Tìm hiểu về những chiếc xe đua "chạy điện" của Porsche

Lần đầu tiên Porsche đã tập hợp các mẫu xe hybrid mạnh mẽ nhất tại cùng một địa điểm nhằm giới thiệu mẫu xe đua 919 Hybrid LMP1 của bản hãng.

Nhằm giới thiệu mẫu xe đua 919 Hybrid LMP1 trong cuộc đua thử nghiệm trước mùa giải FIA World Endurance Championship (WEC) năm 2017 tại Monza, Ý, lần đầu tiên Porsche đã tập hợp các mẫu xe hybrid mạnh mẽ nhất tại cùng một địa điểm.

Cuộc hội ngộ của những chiếc xe thể thao công nghệ cao đã diễn ra từ vạch xuất phát đến vạch đích của đường đua nổi tiếng trong công viên hoàng gia gần Milan.

Tương lai của những chiếc xe thể thao mang động cơ điện: Với 911 GT3 R Hybrid và 919 Hybrid, nhà vô địch hai lần liên tiếp tại Le Mans, Porsche đã chứng minh điều này trên cả những dòng xe đua và ở các dòng xe thương mại.

Với việc tung ra mẫu xe 918 Spyder với công suất 652 kW (887 mã lực) vào năm 2013, Porsche đã tuyên bố một kỷ nguyên mới của những chiếc siêu xe thể thao: Ngoài động cơ 4,6 lít tám xi-lanh, mẫu xe còn sở hữu hai động cơ điện. Các bộ phận truyền động phối hợp cùng nhau mang đến trải nghiệm lái đầy cảm xúc và ngoạn mục.

Với mẫu xe Panamera Turbo S E-Hybrid mới, Porsche đã một lần nữa lập ra một kỷ lục mới. Lần đầu tiên, một mẫu xe lai chạy điện lại đại diện cho sức mạnh tối thượng của cả dòng xe. Mẫu xe thể thao 4 chỗ đầu tiên trong lịch sử của Porsche sử dụng hệ truyền động vận hành hoàn toàn bằng điện hiện đang được phát triển, và chuẩn bị ra mắt trước cuối thập kỷ này. Mẫu xe ý tưởng Mission E mà Porsche đã giới thiệu tại triển lãm Frankfurt IAA năm 2015, đã khơi nguồn cảm hứng cho dự án này.

Các nhà tiên phong về hiệu suất trong lĩnh vực xe hybrid nhấn mạnh tầm quan trọng lớn lao của việc chuyển đổi sang sử dụng năng lượng điện; tại Porsche, đổi mới là một truyền thống.

Porsche xem công nghệ "E-Performance" mới này – công nghệ mang lại nhiều sức mạnh hơn, trải nghiệm lái đầy cảm xúc hơn, mức tiêu thụ nhiên liệu thấp hơn và giảm thiểu lượng khí thải - như bộ công cụ tăng cường hiệu suất của tương lai.

Ngay từ ban đầu, Porsche đã nhìn nhận công nghệ hybrid không những cần thiết cho tính di động bền vững mà còn là một hình thức mang lại hiệu năng cao. Vào đầu năm 1899, ông Ferdinand Porsche đã thiết kế Lochner-Porsche "Mixte". Với sự kết hợp giữa động cơ đốt trong và một động cơ điện chạy bằng pin, đây được coi là chiếc xe hybrid tiêu chuẩn đầu tiên trên thế giới.

Porsche 911 GT3 R Hybrid (2010)

Vào năm 2010, Porsche đã trở lại với khái niệm truyền động "Mixte". Một lần nữa nhà sản xuất xe thể thao lại sử dụng đường đua như một phòng thí nghiệm và, sau hơn 20.000 chiến thắng, đã mở ra một chương mới trong lịch sử xe thể thao đầy thành công phi thường của Porsche 911 với phiên bản dành cho đường đua, 911 GT3 R Hybrid.

