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【高工聚焦】电动汽车到底需不需要变速箱?

2019-01-04 · 来源: 高工电动车网 关注度:13884 次
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摘要:电动汽车真的不需要变速箱了吗?可以不用变速箱,但不等于一定不用变速箱;不用变速箱+离合器,电动汽车可以完成行驶的基本功能;但如果给电动汽车匹配上变速器+离合器,则可以如虎添翼,锦上添花。

传动系统在新能源汽车时代遭遇了巨变。

由于电动机拥有宽域高效的工作区间,只需调整输入电流,即可完成对输出动力的控制,实现车辆的加减速。这让一直以来被视为关键部件的变速箱,显得“多余”起来。

传统汽车在速度上不断追高,大部分电动车却只需一台单级减速器便可完成从电动机到车轮的动力传递。

那么,问题来了:电动汽车真的不需要变速箱了吗?

可以不用变速箱,但不等于一定不用变速箱;不用变速箱+离合器,电动汽车可以完成行驶的基本功能;但如果给电动汽车匹配上变速器+离合器,则可以如虎添翼,锦上添花。

目前,一些国际巨头已经嗅到了这块市场商机。吉凯恩、舍弗勒、博格华纳等著名国际性零部件供应商已经开发出了量产的AMT,宝马、丰田的一些插电混动结构车型也装配过多级变速箱;国内崛起了一批电控企业新秀,另有一些从传统变速箱转型的企业也在谋划布局。

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Part1:变速箱的“电动时代”

如果给电动汽车配上变速箱,传统一般认为会有以下三种可能性:

A、增加变速箱,会增加电动汽车成本?

B、增加变速箱,会增加电动汽车重量?

C、增加变速箱,经济性提升有限?

关于这个问题,我们且以一个经典车型为例进行分析:

特斯拉的第一个车型Roadster的最初设计是180kW电机+2档变速箱,后来由于变速箱生产质量的问题,被迫采用了第二种方案,取消了变速箱,但为了达到相同的动力性能,使电机功率增大到240kW才能达到相同的性能。

为了配合更大的电机,电池也需要从60kWh增大到80kWh以提供更大的输出功率。

即可总结出来:原方案:180kW电机+60kWh电池+变速箱;新方案:240kW电机+80kWh电池

由此例来看,“为了达到相同的动力性能”,特斯拉的新方案去掉了变速箱,但换用了更大的电机,以及20kWh的电池。

由于电机优越的性能、“广域高效”的工作特点,没有多挡位变速箱的配合,电机也能适应不同的车速工况,顺利完成到车轮的动力传递。于是,就有人就提出,大规制造常规变速箱的场景将成为历史,“多挡位”变速箱属于内燃机时代的“历史遗留产物”。事实真的如此吗?

一般认为,匹配变速箱,整车成本与重量肯定都上去了。但是,至少以前面特斯拉的例子来看,增加变速箱,是可以降低电动汽车成本的,是可以降低电动汽车重量的。

再以特斯拉ModelSP85(以下简称ModelS)为例,它可以轻松赢在起步,但在中后段加速却频输对手。究其原因,问题正出在特斯拉匹配的单级变速箱上:它使特斯拉始终在一挡上行驶,完成从起步到最高时速的行驶。

这相当于开一辆燃油车,用一挡起步后不换挡,直到转速被拉高至红线区,发动机不能回到最佳扭矩输出区间,再加速能力被大幅削弱。

另外,单级变速箱造成电动机产生的扭矩输出一气呵成,也许不间断的动力输出对起步加速有利,但却不利于车辆的经济性与舒适性。

持这种看法的还有国家“千人计划”特聘专家、同济大学新能源汽车工程中心袁一卿博士。他认为,“单级变速箱虽然能满足电动汽车一般的行驶需求,却仍有很大的优化空间”。

他所成立的安徽易佳斯动力科技有限公司,已开发出并面向市场推出新能源商用车纯电直驱系统、AMT动力总成系统、DCT动力总成系统、EVT 自动变速器、混合动力总成系统、高效电机及减速箱一体化集成动力总成等系列产品。

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袁一卿在接受高工电动车(微信:weixin-gg-ev)采访时表示,当车辆高速行驶时,电动机需要保持极高的转速,对噪音控制和续航里程都不利;而使用多级变速箱增加速比范围,则可以根据不同工况切换速比,让车辆起步时能拥有更好的加速水平,在高速时降低发动机的转速,降低噪音和电能的消耗。

另外,袁一卿认为,多级变速箱能有效增加车辆的续航里程,提升爬坡性能和加速性能。据其团队测算,2速AMT能使电机效率提升6%-12%(平均值8%-10%),同时让电池消耗降低约10%,因此成本即便高于减速器,与电机、电池所节省的花费相互抵消后,仍然是更经济的。

此外,国家乘用车自动变速器工程技术研究中心常务副主任、北京航空航天大学工程系教授徐向阳在接受采访时也表示,他做过的大量仿真分析研究表明,纯电乘用车如果从单级减速器改成两挡自动变速器,大概可以节能6%,而且车辆的动力性也会得到很大改善。

