變速這麼好?電動車為什麼不用?

蘿蔔報告 發佈 2020-03-05T05:03:30+00:00

眾所周知,純電動車型得益於獨特的做功方式,讓它擁有了與汽油機完全不同的工作特性。所以其實並不是電動車不需要變速箱,只是在目前的大環境下,市場不允許廠家這樣放肆燒錢開發罷了。

眾所周知,純電動車型得益於獨特的做功方式,讓它擁有了與汽油機完全不同的工作特性。低速時相對省電,使它更適合在城市裡遊走。可隨之而來的就是高速時巨大的電耗。這時很多人便會提出疑問,為什麼不給電動車使用變速箱來提高極速,並降低高速電耗呢?

想知道為什麼,先要了解是什麼!變速箱的工作原理,是通過各個齒輪之間的齒比搭配,在馬達轉速相同的情況下,改變輸出端的轉速。與此同時,得益於轉速變化的關係,動力輸出端的扭矩也會隨之改變。

比如當齒輪呈現出省力槓桿時(小帶大),轉速則會隨著齒比出現減速的情況,但輸出端的扭矩則會因為齒比的關係變大,反之亦然。所以,汽油機標稱的扭矩數值只是曲軸端的數據,輸出給車輪的扭矩實際上是根據變速箱齒比來決定的。另外需要注意的是,只有扭矩會根據齒比變化,作為功率單位的馬力不會產生變化。

這時我們不妨發散一下思維。電機扭矩雖比汽油機大,但整體扭矩水平依舊處於同一量級內。所以電動機在起步時也需要扭矩放大,只不過是由主減速齒輪取代變速箱完成了這個動作。

根據上文,已知放大扭矩後,轉速也會出現相應的下滑,這自然會影響車輛的極速表現。解決辦法也很簡單,那就是使用變速箱。不過,既然電動車有如此致命的問題,那為什麼汽車廠家依舊不使用變速箱來提高極速,並降低電機轉速,從而達到省電的目的,並提高後段加速能力呢?

其實答案很簡單:不值當。

首先汽油機之所以使用變速箱,其中一點是因為變速箱需要彌補發動機在低轉速下扭矩太低的問題。因為汽油機在低轉速工作時,有不少力氣都用在了克服活塞與氣缸之間的摩擦力上,所以汽油機在低轉速時的扭矩表現都會無一例外的差。

可電動機因為工作原理的關係,轉子和電極之間並沒有真正接觸,自然也就不會產生摩擦力。所以電動機即使在轉速為零的情況下,仍可以提供最大扭矩。如此一來,電動機自然不需要大齒比齒輪彌補低轉扭矩。說人話就是電動機就像美式大排量肌肉跑車掛入「3擋」一樣,不用換擋就可以完成95%的日常駕駛。

同時,正是因為電動機初始扭矩可以達到巔峰的緣故,所以不少新能源車都擁有著變態般的初段加速性能,突破輪胎抓地力更是家常便飯。那此時如果再使用多擋位變速箱進一步放大扭矩,那麼在起步加速時便會更容易突破輪胎抓地力的極限,甚至還會拖累車輛的加速性能!所以,使用變速箱並不能從根本提升電動車加速時間。

汽油機需要變速箱還有一個很關鍵的原因,就是倒車操作,不加一組齒輪是根本實現不了的。而在電動機這邊,只要通電時利用開關改變電流方向,使正負極位置交替,就可以輕而易舉地完成換向操作。甚至在不受軟體干預的情況下,電動車即使是倒行,也同樣能達到正著開的極速。

汽油發動機效率高原圖

我們都知道汽油機有熱效率一說。通俗點解釋就是汽油爆炸後百分之多少的能量能轉化成動力。比如豐田最高的熱效率是41%,那麼就是汽油被壓縮點燃後,41%的能量會成為動力。不過41%的效率並非是存在於各個轉速的,而是會出現在某一特定的轉速區間,而這個區間也就是發動機效率最高的點。

電機自然也有自己最高效的運轉區間範圍。只不過因為運轉時沒有有任何阻力,電機通常都擁有90%以上的效率輸出,且還擁有比汽油機寬得多的高效區間範圍。比如在上圖中我們可以發現,從3200轉到9000轉的轉速區間內,電動機都可以擁有92%左右的運轉效率。甚至在極高轉速且大動力需求的情況下,電動機的運轉效率依舊在90%左右。

這樣一對比,結果自然便清晰明了。汽油發動機由於最高效率平原低且窄的緣故,所以只有使用變速箱,才足以讓發動機能在各個速度區間高效運轉。反觀電動機那令人羨慕的效率圖,無論是高轉速低扭矩輸出,還是低轉速高扭矩輸出,都可以擁有了至少70%以上的效率轉換表現。同時寬廣的高效區間,更是徹底否定了需要一堆齒輪組合出來的鐵疙瘩幫助它提高效率的用途。所以就算是用上變速箱,在如此寬廣高效的區間下,其實也不會提升電動車日常駕駛時的續航里程。

而對於電動車來說,高速行駛才是電動機真正需要變速箱的時刻,因為電動機在高轉速下運轉時,兩個磁場之間會互相產生一定干預,最終致使電動機的馬力下降,進而影響到車輛的再加速能力以及極速性能。

