研发

通过创新突破尖端科技极限,正是我们的追求,也是保时捷的专长。公司提供相关细分市场最具运动感的车型,同时在其他领域也树立重要标杆,比如替代驱动系统和数字化辅助生产工艺等。本报告年份的一些最新例子充分验证了这一点。

911 Turbo, 2020, Porsche AG

基于魏斯阿赫技术的电动机

保时捷秉承“三管齐下”的产品策略:先锋的纯电车型、高效插电式混合动力车型和激情澎湃的内燃机车型。尽管区别各异,但这三大支柱都有一个共同点,那就是保时捷的运动传统,不管哪种动力总成,都能帮助客户实现他们的梦想。

保时捷纯电动车型 Taycan 树立了创新标准。Taycan 已获得 50 项国际大奖,大多是在德国、中国、美国和英国等主要市场。例如,2020 年 7 月,德国汽车管理中心(CAM)发布的《AutomotiveINNOVATIONS》研究报告将这款拥有 27 项创新研发成果的电动跑车评为全球汽车市场最重要的创新之作。CAM 的科研人员将其中 13 项创新成果列为世界第一,包括 800V 架构、后桥两速变速器、高达 265kW 的能量回收功率以及市场最佳风阻系数值(低至 0.22)。

保时捷的技术实验室研究的是赛车技术,包括用于量产车的技术。例如,LMP1 混合动力系统的研究成果为保时捷电动汽车研发工作奠定了坚实基础。2015 至 2017 年,保时捷 919 Hybrid 三度摘得勒芒 24 小时耐力赛桂冠。这款车已采用了 800V 技术,随后这项技术应用到了量产车型 Taycan 上。这种电压水平带来几大优势:驱动系统连续动力输出性能强劲,充电时间缩短,电缆横截面缩小,还减轻了车身重量。“保时捷 E 驱高效动力传动系统”也是基于在 LMP1 中获得的经验研制出来的,参加过 ABB 国际汽联电动方程式锦标赛的保时捷 99X 赛车便是搭载了这一系统。

保时捷拥有在动力传动系统研发方面不断开拓新的领域。电动机也不例外。内部开发工作优化了保时捷电动跑车的性能,提高了效率。得益于一系列措施,Taycan 的永磁同步电动机非常高效。例如,磁场经过了特别优化。每个电动机的定子还装有冷却水套。Taycan 电动机的固定部件不用标准圆形横截面的绝缘铜线缠绕,而是矩形导线,这就是线圈能极其紧密地靠在一起的原因。这项技术叫做“发夹式绕组”技术:导线经过弯折后,形似发夹,然后插入定子的层压铁芯。开口端用激光焊接。这样做出的电动机尺寸紧凑且经量化,散热性能提高,效率得到优化。这不仅能提高续航里程,还能持续保持高性能。

“电气化是一项振奋人心、令人信服的技术。但独立地来看,它使我们在可持续发展方面的进展速度低于我们预期。因此,我们也致力于发展合成燃料,并计划将其应用于保时捷赛车运动中。”

施德纳(Michael Steiner), 负责研发的保时捷全球执行董事会成员

New 911 GT3 Cup, 2020, Porsche AG
Panamera - Technology

采用新电池的混合动力车型,续航里程更长

保时捷一直在研发电驱系统的电池。新近推出的混合动力的 Cayenne 和 Panamera 车型也受益于这方面的技术进步。液冷锂离子电池总容量现已达到 17.9 kWh,此前为 14.1 kWh。因此,纯电动行驶里程增长 30%。全新 Panamera Turbo S E-Hybrid 纯电续航里程可达到 50 公里,Cayenne E-Hybrid 的纯电续航里程也达到 48 公里(均为 WLTP EAER City 工况下)。