如果改成三挡,节能效果还可以继续提高1%-2%。如果是纯电动商用车,比如公交车,用三挡变速器替代单级减速器,可以节能13%左右。

Part2:单级减速器的利弊选择

即便是如此,当前,单级减速器依然是电动汽车厂商的主流选择,如特斯拉、宝马i3、北汽电动车、启辰晨风、比亚迪e5、帝豪EV、腾势、江淮iev5等,均为单级减速器。

高工电动车分析认为,这一方面是由于电动机自身的特点所决定的。与发动机不同,电动机从0转速开始就能全动力输出,没有怠速问题困扰,而且电机的转速范围比发动机更广更高,普遍都能达到7000-10000转以上,减速器的作用就是将电机的转速降低,并将动力传递到车轮。

同时,电动机最大输出功率可以保持很宽广的转速区间,基本能覆盖车辆所遇到的各种不同运行工况。电机本身也拥有自变速功能,只要保持电机的输入功率不变,它便可以自动在输出功率和输出扭矩之间寻找一个最佳的平衡点,而无需对转速进行控制。

而另一方面,尤其在国内,变速箱供应链弱、整车厂集成控制能力弱,导致不想用复杂的变速箱。而单级减速器,相对成本低、结构简单易安装,故障率小,动力损失下,体积小。

当然了,采用单级减速器时,纯电动乘用车的动力性能完全取决于驱动电机,对驱动电机性能的要求较高。当电动汽车的速度到达极限之后没有提升空间,所以速度会受到制约,高速经济性不高。

同时,采用单级减速器不利于高电驱动总成系统的效率,这是因为单一传动比通常无法同时兼顾纯电动乘用车的动力性和经济性,行驶过程中驱动电机多数情况下无法处于高效率工作点,尤其是在最高或最低车速以及低负荷条件下,驱动电机效率一般会降至60-70%以下,严重浪费了车载电能而减少续驶里程。

另外,单级减速器也不利于采用高效率、轻量化的驱动电机。

Part3:变速器的市场与技术路线

在这种情况下,选择2级或多级变速器,还是单级减速器,似乎成为一个命题。

“目前电机效率总体来说确实比较高,并且高效的工作范围也比较大。但电机仍然不是在所有工作点上都是高效的”,徐向阳表示。例如低速大扭矩的时候,它的效率只有60%-70%,又如高速小扭矩的时候,它的效率也不高。同时,电动车对于能耗更为敏感,因为能耗差就意味着必须搭载更多昂贵的电池。

另一方面,目前一些国际巨头已经注意到了前者那片市场。吉凯恩、舍弗勒、博格华纳等著名国际性零部件供应商已经开发出了量产的AMT,宝马、丰田的一些插电混动结构车型也装配过多级变速箱;国内崛起了一批电控企业新秀,另有一些从传统变速箱转型的企业也在谋划布局。

如果说还需要变速器,那么搭载于纯电动车的变速器应该是什么样的?

“电动汽车本身仍然需要变速器,但是不会像传统汽车一样需要那么多个挡位,因为电机特性确实比较好”,徐向阳表示,他认为,电动乘用车用2-3挡变速器,电动公交车用3-4挡变速器,即可获得良好的能耗经济性,而且结构也比较简单,性价比很好。

“未来,随着电动车产业的发展日趋成熟、竞争日益激烈,我认为越来越多的电动乘用车产品一定会使用2-3个挡位的自动变速器。至于具体采用哪种换挡技术,不同的企业将按照自身的技术背景和产品定位,选择不同的技术路线”,徐向阳指出。

同时,他也预测,到2035年,新能源汽车和传统汽车可能是平分天下的状态。因此,未来变速器技术既要满足传统汽车的需求,又要满足混合动力汽车的需求,还要满足纯电动汽车的需求,而且纯电驱动还分动力电池和燃料电池等不同形式

不过就眼下而言,电动车的变速器和传统汽车的变速器一样,也面临着很多新的巨大挑战。

现有的变速器技术,无论是手动的还是自动的,都是基于燃油车发展起来的技术,把这些技术简单地挪到电动车上并不能满足电动车的工况要求,这其中还要攻克很多技术难关。

比如,目前电机的最高转速可以达到每分钟15000-16000转,未来电机的转速可能是每分钟20000-30000转,而发动机的最高转速只有每分钟6500转。电机的这种高转速带来的NVH问题,是电动车变速器必须解决的关键问题之一。此外,高转速还意味着变速器的润滑和密封都面临巨大的挑战。还有轴承,转速每分钟6500转和15000转对轴承的要求差别是巨大的。

但就技术路线而言,变速器的发展主要有四个方向:

一是传统的自动变速器,要持续优化,追求多挡化、高效化、电动化、轻量化以及更宽的速比;

二是混合动力的变速器,要研究满足不同类型或者不同混合比的变速器,无论是Add-On也好,还是DHT也好,都要满足各种驱动类型混动汽车的需求;

三是纯电动的变速器,大方向就是电机、电控、变速器高度一体化的集成;

四是解决超越现有技术的新问题,比如在纯电动汽车上,当电机转速达到每分钟20000-30000转的时候,再用齿轮传动可能就会有问题,因为受机械加工精度水平的限制,很难做出如此高精度的齿轮。这是需要攻关的重要问题。

也正是这种种的挑战,给袁一卿带去了信心:“目前专门为电动汽车设计的变速箱还寥寥无几,也就是说,这场角逐的戏码并非尘埃落定,而是刚刚开始”

“传动技术还没有固化,还没有出现一个占据主导地位、具有压倒性优势的产品”,他倾向于认为,未来会形成不同的细分市场,企业会在AMT、双离合、CVT、PST行星齿轮变速器、减速器等多种产品中进行选择与配型。

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