Hệ thống hybrid được đặc biệt phát triển để sử dụng trong mẫu xe thử nghiệm 911 GT3 R khác biệt đáng kể so với các khái niệm truyền thống tại thời điểm đó. Hệ thống truyền động trục trước với hai động cơ điện, mỗi động cơ sản sinh công suất 60 kW (82 mã lực) hỗ trợ cho động cơ 6 xi lanh 4,0 lít có công suất 480 mã lực đặt sau. Ở phiên bản Evo được giới thiệu năm 2011, mỗi động cơ được kích hoạt đồng bộ toàn thời gian để tạo ra công suất 75 kW (102 mã lực).

Trong các giai đoạn phanh, các đơn vị điện năng đảo chức năng và hoạt động như máy phát điện. Theo đó, hệ thống động cơ thu hồi động năng mà nếu không thông qua quá trình này sẽ bị phân tán thành lượng nhiệt dư thừa. Vì vậy, lần đầu tiên trong lịch sử đua xe điều này được gọi là: người đạp phanh là người chiến thắng.

Năng lượng được hồi phục làm quay hệ thống lưu trữ năng lượng bằng bánh đà cơ học dưới dạng một mô-tơ điện khác - cùng với các thiết bị hybrid khác, được đặt trong một hộc điện an toàn bằng sợi carbon ở khoang hành khách. Hệ thống được thiết kế và sản xuất bởi Williams Hybrid Power theo thông số kỹ thuật của Porsche, và đạt được tốc độ vòng quay 40.000 vòng/phút.

Nếu người lái xe cần dùng điện năng lưu trữ trong hệ thống này, ví dụ như tăng cường gia tốc đẩy hoặc trong những lúc xử lý vượt xe khác, bánh đà sẽ giảm tốc theo cơ chế điện từ trong chế độ máy phát. Do đó hai động cơ điện trên trục trước nhận được dòng điện đầu tiên đủ để tăng công suất thêm 120 kW (163 mã lực) và 150 kW (204 mã lực) kể từ phiên bản năm 2011 trong vòng 8 giây. Kết quả là động cơ 911 GT3 R Hybrid đã được chuyển đổi tạm thời thành một chiếc xe dẫn động bốn bánh toàn phần.

Tùy thuộc vào tình hình của cuộc đua, Porsche có thể sử dụng hệ thống truyền động hybrid để cải thiện hiệu suất hoặc mức tiêu thụ nhiên liệu. Điều này giúp các chiến lược gia có thể lựa chọn giữa bình nhiên liệu có trọng lượng nhẹ hay khả năng vận hành được nhiều vòng đua hơn giữa hai lần pit-stop.

Mặc dù chiến thắng của siêu xe 911 GT3 R Hybrid trong cuộc đua kéo dài 24 giờ trên đường đua Nürburgring không phải là mục đích chính, nhưng nhà vô địch về công nghệ sáng tạo gần như đã thành công trong việc này tại buổi ra mắt năm 2010. Mẫu xe hybrid 911 GT3 R Hybrid màu cam – trắng đã phải rời cuộc đua sau 22 giờ 15 phút do một khiếm khuyết về mặt cơ khí của động cơ đốt trong.

Tại thời điểm này, chiếc xe đã giữ vững vị trí dẫn đầu của cuộc đua trong tám giờ, điều này chứng minh rằng công nghệ hybrid được phát triển bởi Porsche mang tính cạnh tranh cao trên đường đua và nhấn mạnh ý nghĩa quan trọng của "Porsche Intelligent Performance". Cũng trong cùng năm đó, 911 GT3 R Hybrid đã hoàn thành các cuộc đua sức bền ở Road Atlanta (Mỹ) và Zhuhai (Trung Quốc) mà không gặp bất kỳ vấn đề gì. Trong suốt 24 giờ của đường đua Nürburgring năm 2011, chiếc xe đua hybrid đã trải qua những sự cố tạm thời trong hệ truyền động cơ, nhưng sau đó đã có thể bắt kịp và cán đích ở vị trí thứ 28.

Porsche 918 Spyder (2013)

Với chiếc 918 Spyder sử dụng động cơ lai, năm 2013, Porsche đã mở ra một kỷ nguyên mới với sự phát triển trong thập kỷ này sẽ hướng đến mẫu xe thể thao đầu tiên chạy hoàn toàn bằng điện của thương hiệu. 918 Spyder sở hữu hiệu suất cao trên đường đua, nhưng cũng có thể lướt đi trong thành phố mà không tạo ra khí thải và hầu như không phát ra tiếng ồn.

