科普贴 | 电动汽车为什么不用变速箱来控制转速?

鱼非鱼

电动汽车为什么不用变速箱来控制转速?首先,内燃机低转扭矩小,最大转速低。其次,变速箱对改善驾驶性的效果有限,相对于增加变速箱带来的降低传动效率,增加车重,增加成本,就很不值当。

首先,电动机的最高转速比一般汽车用的内燃机要大得多。

比如特斯拉Model S的最大转速是16000转,日产Leaf(启辰晨风)也有10390转。而一般的汽车内燃机红线转速也就6000转,跑车也就8000转。在单减速比的情况下,车速和发动机转速成固定比例。其公式是:

车速 = 发动机转速/减速比 x 车轮半径 x 2Pi x 60(将每分钟转速换为每小时转速)/ 1000(将米换为千米)

假设内燃机汽车的最终减速比和轮胎半径都跟电动汽车一样,那么电动汽车能够达到的速度就会比内燃机汽车更高。

其次,因为内燃机的低转扭矩较差,所以实际起步需要的减速比还要更大,进一步使得内燃机汽车没办法通过一个减速比匹配行驶需要的速度。

如果只看最高转速和最高车速的关系的话,也并不能完全解释为什么内燃机汽车不需要变速箱。日产leaf电机最大转速是10390转,最高车速是150kph(公里/时),本田思域1.8的红线转速是6700转,如果最终减速比和轮胎半径一样的话,最高车速应该能达到96.7kph,日本本土高速公路限速90kph,不考虑超速的问题的话,难道日规思域就不需要变速箱了吗?

甚至还有些高转发动机,比如思域Type-R,马自达的转子发动机,以及各种摩托车发动机,乃至F-1赛车,曲轴转速上万,跟电机差距并不大,为什么也需要变速箱呢?

首先,轮上扭矩=发动机输出扭矩x减速比,减速比越大,发动机经过放大后实际在车轮端输出的扭矩就越大。发动机在转速为0的时候扭矩是趋向于0的。所以0转速起步根本就不可能,都需要怠速起步,而且还需要一个比较大的减速比来放大扭矩。但电动机在转速为0的时候就可以输出最大扭矩,不但不需要怠速,而且减速比也可以做得相对比较小。

日产leaf的最终减速比是8.1938,相比之下,本田思域自动版的1档变速比是2.666,主减速比是4.437,所以1档时的最终减速比是2.666x4.437=11.829,明显高于leaf。那么这个civic在一档达到的速度值相比leaf就还要更低得多。根本没办法满足甚至是道路限速内的行驶需要。

关于上面这两点,计算的例子请参照《电动汽车为什么不需要很多前进档?》——无往的回答,这里为了大家参考阅读方便,把这部分贴过来。

但我还想补充一些其他很重要的原因。

仅仅看上面两点,还是不能够说明为什么内燃机汽车需要那么多前进档。如果只是为了满足起步扭矩和最高车速,那么有两个档位似乎也够了。实际上很多内燃机汽车测试0-100公里加速的时候,就只用到1档和2档。按照无往上面的计算,保时捷911的2档最终减速比是7.88,相应的极速就能够达到128KPH,这个速度完全够了,为什么还需要3、4、5、6、7档?这里就牵扯到其他3个原因:

内燃机在高转速时的噪音和抖动(NVH)太明显,所以需要通过变速箱在日常驾驶时用较小的减速避免发动机在高转速运转,但汽车用电机即使在高转速时NVH也完全可以接受。

内燃机的最大功率曲线变化是很剧烈的,实际上能够输出最大功率的区间很窄。在车速一定的情况下,如果需要急加速,可以通过变速箱,使得发动机运行的转速更接近输出最大功率的转速,从而获得更大的加速度。

内燃机的高效区间比较狭窄,所以需要变速箱,在不同的车速,不同的动力需求的情况下,将发动机的转速和负荷调整到比较经济的区间。而电动机的高效区间相对比较宽泛。

噪音比较好理解,即使内燃机汽车可以一直在2档行驶,那么高速巡航转速也得动辄5、6000转,那个噪音你如果体会过不是特别喜欢速度与激情肯定不会喜欢的。

关于第二点,我在前面介绍了一个公式,即轮上扭矩=发动机输出扭矩x减速比,也就是说,通过变速箱改变最终减速比,可以改变发动机扭矩放大的倍数。

还是以保时捷911和特斯拉Model S为例。911 GT3的外特性曲线或说最大扭矩/功率曲线如下图(lb·ft即磅英尺,跟牛顿米一样,是一个扭矩单位),可以看出,随着转速不同,911 GT3的功率变化是巨大的,7500转左右输出的功率是14500转时的近8倍:

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我们假设现在这辆911正在以120公里/小时的时速巡航,那么此时各个档位对应的转速如下:

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你作为一个真正的车迷,即使是通勤路上也都是手动模式,此时你非常机智的选择放在7档巡航,转速为2324RPM,此时噪音和抖动都比较小,燃油经济性也较好。

但突然,旁边有辆Model S P85向你赤裸裸地发动了挑衅,这时候要榨取这辆传奇车型的最大动力,你该怎么办?