搭载 8 速 Tiptronic S 变速箱的 Cayenne 插电式混合动力车型以及搭载 8 速 PDK 双离合变速箱的 Panamera 插电式混合动力车型均配备了电机。Panamera Turbo S E-Hybrid 搭载的电机输出功率达到 100 kW(136 hp),扭矩为 400 Nm,纯电行驶的最高车速达 140km/h。内燃机会在动力需求增加或驾驶模式切换到“Sport”或“Sport Plus”时启动。此外,随时都能获得最大能量回收功率。这意味着“E-Charge”(行车充电)功能比以往更高效。在“Sport”和“Sport Plus”模式下,蓄电池的充电状态保持在随时为运动驾驶提供充足加速潜力所需的最低水平。凭借更高的可再生充电功率,车辆能效进一步优化。

Panamera Turbo S E-Hybrid 的系统总功率为 515 kW(700 hp),扭矩为 870 Nm,是该系列中最强大的车型。这些数据得益于 420 kW(571 hp)4 升 V8 双涡轮增压发动机与 100 kW(136 hp)电动发动机的综合性能。卓越的发动机为车型带来了非凡的驾驶性能:百公里加速时间为 3.2 秒,比上代车型快了 0.2 秒;最高车速达 315 km/h,提高了 5km/h。

911 GT3 RS, 2020, Porsche AG

用于内燃机的 e-fuels 合成燃料

从 2025 年起,保时捷出售的半数汽车将搭载电驱系统,包括纯电驱动和混合动力驱动。保时捷汽车的使用寿命往往很长。至今,保时捷生产的约 70% 的汽车仍存于世。为此,公司 2020 年宣布参与合成燃料研发并推进产业化过程。此类燃料的生产要借助于可再生来源的电能,因此被称为“e-fuels”。保时捷的目标是开发符合当前燃料标准的合成燃料。这类燃料可用于所有内燃机,也就是说,可用于保时捷当前的所有车型、经典车型及赛车。与氢燃料相比,合成燃料的一大优势是可通过现有加油站网络进行销售。

合成燃料的关键点:有助减少化石燃料产生的、进入地球大气层的二氧化碳排放量。合成燃料是通过电解,先把普通的水分解成氢气和氧气。随后,氢气与从空气中过滤出的二氧化碳结合,形成合成甲醇。

用这种方法生成的合成甲醇可作为传统甲醇的“绿色替代品”,用于多种工业流程。传统甲醇一般提取自原油或天然气。保时捷设想的工艺路线是利用甲醇制汽油技术(MtG),把合成甲醇转化为汽油,再提炼成符合标准的汽油。

以高效环保的方式生产电解所需的电力,是合成燃料实现整体环境平衡的关键。理想情况下,发电应在世界上气候条件良好、适合绿色发电的地区进行。例如,南美风力发电机组的发电量约为德国同等发电机组的四倍。在此背景下,保时捷正与西门子能源及多家国际企业携手,在智利开发并实施一个试点项目。目标是建立全世界第一间大规模综合性商业化合成燃料生产厂。理想情况下,甲醇合成应在现场直接进行,因为跨洲输电损耗很大。不过,生成的甲醇或从甲醇中获得的燃料可以较低的成本,用远洋油轮运往欧洲炼油厂,然后由炼油厂生产出成品燃油。

Laser metal fusion process, 3D printing, 2020, Porsche AG

3D 打印

创新汽车技术的发展催生新的生产方法。例如,未来,各种汽车零部件(如用于少量或特殊量产车型的零部件)可利用 3D 打印机来生产。魏斯阿赫研发中心的专家坚信这将成为现实,并且有充分的论据来支持他们的观点。其中包括运用 3D 金属打印技术为 911 GT2 RS 高性能发动机生产活塞。活塞试点项目的亮点是:活塞采用集成了无法通过传统方法生产的冷却流道设计。这种流道可降低活塞表面的温度载荷。另一优点是,与量产锻造活塞相比,重量至少减轻了 10%。发动机转速提高,功率增加了 22 kW(30 hp)。用 3D 打印机制成的活塞还能经受住最高要求的考验,他们以 250 km/h 的车速在高速车道上完成了 24 小时模拟测试,没有出现任何损坏,这相当于行驶了 6,000 公里。此外,还以各种车速完成了 135 小时满负荷测试及 25 小时牵引载荷测试。保时捷与其合作伙伴马勒(Mahle)、通快(Trumpf)和卡尔·蔡司(Carl Zeiss)共同实施了该试点项目。

