Porsche E-Performance: Das E steht für Emotion

Es liegt ein enormes Potenzial im Einsatz von E-Maschinen in Automobilen. Ein Potenzial, dass die Ingenieure und Entwickler bei Porsche nicht nur konsequent nutzen, sondern auch auf ein eigenes Level heben. Im Klartext bedeutet das, die Möglichkeiten der Technologie bis ins kleinste Detail zu erforschen und dabei alles herauszuholen, was machbar ist.

Die Geisteshaltung im Unternehmen Porsche hat sich seit der Ära Ferdinand Porsche nicht geändert, wohl aber die technologischen Voraussetzungen. Ferdinand Porsche standen verhältnismässig einfache Gleichstrommotoren zur Verfügung. Heute kommen hoch entwickelte E-Maschinen zum Einsatz, die aus jedem zugelieferten Watt das Maximum herausholen. Denn Porsche setzt auch bei den E-Modellen voll auf Performance.

Im Kern geht es um das Funktionsprinzip einer E-Maschine: Es gibt permanenterregte Synchronmaschinen (PSM) und Asynchronmaschinen (ASM). Der grösste fühlbare Unterschied: die PSM bietet eine höhere Dauerleistung, neigt weniger schnell zum Überhitzen und die Leistung im Betrieb kann wesentlich später abgeregelt werden. Deshalb hat Porsche sich trotz höherer Kosten für die PSM-Technik entschieden.

Wie sich E-Performance anfühlt

Auf der Rennstrecke haben wir den Taycan GTS einem kleinen Stresstest unterzogen.  Dauerleistung und extrem hartes Anbremsen und Herausbeschleunigen aus den Kurven standen auf dem Programm. Der Taycan überzeugt nicht nur mit exzellentem Fahrverhalten aufgrund der Abstimmung von Federung und Dämpfung. Auch die Technologie hinterlässt einen faszinierenden Eindruck. Der Schub nach jeder Kurve ist schlichtweg phänomenal, bleibt auch beim zehnten, elften oder zwölften harten Antritt auf dem gleichen Niveau. Selbst unter rennmässigen Bedingungen über 20 Kilometer unter absoluter Volllast nimmt die Leistung nicht im Geringsten ab. Und die Bremsen sorgen trotz der enormen Belastung für gleichbleibende Verzögerung.

Im Alltag sind derartige Fahrmanöver natürlich nicht gefragt. Doch gute Bremsen und bei Bedarf richtig schnelle Beschleunigungsmanöver tragen in der Praxis zur Sicherheit und Souveränität bei. So werden Überholmanöver auf der Landstrasse mit Leichtigkeit vollzogen und wenn es darauf ankommt, bringen die Bremsen den Taycan GTS rechtzeitig zum Stehen. Alles so, wie es von einem Porsche zu erwarten ist. Aber eben auch: alles neu, alles elektrisch. Was steckt hinter der Technik?

Wie E-Performance funktioniert

Porsches PSM wird über eine Leistungselektronik mit dreiphasiger Wechselspannung versorgt und gesteuert. Über die Frequenz der Wechselspannung, mit der sie um den Nullpunkt von Plus zu Minus pendelt, wird die Drehzahl des Motors bestimmt. Der Pulswechselrichter gibt sowohl bei den Taycan- als auch bei den Macan-Motoren die Frequenz des Drehfeldes im Stator vor und reguliert so die Drehzahl des Rotors.

Der Rotor indessen verfügt über hochwertige Dauermagnete mit Legierungen aus Neodym-Eisen-Bor, die im Fertigungsverfahren durch ein starkes gerichtetes Magnetfeld dauerhaft magnetisiert werden. Diese Dauermagnete ermöglichen zudem eine extrem hohe Energierückgewinnung durch die Rekuperation beim Bremsen. Im Schubbetrieb wechselt die E-Maschine in den Generator-Betrieb und lässt die Magnete Spannung und Strom in die Statorwicklung schicken. Die Rekuperationsleistung des Porsche-E-Motors ist eine der Höchsten im Wettbewerbsumfeld.

