Cuối tuần qua, nguyên mẫu Porsche 919 Hybrid tại Le Mans đã có màn ra mắt duy nhất trong năm 2016 tại Đức. Trong cuộc đua sáu giờ tại Nürburgring, vòng thứ tư của giải đua FIA World Endurance Championship, quán quân của mùa giải đã đấu tranh giữ vững điểm số bảo vệ danh hiệu của mình cùng với việc đảm nhận nhiệm vụ trình diễn công nghệ tiên tiến cho xe thể thao trong tương lai.
Video: Xem màn trình diễn ấn tượng của Porsche 919 Hybrid tại Nürburgring
Với mẫu 919 Hybrid, Porsche đã phát triển một lĩnh vực mới về công nghệ. Đối với “Mission E”, một mẫu xe thể thao ý tưởng chạy hoàn toàn bằng điện đã được công bố vào năm 2015, các nhà thiết kế đã áp dụng công nghệ pin 800 vôn từ nguyên mẫu xe đua. Porsche đã tập trung tổng lực vào việc thiết kế cho nhà vộ địch hai lần liên tiếp tại Le Mans – đặc biệt là ý tưởng về tính năng lái. Được trang bị động cơ xăng V4 tăng áp, dung tích hai lít, động cơ đốt cháy hiệu quả nhất mà Porsche từng sản xuất, với hai hệ thống phục hồi năng lượng khác nhau.
Trong thời gian phanh, một máy phát điện ở trục trước chuyển đổi động năng của xe thành năng lượng điện. Trong hệ thống ống xả tách rời, một tua-bin truyền lực cho hệ thống tăng áp trong khi một tua-bin khác chuyển đổi năng lượng dư thừa thành năng lượng điện. 60% năng lượng được lấy từ hệ thống phanh, 40% năng lượng còn lại đến từ khí xả. Năng lượng điện thu hồi được lưu trữ tạm thời trong pin lithium-ion và cung cấp năng lượng theo yêu cầu từ động cơ điện. “Theo yêu cầu” có nghĩa là: năng lượng được cung cấp, ngay khi tay đua muốn tăng tốc, chỉ bằng một nút bấm. Nhằm phù hợp với những thay đổi theo quy định mới nhất, sức mạnh từ động cơ đốt trong chỉ dưới 500 mã lực (368 kW), và các động cơ điện sản sinh nhiều hơn 400 mã lực (294 kW).
Việc sử dụng và phối hợp của hai nguồn năng lượng đòi hỏi một chiến lược tinh vi. Ở mỗi giai đoạn phanh, năng lượng được thu hồi. Với 5.148 km của vòng đua Grand Prix tại Nürburgring điều này thường xảy ra 17 lần trước mỗi góc cua ở mỗi vòng đua. Lượng năng lượng thu được phụ thuộc vào lực của mỗi lần phanh, hay nói cách khác, phụ thuộc vào tốc độ tại mỗi góc cua và độ gấp của góc cua đó. Phanh và thu hồi năng lượng diễn ra cho đến đỉnh của mỗi góc cua, khi ấy tay đua lại tăng tốc.Tại thời điểm này, mục đích là để tận dụng càng nhiều năng lượng càng tốt. Do đó, tay đua nhấn ga sử dụng năng lượng nhiên liệu, và cũng “đẩy mạnh” năng lượng điện cho pin.
Trong khi động cơ đốt trong truyền động xuống trục sau, động cơ điện sẽ tập trung vào trục trước. Mẫu xe 919 phóng ra khỏi góc cua mà không mất độ bám đường nhờ sự trợ giúp của hệ thống truyền động bốn bánh – và trong quá trình này năng lượng lại được phục hồi thêm nhờ tua-bin trong đường ống xả đang hoạt động mạnh mẽ trên những đoạn đường thẳng. Ở tốc độ động cơ cao liên tục, áp suất trong hệ thống ống xả gia tăng nhanh chóng và truyền động cho tua-bin thứ hai kết nối trực tiếp đến máy phát điện.
Tuy nhiên, kết hợp cả hai nguồn năng lượng lại bị giới hạn bởi các quy định: tay đua không được sử dụng quá 1,8 lít nhiên liệu cho mỗi vòng đua và sử dụng năng lượng điện không quá 1,3 ki-lô-oát giờ (4,68 MJ). Tay đua phải tính toán một cách rất cẩn trọng sao lượng năng lượng này được sử dụng chính xác cho đến cuối vòng đua – không hơn, không kém. Người nào sử dụng nhiều hơn mức quy định sẽ phạm quy và người sử dụng ít hơn sẽ bị mất hiệu suất. Tay đua phải dừng việc “tăng tốc” và nhả ga vào đúng thời điểm thích hợp.
Chuyển sang vòng đua 13.629 km của Le Mans, thước đo chuẩn xác của các quy định, lượng năng lượng điện cho phép là 2,22 kWh. Điều này tương ứng với tám mê-ga-jun và đây là phân khúc năng lượng cao nhất được quy định trong các điều lệ. Porsche là hãng xe đầu tiên và duy nhất trong năm 2015 đã mạnh dạn thúc đẩy các giới hạn đó cho đến nay. Trong năm 2016, Toyota cũng đang cạnh tranh trong phân khúc tám mê-ga-jun. Audi chỉ sử dụng sáu mê-ga-jun. Các điều lệ của WEC gần như hoàn toàn cân đối những khác biệt này.