电驱动系统的完整合金外壳原型也是用 3D 打印技术生产的。比传统铸造部件重量更轻,使驱动系统总重量减轻了 10% 左右。只有用 3D 打印技术才能生产出的特殊结构件,使汽车重负荷部分的刚度倍增。增材制造的另一优点是能整合很多功能和部件,显著减轻了组装工作量,在零件质量方面也具有明显优势。

无论从经济还是技术角度看,3D 打印目前对于少量和特殊量产车型以及赛车来说是极具有吸引力的选择。从 2020 年 5 月开始,保时捷使用 3D 打印技术为 911 和 718 车型制作贴合人体曲线的桶型座椅。保时捷经典车部门(Porsche Classic)提供利用增材制造工艺复刻的塑料、钢铁和合金零件,从而缩小了经典车的交付误差。

专利是创新基础

专利是长期安全使用创新研发成果的基础。然而,专利法处于不断变化之中。过去,保时捷的主要焦点放在从底盘开发到内燃机等经典汽车技术上。现在,电动汽车、互联、自动驾驶和数字化等话题变得越来越重要。因此,与当今汽车零部件相关的专利不再为传统汽车制造商所独有,而是也掌握在电子和移动通信领域的企业手中。人工智能(AI)的重要性也与日俱增。

魏斯阿赫的保时捷“产权和授权”部门已做出相应的调整,采取的措施包括增加 AI 专家。该部门负责开展现代化专利保护的基础性工作。就其本身而言,软件作为当今汽车的核心部件并没有被列为发明,因此不受专利保护。当技术应用的基本概念被新的计算机程序控制时,这种情况就会发生改变。换句话说,如果软件能为解决某个问题做出技术贡献,就可能受到专利法的保护。

例如,保时捷已为 AI 控制单元校准技术申请了综合专利。传感器记录下受控设备数据,如 PDK 变速箱换挡过程或发动机敲击噪音参数速箱换挡过程或发动机敲击噪音参数,然后传输给算法进行评估。现在,AI 流程可通过调整变速箱调校或点火正时,独立寻找最优控制单元设置。换挡变得更平顺,或燃烧过程没有敲击声时,AI 会记录下来,并将相关设置值保存,以便优化流程。开发人员以往不得不依赖费力的试错法,而这项技术却能在“AI 强化学习”的帮助下,独立且更快地达到最优值。这种方法还可应用于其他技术领域。对专利律师而言,“技术性”概念是关键。由于德国和欧洲专利法规定的技术性适用于这种情况,这种方法受到的保护程度与汽车工程领域的经典发明类似。

“魏斯阿赫制造”的技术

魏斯阿赫研发中心是保时捷的创新心脏,这里是公司的智库。从最初的草图到成品原型,保时捷从 1971 年就开始在这里开展汽车研发、测试和量产准备工作,缩短了汽车各个专业领域之间的距离。设计、建模和最初的原型、空气动力测试、声学和电子学、驱动系统、转向系统及底盘开发、安全测试、自有测试车道以及保时捷赛车部门,魏斯阿赫研发中心将所有这些元素凝聚在一起。跑车制造商保时捷依靠的是传统工艺和先进技术。研发中心员工人数约 6,800 人(最新数据:6,762),其中 80% 左右从事研发工作。这些员工正在塑造保时捷的未来,将品牌的传统基因与未来技术相结合,创造出一个个富有灵性、激动人心的产品。

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