Das aber ist längst nicht alles. Die Wicklung der Maschinen und der Pulswechselrichter tragen ebenfalls dazu bei, ein Maximum an Performance zu erzielen. Die von Porsche beim Taycan an der Vorderachse eingesetzte sogenannte Hairpinwicklung ist dabei ein wesentlicher Bestandteil. Bei ihr bestehen die Spulen des Stators aus Drähten, die nicht rund, sondern rechteckig sind. Und im Gegensatz zu den klassischen Wicklungsverfahren, die den Kupferdraht von einer endlosen Rolle beziehen, ist die Hairpintechnologie ein umformbasiertes Montageverfahren. Der rechteckige Kupferdraht wird in einzelne Abschnitte unterteilt und u-förmig gebogen – ähnlich wie eine Haarnadel, auf Englisch: hairpin.

Kompakte Kraft

Diese einzelnen Klammern werden in die Statorbleche, in denen die Wicklung gelagert ist, so eingeschoben, dass die Flächen des rechteckigen Querschnitts aufeinanderliegen. Darin liegt der entscheidende Vorteil der Hairpintechnologie: Sie erlaubt, die Drähte dichter zu packen und dadurch mehr Kupfer in den Stator zu bringen. Während herkömmliche Wicklungsverfahren einen Kupferfüllfaktor von etwa 50 Prozent aufweisen, liegt er bei der von Porsche angewandten Technologie bei fast 70 Prozent. Dadurch steigen Leistung und Drehmoment bei gleichem Bauraum – ein kompaktes Kraftpaket. Diese technischen Vorteile gelten auch für die von Porsche entwickelte i-Pin-Technologie, die im Macan und an der Taycan-Hinterachse zum Einsatz kommt. Im Unterschied zu Hairpins werden i-Pins nicht gebogen, sondern beidseitig verschweisst.

Die Enden der Drahtklammern werden per Laser verschweisst, wodurch die Spule entsteht. Ein weiterer wichtiger Vorteil ist, dass der homogene Kontakt der benachbarten Kupferdrähte die Wärmeübertragung verbessert und ein Hairpinstator deutlich effizienter gekühlt werden kann. Elektromotoren setzen zwar die Energie zu mehr als 90 Prozent in Vortrieb um. Aber auch hier entsteht ebenso wie bei einem Verbrennungsmotor – wenn auch in deutlich geringerem Umfang – Abwärme, die abgeführt werden muss. Deshalb tragen die E-Maschinen einen Kühlwassermantel.

Die Leistungselektronik ist entscheidend, um den permanenterregten Synchronmotor exakt ansteuern zu können. Und da kommt als Steuerungseinrichtung der Pulswechselrichter ins Spiel. In diesen hat Porsche jede Menge Know-how gesteckt. Er ist dafür zuständig, den Batteriegleichstrom mit 800 Volt Spannung in Wechselstrom umzuwandeln und den beiden E-Maschinen zuzuführen. Einst für den Rennwagen Porsche 919 Hybrid entwickelt, reduziert die mit der Einführung des Taycan erstmals in einem Serienmodell verbaute 800-Volt-Technologie Gewicht und Bauraum durch schlankere Kabel. Gleichzeitig ermöglicht sie kürzere Ladezeiten. Die Elektromotoren erreichen bis zu 16.000 Umdrehungen pro Minute.

Um diese Drehzahlspanne für die Porsche-typische Spreizung zwischen Dynamik, Effizienz und Höchstgeschwindigkeit optimal zu nutzen, haben die vordere und die hintere Antriebseinheit jeweils ein eigenes Getriebe. Als erster Elektrosportwagen überhaupt besitzt der Taycan an der Hinterachse ein Getriebe mit zwei schaltbaren Gängen, wovon der erste sehr kurz untersetzt ist. Anders sieht es an der Vorderachse aus. Hier überträgt ein Eingang-Planetengetriebe die Kraft des E-Motors an die Räder. Aufgabe des länger übersetzten zweiten Gangs an der Hinterachse ist die Sicherstellung von Effizienz und Leistungsreserven bei hoher Geschwindigkeit. Aus dieser Kombination schöpft schon der Taycan Turbo S mit bis zu 700 kW (952 PS, Taycan Turbo S: CO₂-Emissionen* kombiniert (WLTP) 0 g/km, Stromverbrauch* kombiniert (WLTP) 19,9 – 17,8 kWh/100 km, Elektrische Reichweite kombiniert (WLTP) 573 – 634 km, Elektrische Reichweite innerorts (WLTP) 633 – 698 km) gewaltige Kräfte.

