Alta tensión

Conviene reclinarse en el asiento. Si se pisa a fondo el acelerador de un Porsche Taycan Turbo S, surgen 12.000 motivos para estar sentado en una posición estable. Cuando el modelo superior del deportivo eléctrico libera de golpe en sus cuatro ruedas el par motor generado de 12.000 newton metro (Taycan Turbo S: consumo de corriente combinado: 28,5 kWh/100 km, emisiones de CO₂ combinado: 0 g/km (datos de 03/2021)), una fuerza abrumadora empuja al conductor y los pasajeros contra los asientos. Esta fuerza concentrada procedente de los dos motores eléctricos situados en sendos ejes se descarga en su totalidad sin retardo de ningún tipo, manteniendo el empuje prácticamente inalterado hasta la velocidad máxima. Esta dosis de adrenalina es el principio activo de la incomparable tecnología de tracción de Porsche. Por algo el afamado Center of Automotive Management (CAM) declaró el Taycan como modelo más innovador del año 2020. En Porsche, innovación ha significado desde siempre explotar al máximo las tecnologías. En este caso, significa nada menos que explotar el potencial de la tracción eléctrica como nunca antes se ha hecho.

Este enfoque por parte de Porsche no es de ayer, ni de anteayer. Surgió hace más de 120 años. En aquel entonces, el joven Ferdinand Porsche desarrolló sus primeros vehículos eléctricos con motores en los cubos de las ruedas direccionales, toda una novedad mundial. Las posibilidades de la movilidad eléctrica espoleaban su ambición deportiva. Su coche de carreras con cuatro motores eléctricos situados en los cubos de rueda fue el primer automóvil con tracción total del mundo.

Los sencillos motores de corriente continua de entonces hace tiempo que fueron sustituidos por máquinas altamente sofisticadas. Sin embargo, el principio físico fundamental sigue siendo el mismo: 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. Existen, por un lado, imanes permanentes que se basan en el efecto de partículas elementales. Por otro lado, también con cada movimiento de una carga eléctrica surgen campos magnéticos. En un motor eléctrico, el conductor por el que pasa la corriente se dispone en forma de bobina para intensificar el electromagnetismo. Los electroimanes y, según el modelo de motor, también los imanes permanentes están colocados sobre dos componentes. La parte fija se llama estátor y la parte giratoria es el rotor. Al conectar y desconectar periódicamente la tensión eléctrica, surgen fuerzas de atracción y repulsión que generan el movimiento de giro del rotor.

Para impulsar un vehículo no es apto cualquier tipo de motor eléctrico. Porsche apuesta por el motor síncrono de excitación permanente (PSM). Frente al motor asíncrono (ASM), que es la forma de construcción más usada y económica, el PSM ofrece un rendimiento constante más alto, ya que al recalentarse con menos facilidad no hay que reducir su potencia. El PSM de Porsche se alimenta y se controla mediante una electrónica de potencia con tensión alterna trifásica: mediante la frecuencia de esta tensión alterna, con la que fluctúa de menos a más en torno al punto cero, se determinan las revoluciones del motor. En los motores del Taycan, el inversor modulado por ancho de pulso predefine la frecuencia del campo giratorio en el estátor regulando el número de revoluciones del rotor. El rotor cuenta con imanes permanentes de alta calidad con aleaciones de neodimio-hierro-boro que en el proceso de fabricación son dotados de forma permanente de un potente campo magnético dirigido. Los imanes permanentes también permiten recuperar una gran cantidad de la energía de frenado. Durante la marcha por inercia, el motor eléctrico pasa al modo de generación, permitiendo a los imanes inducir tensión y corriente en el devanado del estátor. La capacidad de recuperación del motor eléctrico de Porsche es la más alta de la competencia.

La tecnología explotada al máximo. Esta característica genética de Porsche se refleja en una particularidad de los motores Taycan conocida como devanado de horquilla. En él, las bobinas del estátor están formadas por alambres cuya sección no es cilíndrica, sino rectangular. Y, a diferencia de los procedimientos de devanado clásicos, que toman el alambre de cobre de una bobina sin fin, la tecnología de horquilla es lo que se denomina un proceso de montaje basado en conformación. Eso significa que el alambre de cobre de sección rectangular se divide en secciones individuales y se dobla con forma de U similar a la de una horquilla. Estas grapas individuales se introducen en las chapas del estátor, en las que descansa el devanado, de modo que las superficies de la sección rectangular quedan apoyadas unas en otras. Ahí reside la ventaja decisiva de la tecnología de horquilla: permite juntar más los alambres y, como resultado, introducir más cobre en el estátor. Mientras que los procedimientos de devanado convencionales presentan un factor de relleno de cobre de aproximadamente el 50%, en la tecnología empleada por Porsche este ronda el 70%. Ello permite alcanzar más potencia y par motor en el mismo espacio de montaje. Los extremos de las grapas de alambre se sueldan mediante láser y así se elabora la bobina. Otra ventaja importante es que el contacto homogéneo de los alambres de cobre contiguos mejora la transmisión de calor y un estátor con devanado de horquilla se puede refrigerar con mucha más eficiencia. Los motores eléctricos convierten más de un 90% de la energía en propulsión. No obstante, al igual que en un motor de combustión interna, las pérdidas se convierten en calor que es preciso disipar. Por eso, los motores llevan una camisa de agua de refrigeración.

Para controlar con precisión un motor síncrono de excitación permanente, la electrónica de potencia necesita conocer la posición angular exacta del rotor. Para ello sirve el resolver. Este elemento está compuesto por un disco de rotor de metal que conduce el campo, una bobina de ataque y dos bobinas receptoras. La bobina de ataque genera un campo magnético que se transmite a los devanados receptores a través del codificador rotatorio. Eso hace que en las bobinas receptoras se induzca una tensión cuya posición de fase está desplazada en proporción a la posición del rotor. A partir de esta información, el control puede calcular la posición angular exacta del rotor. En este control, el llamado inversor modulado por ancho de pulso, es donde se concentran los conocimientos especializados de Porsche. Se encarga de convertir la corriente continua de la batería, con 800 voltios de tensión, en corriente alterna y en suministrar esta corriente a los dos motores eléctricos. Porsche ha sido el primer fabricante en convertir un nivel de tensión de 800 voltios. Inicialmente concebida para un coche de carreras –el Porsche 919 Hybrid–, ahora, en la fabricación en serie, esta tensión reduce el peso y el espacio de montaje gracias al uso de cables más finos y además reduce los tiempos de carga.

Los motores eléctricos alcanzan hasta 16.000 revoluciones por minuto. A fin de aprovechar óptimamente este rango de revoluciones y lograr la conjugación de dinamismo, eficiencia y máxima velocidad característica de Porsche, las unidades motrices delantera y trasera tienen cada una su propia transmisión. 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, el Taycan Turbo S genera sus formidables fuerzas. En el eje delantero, la marcha única multiplica los 440 newton metro del motor eléctrico convirtiéndolos en los cerca de 3.000 newton metro de las ruedas. En el eje trasero, la primera marcha convierte los 610 newton metro del motor en los aproximadamente 9.000 newton metro de momento de giro en el eje. La segunda marcha sirve para garantizar la eficiencia y las reservas de potencia a alta velocidad.

Tecnología sofisticada de vanguardia hasta en el mínimo detalle: así mantiene Porsche su espíritu innovador incluso en la era de la tracción eléctrica.