med induktiv laddning överförs energin mellan elnätet och fordonet utan kablar genom elektromagnetisk induktion.

Med ledande laddning, eller laddning med en kabel, görs skillnad mellan växelströmsladdning med en konventionell 400-voltsanslutning och laddningskapacitet på upp till 22 kW samt likströmsladdning, med laddningskapacitet på upp till 350 kW. Växelströmsladdning används normalt hemma eller på arbetsplatsen, medan likströmsladdning används för snabbladdning vid laddstation.  

För växelströmsladdning används en permanent station eller att en lämplig laddningskabel används för anslutning mellan eluttaget och fordonet. Vid offentlig laddning räcker det med att en särskild kabel med en CCS-kontakt används. 

Det ökade energibehovet kommer sannolikt att vara begränsat fram till år 2025. Den beräknade ökningen av energiefterfrågan på grund av elektromobilitet kommer att vara måttlig i de olika regionerna, med en stor förväntad ökning omkring år 2035 och då främst genom utvecklingen i Kina.

UTMANINGARNA

Stig ur bilen, öppna tanklocket, fyll tanken, betala och var tillbaka på vägen inom några minuter.

Det har varit rutinen för bilister tills nu. Tekniken som krävs för att ladda elbilar är faktiskt redan på plats vilket möjliggör utbyggnaden av en laddningsinfrastruktur för hela Europa. Men för att uppnå en okomplicerad och snabb laddningsprocedur för elbilar längs motorvägar och i stadsområden krävs internationell samordning och avtal – ingen enkel uppgift. 

Politiska svar behövs. De snabbt tillgängliga laddningsstationerna som för närvarande existerar ger sällan mer än 50 kilowatt. Det tar ungefär en timme att ladda in tillräckligt med elektroner i batteriet för att kunna köra nästa sträcka på 250 kilometer. De operativa frågorna blir därför: Hur kan vi ladda snabbare? Hur kan vi få tillräckligt med laddningsstationer? Och hur kan vi stärka svaga kraftnät?

Porsche-känslan är svår att sätta fingret på, men den har alltid funnits där. Till vänster "ur-Porschen" från 1948.

PORSCHES LÖSNING

Det tar lång tid att bygga upp ett omfattande laddningsnät för elbilar. För att snabba på processen kavlar Porsche upp ärmarna.

"Snabbare laddning fungerar endast med högre laddningskapacitet, det stod klart från början", säger Fabian Grill, som arbetar med expansionen av laddningsinfrastrukturen hos Porsche. Hans kollegor hade redan etablerat en viktig förutsättning, nämligen att Taycan arbetar med ett 800-voltsbatteri. För att allmänheten ska kunna utnyttja dessa tekniska möjligheter driver Porsche på utbyggnaden av en snabbladdningsinfrastruktur. 

Företaget arbetar med tre alternativ: För det första, laddning hemma – möjligt med en laddstation eller induktivt via en basplatta i golvet. För det andra, laddning i städer – möjligt genom befintlig infrastruktur. Och för det tredje, laddning längs huvudtrafiklederna i Europa.

Ett samarbete har därför inletts mellan BMW-koncernen, Daimler AG, Ford Motor Company och Volkswagen-gruppen med Audi. Porsche lägger här grunden för etableringen av ett kraftfullt snabbladdningsnät för elektriska fordon i Europa. Konstruktionen och driften av cirka 400 snabbladdningsstationer år 2020 är viktiga steg mot att göra elektromobilitet möjlig för långa körningar och därigenom att etablera konceptet på marknaden. 

Varje snabbladdningsstation kommer att ha flera laddpunkter. De ser till att ett fordon kan laddas varje 100 till 150 kilometer längs det europeiska vägnätet. I takt med att antalet elektriska fordon växer kommer även infrastrukturen att göra det. Således kommer kunderna år 2020 att få tillgång till tusentals varumärkes- och kapacitetsoberoende HPC-stationer (High Power Charging). 

Laddning med en kapacitet på upp till 350 kilowatt per laddpunkt gör det möjligt att utforma fordonen för betydligt kortare laddningstider jämfört med dagens system.

"Anslut och ladda snabbt" är mottot. Betalningen är helt automatisk. Porsche och dess dotterbolag Porsche Engineering driver ett modulärt koncept för ultrasnabba laddningsstationer. Oavsett om det är enskilda stationer på landet eller dussintals laddningsparker längs motorvägar. Lösningen är ett intelligent system med praktiskt taget obegränsad skalbarhet.

Och det är viktigt att laddningsparkerna är effektiva och lönsamma. För Porsches kunder är huvudprioritering att kunna ladda sitt fordon snabbt även där det lokala elnätet är svagt. Det är möjligt tack vare buffertbatterier som alltid har tillräcklig kapacitet. Specifikt betyder detta snabbladdning på ungefär 15 minuter för en sträcka på 400 kilometer vid varje Porsche-laddpunkt. 

Laddstationerna med pekskärm är lika intuitiva som en bankomat och lika säkra. Utbyggnaden av laddningsinfrastrukturen går vidare även i USA och Kina.

Lösningen från Porsche kan i övrigt användas universellt för alla elektriska fordon. Kontrollenheten upptäcker vilken fordonstyp det är och minskar laddningsströmmen om modellen inte är konstruerad för snabbladdning. Med denna infrastruktur är en banbrytande anda översatt till tillförlitlig vardagsanvändning och räckviddssäkerhet.


Stefan Weckbach, produktchef för Taycan-modellerna.