在同等動力輸出的情況下,汽油發動機的尺寸顯然是要比電動機更大的。所以對於使用「油改電」底盤的新能源車型來說,原先固定發動機的機腳,尺寸肯定與電動機是不適配的,這時就需要通過安裝橫樑固定電機。再加上電能需要高壓包進行整流再輸送給電動機的關係,其實電動機的固定位置遠比發動機更靠下。

正因如此,發動機艙內並沒有因為少了發動機、變速箱而變得寬敞。這時如果再加上一台變速箱,發動機艙內便會更加擁擠。並且因為高壓包的存在,變速箱的安裝位置也是一道難題,想要解決就需要大筆的資金投入。

除了解決變速箱安裝位置所帶來的高成本外,變速箱自身的高成本自然也是車企需要考慮的因素。以目前市場來看,自動變速箱加上TCU(變速箱電腦)電控單元基本都需要萬八千元。這對於一台電池就占據了造車成本30-40%的車型來說,再增加1萬元的成本去「購買」變速箱,簡直就是「一利萬本」的事情。

甚至站在消費者的角度來考慮,變速箱所帶來的保養和購買成本其實也是額外的負擔。雖然電動車日常確實沒有什麼保養項目,每跑6萬公里多花1000元保養變速箱也不算什麼事,但蒼蠅再小也是肉啊。

更何況,變速箱也不是擰好螺絲就能萬事大吉的東西。之後的匹配調校,同樣也需要花錢。需要注意的是,目前並沒有按照電動機特性大規模量產的變速箱。所以購買過來的變速箱,齒比是適配給汽油機的,那麼在後期調校時,主機廠還需要找變速箱廠額外定製符合電動機工作效率的齒比,甚至還需要減少擋位數來減小尺寸和無用擋。如此小批量的定製生產,電動車變速箱的造價肯定會進一步水漲船高。當然了,廠商也可以選擇自己研發,但技術難度也會成倍增加。

乍一看,新能源車企和傳統車企之間除了生產車型種類不同外,可能並沒有什麼差別。不過你們不要忘了,從新時代電動車「締造者」特斯拉開始,電動車就沒有用過變速箱,所以目前在新能源廠商中肯定不會出現變速箱工程師這個職位。

變速箱擋位曲線

那麼,對於一家新能源車企來說,給電動車安裝變速箱更是難於登天。由於缺乏專業的調校工程師,新能源要想安裝變速箱勢必只有兩條路可走,自己亂調和尋找外包團隊操刀。可無論哪種方法,只要變速箱有丁點匹配問題,被罵的都會是廠家,所以這種費力不討好的活,新能源廠家肯定不會幹。

奧迪e-tron的四驅

眾所周知,不少大馬力電動車為了克服電機扭矩過大的問題,都會選擇使用四驅系統來降低起步打滑的可能性。並且為了不使用傳動軸,電動四驅車通常都採用前後雙電機配置。這樣做的好處不僅可以避免傳動軸侵蝕座艙空間,同時還可以為電池組留有更高的布置靈活度。但如果使用變速箱的話,那麼一切就不再像現在這樣簡單了。

奧迪S8的四驅

首先,按照傳統汽油車單變速箱的設計,電動四驅車型雖然可以不使用後部電機,但卻要安裝中央差速器、傳動軸這兩件本不應該出現在車身上的機械結構,同時這些部件的存在還會侵蝕本身位置就不夠的電池組空間。

但如果非按照目前電動四驅車前後各使用一個電機的布置方式,那除非安裝兩台變速箱,否則根本不可能做到全時四驅。更要命的是,這兩台變速箱之間的換擋邏輯、換擋速度和齒比都要完全匹配才可以。如此一來,研發成本將會成幾何倍數提高,廠家和消費者肯定都不會選擇為此買單。

所以綜合以上幾點問題,我們可以總結出三點電動車不使用變速箱的原因:

第一點:擁有變速箱的電動車的確能夠省電,只不過省下的電量微乎其微。

第二點:安裝變速箱後不會提高大幅提高車輛的加速性能,但會顯著提升後段性能,並增加極速。

第三點:貴且很不值當。

保時捷Taycan的變速箱

雖然電動車安裝變速箱會遇到上述種種困難,不過目前依舊有電動車使用了變速箱。比如保時捷Taycan就為後輪電機安裝了一台兩速的變速箱,從而讓車輛在低速時可以與前輪電機配合達成四驅模式,並擁有最大的牽引力。除此之外,還可以在高速擁有更好電量消耗控制的同時,提高車輛的極速。

此外,魏派的插電混動車型P8也給後軸電機安裝了一台兩速變速箱。這樣一來,電機就可以更好的匹配前方汽油機輸出的動力,進而達到幾乎全時四驅的效果。

當然,作為電動領域翹楚的FE(電動方程式)則使用了一台5速的變速箱,來彌補只有270匹馬力所帶來的極速過低和加速太慢問題。得益於5速變速箱的加持,這台小馬力賽車可以做到在3秒內破百,同時還可以擁有230km/h左右的極速。

民用電動車之所以不使用變速箱,最關鍵的因素其實還是成本和匹配問題所導致的。但對於利潤更高的高端電動車來說,使用一台兩速的變速箱遠比一套減速齒輪來得強。而在賽車界這種不計成本的比賽中,一台5速變速箱足以讓電動車領先同馬力汽油車。

所以其實並不是電動車不需要變速箱,只是在目前的大環境下,市場不允許廠家這樣放肆燒錢開發罷了。畢竟極速不夠馬力來湊,更何況大馬力電機造起來遠比大馬力發動機容易得多!

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