Booster für den Turbo

Doch Porsche und seine Entwickler haben sich noch nie mit dem bisher erreichten zufriedengegeben. Keine Überraschung also, dass eine weitere Leistungssteigerung auf der To-Do-Liste ganz weit oben stand. Zuständig für die Umsetzung waren Christian Müller, bei Porsche als Technischer Projektleiter für Taycan-Sonderfahrzeuge, und sein Team. „Eine Leistungssteigerung gehört zu den wesentlichen Bausteinen für ein auf bedingungslose Performance ausgelegtes Derivat. Darum haben wir uns damit bereits in einer sehr frühen Phase der Entwicklung beschäftigt.“ Im Vergleich zum Taycan Turbo S können beim Spitzenmodell Turbo GT für maximal zehn Sekunden bis zu 120 kW (163 PS; Taycan Turbo GT: CO₂-Emissionen* kombiniert (WLTP) 0 g/km, Stromverbrauch* kombiniert (WLTP) 21,2 – 20,5 kWh/100 km, Elektrische Reichweite kombiniert (WLTP) 540 – 559 km, Elektrische Reichweite innerorts (WLTP) 656 – 679 km) an zusätzlichem Schub abgerufen werden. Quasi als Booster für den Turbo.

Hier kommt erneut dem Pulswechselrichter eine entscheidende Bedeutung zu. Im Taycan Turbo S kommt ein Wechselrichter mit 600 Ampere (A; Taycan Turbo S: CO₂-Emissionen* kombiniert (WLTP) 0 g/km, Stromverbrauch* kombiniert (WLTP) 19,9 – 17,8 kWh/100 km, Elektrische Reichweite kombiniert (WLTP) 573 – 634 km, Elektrische Reichweite innerorts (WLTP) 633 – 698 km) zum Einsatz, um die Gleichspannung der 105-kWh-Hochvoltbatterie in Wechselspannung umzuwandeln und die E-Maschine anzusteuern. Der Pulswechselrichter im Turbo GT arbeitet hingegen mit einer Stromstärke von bis zu 900 A (Taycan Turbo GT: CO₂-Emissionen* kombiniert (WLTP) 0 g/km, Stromverbrauch* kombiniert (WLTP) 21,2 – 20,5 kWh/100 km, Elektrische Reichweite kombiniert (WLTP) 540 – 559 km, Elektrische Reichweite innerorts (WLTP) 656 – 679 km). Damit wird mehr elektrische Energie in Richtung der E-Maschine gedrückt. Zudem kommt im Wechselrichter des GT Siliziumkarbid anstelle von Silizium als Halbleitermaterial zum Einsatz. Es reduziert Schaltverluste und ermöglicht eine schnellere Taktfrequenz.

„Damit haben wir einen deutlich verbesserten Wirkungsgrad und in Verbindung mit einer optimalen Abstimmung auf die E-Maschine wird auch eine höhere Dauerleistung erreicht“, erklärt Müller. Waren einstmals im Autoquartett Werte von Hubraum, Zylinder oder PS die entscheidenden Faktoren, wären es heute ausser den Leistungsdaten wohl eher die Stärke eines Pulswechselrichters, Ladezeiten oder Reichweite. Kategorien, in denen Porsche wieder ganz vorn mitspielt.