如果你的变速箱这个时候仍然放在7档,那么即使油门到底,发动机输出的扭矩也只有225磅英尺,经过变速箱和主减速器的放大,先不考虑传动效率的损失,到车轮上也不过只有225x2.44=549磅英尺而已。靠这点扭矩想干翻特斯拉?

如果你迷信发动机扭矩决定最大加速度的说法,这时候一个很明显的选择是直接降到3档,转速瞬间上升到5074RPM,接近最大扭矩转速,此时发动机输出300磅英尺的扭矩,经过变速箱和主减速器的放大,到达车轮上的扭矩有300x5.33=1600磅英尺。

特斯拉Model S P85这个时候发动机扭矩输出是325牛米也就是240磅英尺,乘以9.73的最终减速比,是240x9.73=2332镑英尺。虽然看起来是Model S P85轮上扭矩牛一点,但是别忘了它沉啊。P85 S重2140kg,但你911 GT3只有1430kg啊,1600/1430=1.12明显大于后者的2332/2140=1.09,你立即取得微弱的优势(抱歉这里为了计算方便没有统一使用公制或英制单位)。

不过,其实如果你这么选择档位,简直就是暴殄天物。你可是911 GT3!碰上这种不知天高地厚的后生,难道不应该教训一下他什么叫做内燃机的“后劲”吗?

所以,这时候正确的办法,是直接降到2档,此时发动机接近最大功率转速,输出415马力,287磅英尺的扭矩,经过变速箱和主减速器的放大,到达车轮上的扭矩有287x7.88=2261磅英尺。尽情地嘲笑特斯拉吧!

所以,正是因为有了变速箱,内燃机可以根据车速,改变总减速比,使得不管车速是多少,发动机转速都可以尽量接近最大功率的转速,从而尽可能输出更多动力。(如果是无极变速箱,那甚至可以一直维持在最大功率转速输出动力)

关于为什么最大功率而不是最大扭矩决定给定速度下的最大加速能力,我在汽车发动机的两个参数马力和扭矩,哪个更能体现动力性? -鱼非鱼的回答里面详细解释过,不过当时好像包括很多学车辆工程的人在内都不同意这个说法。如果你现在相信我了,不如去点个赞。(如果给定档位,加速度则是由最大扭矩决定的)

我们再来看看特斯拉的外特性曲线,其中红色的实线和虚线分别是是P85的最大扭矩和功率输出曲线。因为特斯拉没有变速箱,只有一个固定减速比,所以横坐标就是车辆行驶速度(MPH即英里/时),它永远跟电机转速成固定比例。根据无往计算,8000转时车速是109公里/时,75mph也就是120公里时的时候,对应的转速大概是120/109x8000=8807转,其他速度也可以以此类推。

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从这张图我们也能够看出,车用动力电机的输出特性是,在某一转速以前,是等扭矩输出,之后是等功率输出,再过了某一点以后,功率也以某种凹曲线形式缓慢下降。总体上来看,特斯拉的功率曲线其实也有变化,一般巡航的速度区间,42-72mph,也就是68-116公里/时,功率曲线根本是平坦的,也就是说,尽管此时扭矩随转速升高而下降,但你此时通过变速箱提高档位,降低发动机转速,发动机扭矩上升的因素和减速比下降的因素彼此抵消,根本不能够达到增加输出的目的。

还是以刚才高速上飙车的故事为例,假设你现在变成了那辆发起挑衅的Model S P85的车主,行驶速度是120公里/时,75MPH,此时输出325牛米的扭矩,300kw的马力,轮上扭矩是325x9.73=3162牛米。

现在假设特斯拉Model S P85突然多了一个2速变速箱,1档传动比是1,2档传动比0.6,你现在换到2档,最终减速比从9.73变为5.84。转速从8807转降到5284转,对应的1档车速就是75mph*0.6=45mph,看起来扭矩增长到了550牛米,但是其实“并没有什么卵用”。此时轮上扭矩变成了550x5.84=3211牛米,根本没什么变化(微弱的变化是因为75MPH时的功率本身略低)。

再来看看轮上扭矩的公式:

轮上扭矩=发动机扭矩*减速比=发动机扭矩*发动机转速/车轮转速=发动机功率/车轮转速

给定速度,车轮转速一定,功率大小与轮上扭矩成正比。如果最大功率不随转速改变,你通过减小减速比来增大转速就是“然并卵”。

所以,如果911 GT3没有变速箱,减速比只能固定在7档的水平,就会输的很惨,但特斯拉model S起码在这个速度多个变速箱完全没卵用。

当然,我们从上面那张图中也能看出,model S P85的电机的功率曲线也不是完全平坦的,高于72MPH以后,会有缓慢的下降,此时如果有2档能够通过降低减速比,降低发动机转速,能够输出更大的轮上扭矩,但是因为这种高速本身也不常用,所以意义不大。

