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纯电动汽车到底需不需要变速箱?
作者:亚博网址    发布日期:2020-06-13 20:42


  一直以来,纯电动汽车给用户留下的印象是结构简单,只需要一级主减速器,不需要在不同的挡位之间进行切换。然而,最近似乎有一种“由简入繁”的趋势——又有人想给电动车装上一台变速箱。这是怎么回事呢?

  最近,舍弗勒为P4构架的插电混动车型设计了一种带有两个挡位的后轴电驱动桥,并且搭载在已经上市的WEY P8、长安CS75 PHEV上。由于P4构架发动机与电机的动力不会在同一轴上耦合,因此P4构架的电驱部分可以独立成为一台后驱的纯电动车型——换言之,舍弗勒的两挡后轴电驱动桥,事实上有潜力开发成一台带两挡变速的纯电动车。

  这在很大程度上改变了我们对于纯电动车型的认知。为什么纯电动车型也开始搭载变速箱?它的意义何在?可能会有哪几种形式?

  这个问题或许要先从传统能源车型的变速箱说起。内燃机有这样两个共通的特性——低转速扭矩较低(起步时扭矩接近于0),最高转速较低。

  于是,内燃机车型搭载变速箱的必要性就出现了:首先是提供空挡,使发动机可以启动并达到怠速;其次是将低转扭矩放大,使发动机可以带动车轮起步;而扭矩放大的唯一方法是利用高传动比,这会导致发动机过快到达最高转速,而车速依然很低,这时需要变速箱提供合理的齿比,满足高速行驶的需求。

  需要指出的是,满足以上三个必要性需求并不需要过多的挡位。笔者曾经开过1965年的初代Mustang,它搭载的是一台3AT变速箱,但可以满足正常时速区间段行驶的需求(虽然换挡冲击非常严重,油耗也奇高)。之前MG6的手动挡版本,2挡就可以突破100km/h的时速。因此,目前热议的9AT,甚至10AT,只是满足更高阶需求应运而生的产物。

  何谓更高阶的需求?那便是提高平顺性、降低油耗,挡位越多,动力衔接越绵密,平顺性自然就越好;同时在同一速度下,有更高的挡位降低发动机转速,提高发动机负荷,使发动机工作在其万有特性图更理想的工况区间内,有助于降低能耗。

  之所以纯电动车在结构上可以用一级减速实现日常行驶功能,是因为电机自身的特性,恰好可以规避内燃机的劣势——电机在零转速时,即可达到扭矩最大值,且转速范围相对宽泛,可以支持高速行驶,中途不用换挡,更能确保车辆加速的平顺性。从机械特性的角度看,电动机其实非常适合作为动力的来源。

  市区正常行驶(包含堵车等情况),电耗可以控制在13.5kWh/100km左右,而在120km/h左右的高速行驶条件下,即使采用稳定的巡航操作,电耗也很难低于15kWh/100km,中间有超过10%的差距。相比而言,燃油车在120km/h时虽然不是最经济工况区间,但是其高速油耗还是低于城市工况的。

  随着车速增加,电机转速升高到截止值,功率、扭矩急剧下降,因此最高时速仅为140km/h左右。笔者的车辆最大功率85kw,车重1420kg,与一台典型的1.5L自吸紧凑型车数据相近,但是大部分该级别汽油车型最高时速可以达到180-190km/h。因此,变速箱优化能耗表现、提高巡航车速的功能,对于纯电动车型而言,依然有特殊的意义。需要指出的是,在目前大部分国家道路交通法律的框架下,优化能耗表现的意义,比提高巡航车速更有价值。

  众所周知,电机本身的能量转换效率远高于内燃机。然而,电机存在恒定损耗(通风摩擦损耗、定子铁损)和负载损耗(定子铜损、杂散损耗,对于异步电机还有转子铜损)。因此,电机在不同的扭矩、转速区间的效率,依然存在差异。可以用一张类似于发动机万有特性图的电机效率Map图来表示不同扭矩、转速下电机的效率表现:

  上图是日产Leaf的电机效率Map图,区域越偏红,效率越高。红色和绿色曲线表示经过模型优化的加速踏板响应曲线%的加速踏板开度下,优化曲线rpm)以下的扭矩输出仅为原有曲线%。在这一区间内,如果想获得原有的轮上扭矩体验(即相同的动力体验),就需要一个将扭矩放大的挡位。