Ausser den Anpassungen des Wechselrichters mussten auch die permanenterregte Synchronmaschine sowie das Zweigang-Getriebe an der Hinterachse neu abgestimmt werden. Die grössere Belastung aufgrund des höheren Eingangsmoments machte eine Überarbeitung der Getriebekomponenten notwendig. Die Oberflächen der Zahnradpaare wurden entsprechend behandelt, die Lager angepasst und die Kupplung verstärkt. Um die höhere Endgeschwindigkeit von 305 Kilometern pro Stunde (Taycan Turbo GT: CO₂-Emissionen* kombiniert (WLTP) 0 g/km, Stromverbrauch* kombiniert (WLTP) 21,2 – 20,5 kWh/100 km, Elektrische Reichweite kombiniert (WLTP) 540 – 559 km, Elektrische Reichweite innerorts (WLTP) 656 – 679 km) realisieren zu können, musste der zweite Gang länger übersetzt werden. Unterm Strich bietet der Taycan Turbo GT eine Leistung von 580 kW (789 PS). Wird beim Start die Launch Control (LC) aktiviert, liegen 760 kW (1.034 PS) an – und mit LC-Overboost-Leistung für maximal zwei Sekunden 815 kW (1.108 PS). Da bleibt beim Antritt keine Zeit, um Luft zu holen. Emotion pur ist angesagt.

BEV: Wie gross muss eine Batterie sein?

Nun ist eine Menge über die Leistung und die enorme Bedeutung des Pulswechselrichters gesagt worden. Doch mindestens ebenso wichtig für die Akzeptanz und Nachhaltigkeit eines E-Fahrzeugs ist die Antriebsbatterie. Wie gross muss der Energiespeicher sein, um eine entsprechende Reichweite zu ermöglichen? Welche Zellen – wäre auch ein Punkt im neuen Autoquartett – werden verbaut, um Leistung und Effizienz gleichermassen zu erreichen?

Wie nicht anders zu erwarten, geht Porsche auch an dieser Stelle einen eigenen Weg. Um für Kunden des Sportwagenherstellers eine den Bedürfnissen entsprechende Batteriegrösse zu finden, wurde Prioritäten und tatsächliche Alltagseinsätze in die Überlegungen einbezogen und analysiert. Dass die Fahrdynamik bei den Wünschen der Sportwagenklientel einen hohen Stellenwert hat, ist fast selbstverständlich. Auf der anderen Seite werden bei Langstreckenreisen kurze Fahrzeiten akzeptiert, wenn schnelles Nachladen machbar ist. Grosse Batterien werden zwar häufig mit grosser Reichweite und damit kürzeren Reisezeiten sowie einem Plus an Fahrdynamik gleichgesetzt. Virtuelle Simulationen von Runden auf der Nordschleife haben hingegen gezeigt, dass sich das Gewicht beim Einsatz entweder zu grosser, aber auch zu kleiner Akkus negativ auf die Performance auswirkt.

Im Spannungsfeld zwischen Reichweite, Performance und Nachhaltigkeit hat sich Porsche auf die Reisedauer fokussiert. Hierbei bietet eine Batteriegrösse im Bereich von 100 kWh die optimale Balance. Der aktuelle Taycan hat eine Kapazität von 105 kWh (brutto) und 97 kWh netto – und kann an DC-Ladesäulen unter optimalen Bedingungen mit bis zu 320 kW (Taycan: CO₂-Emissionen* kombiniert (WLTP) 0 g/km, Stromverbrauch* kombiniert (WLTP) 19,1 – 16,7 kWh/100 km, Elektrische Reichweite kombiniert (WLTP) 520 – 592 km, Elektrische Reichweite innerorts (WLTP) 593 – 664 km) geladen werden. Das sind 50 kW mehr als bisher. Durch die gesteigerte Laderobustheit sind hohe Ladeleistungen von mehr als 300 kW sogar bis zu fünf Minuten lang erreichbar. Dadurch verringert sich die Ladezeit von zehn auf 80 Prozent State of Charge (SoC) trotz der grösseren Batteriekapazität um knapp vier auf 18 Minuten. Die höhere Ladeleistung und die verbesserte Effizienz führen somit in zehn Minuten zu einer Steigerung der nachgeladenen Reichweite auf bis zu 315 Kilometer. Dies entspricht einer Steigerung von 40 Prozent gegenüber einem Taycan der ersten Generation. Leistungsdaten solcher Art zählen nach wie vor zu den Markenzeichen des Sportwagenherstellers.