Thiết kế tiên tiến của hệ thống plug-in hybrid, đã kết hợp hiệu suất hệ thống có công suất 652 kW (887 mã lực) với tốc độ tối đa 345 km/giờ và mức tiêu thụ nhiên liệu trung bình theo tiêu chuẩn NEDC 3,1 lít/100 km. Năm 2013, mẫu xe 918 Spyder trở thành mẫu siêu xe thể thao thương mại đầu tiên phá vỡ kỷ lục bảy phút trên đường đua Nürburgring Nordschleife. Thời gian đạt kỷ lục là 6,57 phút, cùng các yếu tố khác, lực tăng tốc bổ sung của hai mô-tơ điện và áp dụng kinh nghiệm về động cơ hybrid mà Porsche đã đạt được từ mẫu xe 911 GT3 R Hybrid.

Một tính năng đặc biệt của chiếc siêu xe thể thao hai chỗ ngồi tiêu chuẩn là ba động cơ độc lập. Các động cơ này có thể được kiểm soát riêng lẻ và tạo tiền đề cho một hệ thống dẫn động bốn bánh toàn phần duy nhất bằng cách khai thác tất cả các khả năng kết hợp của hệ thống truyền động tổng hợp. Động cơ V8 4,6 lít vòng tua cao có công suất 447 kW (608 mã lực) đã hình thành nên khái niệm này. Bằng các biện pháp của bộ phận ly hợp khô, kết nối trực tiếp với động cơ điện chuyển mạch song song với công suất 115 kW (156 mã lực). Cả hai động cơ này đều có thể cung cấp riêng lực cho trục sau hoặc kết hợp thông qua Hộp số 7 cấp ly hợp kép của Porsche (PDK). Khi không cần lực truyền, động cơ có thể được tách ra hoàn toàn với tốc độ lên đến 150 km/giờ. Điều này cho phép sử dụng chế độ "chạy trớn" của Porsche điển hình với động cơ đốt trong được tắt.

Động cơ điện thứ hai tự hoạt động, không phụ thuộc vào trục sau. Động cơ đồng bộ nhỏ và nhẹ này luôn hoạt động với rô-tơ bên trong, kết hợp tốc độ động cơ tối đa là 16.000 vòng/phút cùng khả năng sản sinh hiệu suất cao. Thông qua một hộp số truyền động với tỷ số truyền liên tục, động cơ này truyền công suất 95kW (129 mã lực) đến bánh trước. Điều này có nghĩa là chiếc 918 có một hệ thống dẫn động bốn bánh toàn phần tạm thời giúp cải thiện lực kéo và mang lại nhiều lợi thế về động lực vận hành. Động cơ điện phía trước tách ra thông qua một bộ ly hợp vấu tích hợp chỉ khi tốc độ đạt khoảng 265 km/giờ. Do đó, chức năng vận hành bốn bánh toàn phần bằng điện luôn sẵn sàng bất cứ lúc nào.

Ngoài việc tăng cường lực tăng tốc, cả hai thiết bị điện cũng có thể thu hồi năng lượng. Dòng điện này được lưu trữ bởi hệ thống pin sạc lithium-ion với công suất 6,8 kWh. Được đặt theo đường chéo trên mặt sàn liền khối phía sau ghế, được phân biệt bằng các ngăn riêng đặc biệt. Một điểm được coi là điển hình trên các mẫu xe sử dụng hệ thống sạc điện plug-in, chúng có thể được sạc bằng ổ cắm với bộ sạc điện xoay chiều bên trong xe với thời gian sạc tối đa 3,8 giờ hoặc qua tùy chọn trạm sạc nhanh trực tiếp hiện có của Porsche trong khoảng 25 phút. 