Đối với việc lựa chọn ý tưởng cho Porsche 919 Hybrid mỗi ý tưởng thay thế đều được cân nhắc kỹ càng. Không có câu hỏi nào về việc Porsche sẽ sử dụng năng lượng phanh ở trục trước hay không, điều này có nghĩa là một lượng năng lượng rất lớn từ khu vực này đã phần nào được phát triển cùng với quá trình phát triển tổng thể. Việc thu hồi năng lượng của hệ thống phanh thứ hai ở trục sau hoặc thông qua việc tân dụng khí thải lại được xem xét. Hai tiêu chí được nhấn mạnh về cách xử lý của hệ thống ống xả: Trước hết là trọng lượng, và sau đó là hiệu quả. Với việc thu hồi năng lượng phanh, hệ thống phục hồi năng lượng chỉ hoạt động trong một khoảng thời gian rất ngắn, có nghĩa là phải ứng phó với rất nhiều năng lượng, nhưng lại phải hy sinh về trọng lượng. Tuy nhiên, những giai đoạn tăng tốc lại dài hơn những giai đoạn phanh, tạo một khoảng thời gian dài hơn để thu hồi và làm cho hệ thống nhẹ hơn. Hơn nữa, với động cơ đốt trong, mẫu xe 919 đã được trang bị một hệ thống lái trên trục sau. Quá nhiều năng lượng cho trục sau sẽ khiến bánh xe quay vòng không hiệu quả. Hơn nữa, điều này dẫn đến việc hao mòn lốp năng nề.
Có thể cho rằng quyết định dũng cảm nhất của Porsche để phát triển hệ thống hybrid trên 919 đó là việc lựa chọn công nghệ 800 vôn. Thiết lập mức điện áp là một quyết định cơ bản trong hệ thống truyền động điện. Nó ảnh hưởng đến tất cả đến những yếu tố khác như thiết kế pin, thiết kế thiết bị điện tử, thiết kế động cơ điên và công nghệ sạc. Porsche đã thúc đẩy phát triển việc này đến mức xa nhất có thể.
Khó có thể tìm được các thành phần cấu tạo nên mức điện áp cao như thế này, đặc biệt là có được một bộ lưu trữ phù hợp. Bánh đà máy phát điện, siêu tụ điện hoặc pin? Porsche đã chọn một hệ thống pin lithium-ion làm mát bằng nước, với hàng trăm phần tử riêng biệt, mỗi phần tử được bao bọc kín trong khối kim loại hình trụ dạng con nhộng với chiều cao 7 cm và đường kính 1,8 cm.
Trong cả xe thương mại hay xe đua, mật độ điện và mật độ năng lượng phải được cân bằng. Mật độ điện càng cao trong một phần tử, thì năng lượng có thể được sạc và giải phóng nhanh hơn. Tham số khác, mật độ năng lượng, là phải xác định lượng năng lượng có thể được lưu trữ. Trong cuộc đua, các phần tử – nói theo nghĩa bóng – phải có đầu vào và đầu ra lớn. Bởi vì ngay sau khi phanh, một lượng lớn năng lượng sẽ được thu hồi, và khi tay đua tăng tốc lượng năng lượng này cũng phải được giải phóng chính xác theo cùng một tốc độ. Ví dụ như một so sánh thông thường: Nếu một khối pin lithium-ion trống trong một chiếc điện thoại thông minh có mật độ năng lượng tương tự như mẫu xe 919, nó sẽ được sạc hoàn toàn trong khoảng thời gian ít hơn một giây rất nhiều. Nhược điểm: Chỉ một đoạn trò chuyện ngắn cũng khiến cạn pin. Để điện thoại thông minh có thể sử dụng được trong nhiều ngày, mật độ năng lượng, cũng là dung lượng lưu trữ, phải được ưu tiên.
Trong một chiếc xe điện sử dụng hàng ngày, dung lượng lưu trữ có thể được hiểu thành quãng đường đi được. Về vấn đề này,yêu cầu cho xe đua điện và xe điện thương mại là khác nhau. Nhưng với mẫu xe 919, Porsche đã có bước tiến phi thường so với trước đây khi bước vào lĩnh vực quản lý hệ thống hybrid. Mẫu xe 919 đã đảm nhiệm vai trò tương tự như một phòng thí nghiệm về mức độ điện áp của các hệ thống hybrid trong tương lai. Kiến thức cơ bản quan trọng đã được khám phá trong chương trình LMP1. Chẳng hạn như làm mát cho bộ tích trữ năng lượng (pin) và mô tơ điện, công nghệ kết nối cho điện áp cực cao cũng như việc quản lý pin và thiết kế của các hệ thống. Từ kinh nghiệm này, các kỹ thuật viên trong phát triển sản xuất cũng đạt được chuyên môn quan trọng về mẫu xe ý tưởng bốn cửa Mission E với công nghệ sạc điện 800 vôn. Từ mẫu xe ý tưởng này một loạt sản phẩm sẽ xuất hiện vào cuối thập kỷ để trở thành mẫu xe tiên phong của Porsche chạy hoàn toàn bằng điện.