Porsche hat zudem mit einer neuen Zellchemie die Energiedichte der Batterie um etwa zehn Prozent erhöht. Und einen modifizierten Pulswechselrichter mit optimierter Software, ein geändertes Thermomanagement sowie eine Wärmepumpe der nächsten Generation eingesetzt. Das alles führt beim neuen Taycan zu einer WLTP-Reichweite von fast 680 Kilometern – 175 Kilometer mehr als beim Vorgänger. So lässt sich die längere Reise noch unbeschwerter als bisher in Angriff nehmen.

Ein weiterer wichtiger Punkt, um Ladestopps hinauszuzögern ist die Rekuperation. Sobald der Fahrer das Bremspedal betätigt, schalten die E-Maschinen auf generatorischen Betrieb um. Dann treiben die Motoren nicht mehr die Räder an, sondern umgekehrt. Das bremst das Fahrzeug ab und erzeugt zugleich Strom, der zum Laden der Batterie genutzt werden kann. Beim Taycan können ebenso wie beim Macan 90 Prozent aller Bremsvorgänge im Alltag rein elektrisch erfolgen, also ohne Beteiligung des hydraulischen Systems. Beim Taycan haben die Entwickler die maximale Rekuperation von 290 auf bis zu 400 kW (Taycan: CO₂-Emissionen* kombiniert (WLTP) 0 g/km, Stromverbrauch* kombiniert (WLTP) 19,1 – 16,7 kWh/100 km, Elektrische Reichweite kombiniert (WLTP) 520 – 592 km, Elektrische Reichweite innerorts (WLTP) 593 – 664 km) erhöht – ein Sprung um 30 Prozent.

Beim ebenfalls mit 800-Volt-Technologie ausgerüsteten Macan, der als erstes Porsche-Modell auf der gemeinsam mit Audi entwickelten PPE-Plattform (Premium Platform Electric) steht, liegt die maximale Rekuperationsleistung bei stattlichen 240 kW (Macan Electric: CO₂-Emissionen* kombiniert (WLTP) 0 g/km, Stromverbrauch* kombiniert (WLTP) 19,8 - 17,0 kWh/100 km, Elektrische Reichweite kombiniert (WLTP) 536 – 641 km, Elektrische Reichweite innerorts (WLTP) 696 – 831 km). Bei optimalen Bedingungen können an einer entsprechenden Ladesäule bis zu 270 kW in den Antriebsakku eingespeist werden. So dauert es 21 Minuten, um den Akku von zehn auf 80 Prozent Ladung bringen, und vier Minuten, um Strom für 100 Kilometer in die Batterie zu leiten.

Das Thermomanagement des Fahrzeugs sorgt nicht nur für Wohlfühltemperaturen im Innenraum, sondern stellt auch die optimale Konditionierung der Hochvoltbatterie sicher. Je nach Ladesäule und erwartetem Ankunfts-SOC an der Säule wird die Batterie auf die optimale Betriebstemperatur gebracht. Dazu wurde beim Macan ein sechs Kilowatt starker Hochvolt-Heizer verbaut, der den Zellen vor allem in der kalten Jahreszeit entsprechend gute Bedingungen beschert. Beim Taycan kann durch die Kombination von HV-Heizer und Wärmepumpe sogar eine Heizleistung von 17 kW erreicht werden.

BEV-Entwicklung schreitet weiter voran

Kürzere Ladezeiten und eine nochmals verbesserte Fahrdynamik werden in den kommenden Jahren auch aufgrund der Fortschritte in der Batterietechnologie zu erwarten sein.

Mit Blick auf den Elektroantrieb generell mag es zwar verwundern, dass Porsche an Bezeichnungen wie Turbo, Turbo S oder Turbo GT ebenso festhält wie beispielsweise am Kürzel GTS. Hier aber will der Sportwagenhersteller wie auch bei den Verbrennern schlichtweg ein klares Zeichen für das Plus an Performance der jeweiligen Modellversion geben.

Performance und Emotion machen seit jeher die Faszination Porsche aus. Daran hat sich seit den ersten von Ferdinand Porsche entwickelten Modellen – ob mit E-Antrieb oder Verbrennungsmotor –nichts geändert. Dazu braucht es neue Ideen, akribische Entwicklungsarbeit und Herzblut. Diesem Ziel fühlt man sich heute noch ebenso verpflichtet wie in den ersten Tagen des Sportwagenbaus bei Porsche.