  这便是纯电动车变速箱存在的意义——在动力体验不变的情况下,尽可能使电机工作在高效的区间。

  有了理论数据的支持,接下来就要思考工程实践手段了。常见的思路自然与普通的变速箱相似,例如之前提到的舍弗勒两挡电驱动桥,采用了类似于自动变速箱的行星齿轮组+制动器进行变速。

  由于纯电动变速器挡位需求较少,因此,难以适应汽油车多挡位需求的AMT变速箱,反倒也是一种可以考虑便利、廉价的解决方案。例如宝马i8虽然不是纯电动车,但它匹配的变速箱就是一台两挡AMT变速箱。当然,由AMT衍生出的双离合变速箱,也是一种可行的形式。

  需要指出的是,由于电机可以通过电控系统精确控制扭矩输出与动力中断,因此可以省去传统汽车变速箱离合器&液力变矩器的结构,总体而言,增加一个变速箱不会给电动汽车的布局和设计造车过大影响。

  传统汽车使用的CVT变速箱,或者类似丰田THS的功率分流结构,从机械结构的角度理论上也是可行的,不过设计的标定过程过于复杂,被最终采纳的可能性较小,不多做展开。

  但是与内燃机车型不同的是,纯电动车还有一种替代方案实现变速——多电机。通过不同功率电机之间驱动的切换,就可以达到改变同转速下扭矩和功率输出的作用(相当于变速器的功能)。例如,日本精工(NSK)就开发了一种双驱动电机的轮毂电机,通过将两个电机组合,使用户的常用工况尽可能落在两个电机当中某个高效区内,以提高电机的综合效率。

  它的结构也相当紧凑,完全可以安装在轮边驱动,这是内燃机车型无法想象的便利。

  另外,如果是纯电四驱车型,也可以采用前后轴大小电机的策略,实现变速功能。可以说,纯电动为工程技术提供了完全不同的解决思路,“变速”的概念,或许值得重新审视!

  如果观察电机功率的Map图,你会发现,在大部分区间,电机的效率都相当高,相同电机最高效率和一般效率之间大约只有10%左右的差距,而低效的工况区间面积往往不大。

  以吉林大学高炳钊、梁琼等人对他们设计的两挡AMT变速箱进行数据仿真的结果为例,在NEDC工况下,电池能耗会降低11.4%,加速时间也略有缩短。由此可见,在搭载纯电动变速箱的情况下,电池的效率会略有提高,但不至于有质的飞跃。

  如果拿出一张内燃机的万有特性图进行类比,你会发现内燃机有非常大面积的低效区域,与最高效区域相比,油耗的差距可以达到20%-50%。因此,内燃机与变速箱之间的匹配和标定,对于油耗的帮助意义重大。

  因此,笔者认为,变速箱于纯电动车型的意义,或许类似于可变气门技术或者高压喷油技术对于发动机的节能效果,属于能耗精细化管理的范畴。

  是否值得为这种精细化能量管理策略付出成本呢?笔者曾经与某造车新势力的电驱动工程师就这一问题交流过,他们得出的仿真结论,认为这样的优化在成本和收益方面并不划算。耐人寻味的是,特斯拉首款车型Roadster曾打算搭载两挡变速箱,后由于控制策略过于复杂而放弃,至今特斯拉仍使用单挡变速箱结构。

  对于“造车新势力”而言,搭建标定、测试台架,或者将标定工作外包,这显然是他们不愿意触及的领域。变速箱一直是车企投入的几大黑洞之一。如果这项技术为他们带来的收益不足够有吸引力,那么,放弃这种结构显然是理智的。

  但对于想要电动化的传统车企而言,台架、工程师……这些都是现有的资源。而且相比燃油车变速箱的标定,纯电动变速箱标定的工作量相对较少。让这些资源在新的开发流程中发挥最大的价值,何乐而不为呢?如果在电池能量密度没有巨大突破的前提下,传统车企在这些方面精耕细作,或许会有更大的机会!

  当然,还有一种特殊情况,纯电动变速箱也有相当高的应用价值,那就是在商用车领域。商用车往往有大扭矩输出的需求,通过小功率电机+扭矩放大挡位的形式,可以很好地满足全工况需求,并有效降低能耗,这是值得深入研究的话题。

  随着ZF等供应商纷纷开始开发纯电动汽车的变速箱,或许未来,会有更多纯电动车型开始搭载变速箱。不过,这虽然是机遇,但不一定要盲从,量力而为,永远是正确的选择!

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