为什么说二级变速器是电动汽车的未来趋势？

相较于传统燃油车,电动汽车的构造有很大的不同。除了不再需要构造复杂的发动机以及占据了大量空间的排气系统之外,在传统内燃机汽车上最为常见的配置之一变速器似乎也并没有出现在电动车之上。据盖世汽车了解,目前全球主流纯电动汽车均采用电机匹配单级减速器的架构。不过尽管如此,业界对于电动汽车是否需要变速器还存有争议。很多业内人士认为,二级变速器才是电动汽车未来的主要趋势。

北美华人汽车工程师协会中国分会会长周士建博士近日在接受盖世汽车记者采访时就明确表示,二级变速器是纯电动车未来的发展趋势,并且这一趋势会随着更多两档变速器产品的出现而越来越明了。

单级减速器被广泛使用,二级变速箱是否仍有必要?

传统变速箱作为协调发动机转速和车轮实际行驶速度的变速装置,用于发挥发动机的最佳性能。具体来说,由于发动机的合理转速区间较窄(一般在1000-4000rpm左右),转速过低则无法输出转矩,而一旦发动机转速过高则会处于一种低效的工作状态,所以在行驶时,燃油车需要通过换挡来调整减速比,从而使转速保持在合理的工作区间。于燃油车而言,没有变速箱,车辆便无法正常行驶。

电动汽车则有所不同,由于电机的工作范围较广(一般在0-15000rpm)。在低转速甚至零转速下也可以输出很大的转矩。也就是说,没有变速箱,电动汽车也可以照常运行。目前,全球主流纯电动汽车均采用电机匹配单级减速器的架构。从结构上来说,单级减速器不需要换挡机构、同步器和离合器,结构相对简单且容易实现,因此为车企所广泛使用。据盖世汽车研究院统计,2017年中国减速器销量达到788639台。

既然单级减速器已被广泛使用,那电动汽车为什么要装二级变速器呢?原因是,有了变速箱的纯电动车,在工作时会处于更加高效的状态。前面提到,电机的工作范围较广,但相对来说,在中低转速的情况下,电机的扭矩非常足,工作效率也相对较高。但在高转速的情况下,电机的效率和扭矩则会急速的下降。而二级变速器的作用就是使电机尽量工作在高效率的转速区间,从而达到降低损耗、提高续航里程等效果。

如下图所示,蓝色区域为电机的低效率区域(80%-90%),红色区域为高效率区域(90%-93%)。在起步阶段,电机转速较低,为避免蓝色区域,需要变速器提高电机转速到红色区域;而在高速行驶阶段,电机转速较高,为避免蓝色区域,则需要变速器降低电机转速到红色区域。由此来看,只有二级变速器才能使汽车在高低速情况下均保持在红色区域。

周士建表示,在电机的运行过程中有两个工况点,而单级减速器无法兼顾这两大工况,“匹配了前面匹配不了后面,匹配了后面匹配不了前面。”因此,为了避免电机工作在低效区,就需要采取二级变速器。他还指出,与单级减速器相比,二级变速器可节省的电量高达13%。

人们倾向于认为,增加变速箱会增加电动汽车重量以及相应的成本,事实似乎并非如此。以特斯拉为例,对于其首款车型Roadster有所了解的人士应该知道,Roadster在最初设计时采用了180kW电机+2档变速箱的搭配,后来由于2档变速箱在生产时遇到了一定的困难,才取消了这一设计,改用单级减速器。不过,为了保持相同的性能表现,特斯拉只得选择更大的电机,而为了配合更大的电机,电池也进一步增大,以提供更大的输出功率,来满足电动机的需求。可见,对于车企来说,采用减速器方案也未必划算,而二级变速器的使用或许会为其带来额外的“收益”。

二级变速器这么好,车企为何不投入大规模的应用?

通过以上内容不难得出,二级变速器之于纯电动汽车,是锦上添花,而非画蛇添足。那么问题来了,既然二级变速器这么好,为何还没有被大规模的应用?答案无外乎两点:一是技术达不到;二是供应链跟不上。

盖世汽车研究院相关分析师表示,市场上的纯电动汽车之所以都选择用单级减速器,最主要的原因之一便是技术上的不成熟。尽管相对于传统燃油车所用的变速箱,二级变速器对精度和控制方面的要求大大减低。但对于车企及供应商来说,这仍然并非易事,尤其对于国内技术能力相对较弱的厂家来说,技术要求相对较低的单级减速器显然是当前的最佳选择。

产品能否推向市场,不仅仅与技术相关。周士建指出,二级变速器能否快速或是大规模的投入市场,还与相关产业链、供应链的成熟程度有关,这一点从国内自动变速箱此前的发展历程中便能看出,“自动变速箱的控制和设计上的瓶颈或许没那么难以克服,但是自动变速器需要具备精密机械制造能力的产业链,而国内在这一方面还并不成熟。”

当然,当二级变速器的市场前景越来越明了,越来越多的企业加入其中,相关方面的进度也必须将逐步跟上来。据了解,虽然当前市场上还没有十分合格的二级变速器,但很多企业已经开始研发相关的产品。

不过,在周士建看来,这些企业大多还在走传统变速箱的路子。“两档变速器在市面上还没成熟的时候,大家似乎都禁锢在这样的一个框子里面:想要把用于传统燃油车的变速器简化成两档变速器,而无论从成本或是相关应用上来看,这都是不划算的一种做法,而且可能会产生其他一些技术方面的问题。”

他指出,“原先,由于发动机的需要,我们将变速器从四档、六档提升到更高的档位,以提高它效率、动力以及经济性,但是驱动电机不同,它不需要那么多的档位。这意味着,原来一些适用于多档位的设计可能并不适合于电机,而原来一些不适于多档位的设计,或许恰好能够满足其要求。我们应该跳出原有的思维框架,跳出现有的四种自动变速器去思考。我认为,在二级变速器中,最后能占领市场的一定是第五类、第六类甚至第七类自动变速器。”

而这对于国内的相关厂商来说未必不是件好事。“解决问题最好的方法是把它简化,而解决设计方面缺陷最好的办法是把麻烦的地方彻底的拿掉。”周士建表示,“相对于传统变速箱,二级变速器箱对精度和控制方面的要求大大减低。同时,两档变速器很有可能把离合器拿掉,从而避开国内企业在摩擦材料方面的瓶颈。液压系统也有可能被拿掉,如此又避免了我们在液压阀方面的缺陷。”

总之,单级减速器目前仍然是纯电动车的主要选择,但是随着相关技术的成熟,二级变速器未来有望成为一大趋势。虽然现在谈二级变速器似乎还稍微较早,毕竟大多数厂商在现阶段的首要目标还更多放在如何提升续航里程、缩短充电时间、进一步压缩成本等课题上,但是“赶早不赶晚”,车企以及相关供应商还应提前准备起来,以便及时抓住这一机遇。