同样的,虽然在42MPH以下功率随转速上升,此时如果有一个更低的档位,可以通过增大减速比,增加发动机转速,在扭矩不变的情况下,增大扭矩放大倍数来增加轮上扭矩。

但是,毕竟即使对于低速来说,因为实际上电机已经输出最大扭矩,这个时候的最大加速度已经很不错,再通过变速来进一步增加最大加速度意义也不是很必要,也可能会突破轮胎附着力的极限。如果我们看功率,那么75mph时的最大功率也只是15mph时的3倍左右。也就是说,即使有变速器,也最多只能将15mph时运行最大加速度增大为现在的3倍左右而已(911 GT3如果通过变速,将1500转变成7500转,则是增长近8倍)。

(别忘了给定档位,最大加速度取决于发动机的最大扭矩,model s在单速变速箱的情况下,20mph和40mph能达到最大加速度是一样的,如果有更低档位,20mph能够达到的最大加速度才可以更大)

当然,其实如果为了拼0-400米加速,因为后段会达到比较高的速度(超过150公里/时),所以如果有一个更高的档位,使得电机转速更低,会显著改善P85的成绩。同样,如果有一个更低的档位,配合更好的轮胎和四驱系统,在起步时也可以达到高的多的加速度。所以一般认为电动车如果有一个3档变速箱,对性能也会有显著的改善,据说特斯拉也曾经考虑过配上这样一个变速箱。

不过呢,增加变速箱不仅仅增加成本,还会带来额外的效率损失,即使是好的双离合变速箱,传动效率也只能做到90%多,而且还增加重量,这样不但会降低动力,也会增加油耗。所以为了大多数人并不在意的极限性能而增加变速箱,似乎没有什么必要。

最后再来看看燃油经济性。

下面这张图是本田insight上的1.3升发动机的BSFC图,图中像等高线一样的圆圈表示的的是每单位(千瓦时)做功消耗的燃油量(克),数值越低越好。大概能看出,大部分转速和负载落在300g/kwh的等效率线以内,而最优区间的燃油消耗率是215g/kwh,前者是后者的1.4倍。

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那么如果现在车辆在巡航状态,需要以12.6千瓦的功率克服阻力,那么此时如果发动机是以4000RPM,中低负荷的状态运行,输出30牛米的扭矩,燃油消耗率达到了275g/kwh,也就是开一个小时车,要消耗12.6*275=3465g的燃油,也就是4.78升。假设93号汽油7块一升,就是33.5块汽油。

如果通过增加档位,在2000RPM运行,此时需要输出60牛米的扭矩,变成在中高负荷运转,就正好落在内燃机最高效的区间,此时燃油消耗率仅有215g/kwh,也就是开一个小时车,要消耗12.6*215=2709g的燃油,也就是3.74升,节省油耗22%。同样假设93号汽油7块一升,就是26.2块汽油,足足省了7块3。

下图则是二代prius的主电机的经济性图,等高线的单位变成了电机效率,也就是单位消耗的电量(千瓦时)做的功(千瓦时),数值越高越好。大部分负载和转速都落在89%等效率线以内。而最优区间效率超过94%。换算成单位做功消耗电量,也就是112.4%和106.4%,前者是后者的1.056倍。

此时如果我们假设Prius由电机带动巡航,需要以26.2kw的功率输出克服阻力,电机以中高负荷运转在4500RPM,输出50牛米,此时电机效率为89%,也就是说,行驶一个小时,消耗的电量是26.2kwh/89%=29.4kwh。如果通过变速箱,将转速缩减到2250RPM,以中等负荷运转在最优效率区间,电机效率为94%。此时行驶一个小时,消耗的电量是26.2kwh/94%=27.9kwh,只节省了区区1.5kwh的电量,5%而已。以5毛钱一度电计算,不过才7毛5分钱而已,而且这还是整车以超过前面例子2倍的动力输出运行的情况下。

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所以说,因为电机高效区间相对宽泛,通过变速箱调整转速和负载改善燃油经济性的效果也大大减弱了。

总结一下,为什么电动车没有变速箱?

1、内燃机低转扭矩小,最大转速低。为了同时满足起步和极速的情况,变速箱对内燃机是必要的。而对电机来说就不是。

2、内燃机的安静平顺的区间,最大动力输出的区间,和最省油的区间都比较狭窄,而且三者互不相同,有了变速箱来调整最终减速比,能够在不同车速下,根据不同需要,灵活选择发动机转速和负荷,大大改善内燃机汽车的驾驶性。对于电机来说,这三个区间都很宽泛,变速箱对改善驾驶性的效果有限,相对于增加变速箱带来的降低传动效率,增加车重,增加成本,就显得很不值当。

作者:鱼非鱼

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