Porsche 919 Hybrid (kể từ năm 2014)

Những trải nghiệm với 911 GT3 R Hybrid và 918 Spyder cũng tạo cảm hứng cho sự phát triển của mẫu xe Porsche 919 Hybrid. Cùng với đó, thương hiệu xe thể thao trở lại hạng đua hàng đầu tại Giải Vô Địch Thế giới về Sức bền (WEC) vào năm 2014, và từ đó cũng tiếp tục thi đấu tại cuộc đua danh giá 24 giờ tại Le Mans. Với công suất trên 900 mã lực (662 kW), 919 Hybrid được phát triển hoàn toàn mới và cực kỳ phức tạp, được xem là phòng thí nghiệm có tốc độ nhanh nhất và là chiếc xe đua tiên tiến nhất mà Porsche đã từng chế tạo.

Ngay từ đầu, khái niệm kỹ thuật táo bạo này mang định hướng rõ ràng: Hiệu năng tối ưu có được thông qua hiệu quả lớn nhất có thể đạt được của tất cả các thành phần cấu thành. Điều này áp dụng đồng thời với tính khí động học của các phiên bản xe nguyên mẫu dành cho Le Mans và cấu trúc trọng lượng nhẹ không thỏa hiệp từ tất cả các yếu tố, đặc biệt là các hệ thống thu hồi năng lượng và truyền động - các công nghệ tiên tiến có tầm quan trọng lớn đối với việc sử dụng trong các dòng xe sản xuất hàng loạt. Những công nghệ này bao gồm công nghệ 800 vôn, công nghệ định hình mẫu xe ý tưởng Mission E với động cơ vận hành hoàn toàn bằng điện điện. Công trình nghiên cứu phiên bản thương mại của xe thể thao 4 cửa sẽ được giới thiệu trước cuối thập kỷ này.

Theo các quy định kỹ thuật của giải đua WEC, được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 2014 và tạo cơ hội cho mẫu xe 919 thiết lập quyền tự quyết hoàn toàn cho các giải pháp sáng tạo, Porsche đã chọn một con đường khác thường: Động cơ hybrid dựa trên hai hệ thống thu hồi năng lượng khác nhau.

Động cơ đầu tiên hoạt động theo cách tương đối thông thường và bắt nguồn từ mẫu xe 911 GT3 R hybrid: Một máy phát điện trên trục trước chuyển đổi động lực thành năng lượng điện trong các quá trình phanh. Động cơ thứ hai tiên tiến hơn và thậm chí cho đến nay chưa từng có trên vạch xuất phát của Giải Xe Thể Thao Vô Địch Thế Giới bởi vì động cơ này lấy nguồn năng lượng nhiệt động lực từ dòng khí thải.

Để làm được điều này, một thiết bị máy phát tua-bin bổ sung sẽ thực hiện nhiệm vụ của van cửa xả (wastegate): van điều khiển bảo vệ các hệ thống turbo khỏi sự quá tải bằng cách cho phép áp suất đỉnh điểm triệt tiêu. Từ năng lượng khí thải này,từng bị bỏ phí, bộ phận được gọi là MGU-H (Bộ Mô-tơ Phát Điện từ Nhiệt - Motor Generator Unit Heat) tạo ra dòng điện. Kết quả là, Porsche 919 Hybrid là mẫu xe thể thao duy nhất trong phân khúc xe hàng đầu hạng đua LMP1-H có khả năng thu hồi năng lượng dư thừa không chỉ trong quá trình phanh, mà còn trong quá trình tăng tốc.

Về phương pháp lưu trữ của 919, hệ thống lưu trữ năng lượng bánh đà được sử dụng trong mẫu xe 911 GT3 R Hybrid ban đầu dường như là sự lựa chọn đầu tiên, nhưng Porsche lại một lần nữa theo đuổi con đường liều lĩnh hơn với một khái niệm sáng tạo: Tự phát triển, hệ thống pin sạc lithium-ion làm mát bằng chất lỏng, được dựa trên công nghệ pin từ công ty đối tác A123 Systems, kết hợp dung lượng lưu trữ tương đối lớn với mật độ năng lượng cao. Vì vậy, hệ thống này cung cấp sự cân bằng tốt nhất giữa mức tiêu thụ điện năng nhanh chóng và công suất sản sinh. Trong những giai đoạn tăng tốc, năng lượng sẽ chuyển hướng vào máy phát điện phía trước, sau đó hoạt động như một động cơ điện đơn và lái hai bánh trước thông qua một vi sai. Điều này mang lại cho Porsche 919 Hybrid hệ thống dẫn động bốn bánh toàn phần tạm thời, bởi vì sức mạnh của động cơ đốt trong với 4 xi-lanh xếp hình chữ V có dung tích 2,0 lít chỉ truyền đến trục sau.

Một điểm đáng chú ý trong các quy định của phân hạng LMP1-H tại giải đua WEC là lượng điện năng có thể phục hồi cho mỗi vòng và được sử dụng lại để tăng tốc bị hạn chế. Năm 2015, Porsche 919 Hybrid trở thành mẫu xe đầu tiên được tung ra trong hạng mục 8 mê-ga-jun. Đối với quãng đường dài 13.629 km của đường đua "Circuit des 24 Heures" tại Le Mans, điều này có nghĩa là chiếc xe nguyên mẫu này có thể áp dụng chính xác 2,22 kilôoat giờ cho mỗi vòng, tiêu tốn 8 MJ (1 MJ = 0,28 kWh) và tiêu thụ tối đa 4,31 lít xăng. Năng lượng điện của Porsche 919 Hybrid hồi phục tại Le Mans trong mỗi cuộc đua 24 giờ vào năm 2015 và 2016, nơi mẫu xe đã giành chiến thắng trong cả hai năm liên tiếp, sẽ đủ để cung cấp điện cho một gia đình trong vòng ba tháng.

Porsche Panamera Turbo S E-Hybrid (2017)

Ngôi sao mới nhất trong hệ thống công nghệ hybrid của Porsche là phiên bản Panamera Turbo S E-Hybrid. Mẫu xe saloon bốn cửa vừa ra mắt thế giới tại triển lãm Geneva Motor Show vào đầu tháng 3 vừa qua, và đã trở thành mẫu xe cao cấp nhất của dòng xe Panamera. Sự phối hợp của động cơ V8 4,0 lít từ Panamera Turbo với động cơ điện 100 kW (136 mã lực) đã tạo ra tổng công suất lên đến 500 kW (680 mã lực) và khả năng cung cấp năng lượng vượt trội: Khi tốc độ động cơ vừa mức không tải, Panamera Turbo đã có mô-men xoắn 850 Nm. Điều này cho phép tăng tốc từ 0 lên 100 km/giờ trong 3,4 giây và đạt tốc độ tối đa 310 km/giờ.

Hệ thống pin sạc lithium-ion điện thế cao làm mát bằng chất lỏng được đặt ở phía sau có công suất 14,1 kWh. Thông qua một kết nối 230 vôn với 10 am-pe, hệ thống pin sẽ được sạc đầy trong vòng 6 giờ. Tùy chọn bộ sạc trên xe với công suất 7,2 kW rút ngắn quá trình sạc pin chỉ còn 2,4 giờ.

Như trên phiên bản Panamera 4 E-Hybrid, bộ phận ly hợp được sử dụng trong mô-đun hybrid của Porsche được kiểm soát cơ và điện tử bằng bộ điều khiển ly hợp điện tử (ECA). Lợi thế của việc này là thời gian phản hồi ngắn và độ thoải mái cao. Chiến lược tăng tốc của hệ thống dẫn động bốn bánh toàn phần trên dòng xe Panamera, có thể đi được quãng đường 50 km chỉ sử dụng động cơ điện, bắt nguồn từ siêu xe thể thao 918 Spyder.

Phiên bản Panamera Turbo S E-Hybrid khởi động mặc định ở chế độ vận hành hoàn toàn bằng điện "E-Power". Khi bàn đạp ga vượt qua điểm áp suất định sẵn hoặc khi dung lượng pin giảm xuống dưới mức tối thiểu, chế độ "Hybrid Auto" sẽ được kích hoạt. Sau đó, lực dẫn động được sản sinh từ cả hai động cơ.

Tất cả bốn mẫu xe hybrid của Porsche đều chứng minh rằng sự kết hợp của hai nguồn năng lượng này đã làm hài hoà giữa hiệu suất và hiệu quả nhiên liệu - cả trên đường trường hay trên đường đua.