锦上添花还是画蛇添足?全面分析电动汽车是否需要变速箱

张抗抗

【第一电动网】(特约作者 张抗抗)变速箱是传统内燃机汽车的标配,却时常缺席于电动汽车(纯电动,不包括混合动力)。那么,电动汽车到底需要变速箱吗?

本文从2个层面来分析这个问题:

1. 为什么电动汽车可以选配变速箱,而传统内燃机汽车必须配,没有选择权?

2. 如果电动汽车可以选配变速箱,那么变速箱是锦上添花还是画蛇添足呢?

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首先,为什么电动汽车可以没有变速箱?

与电动汽车的电机相比,内燃机是一个复杂得多的系统。经过上百年的改进,现代内燃机的性能已经相当强劲了。在武林中,内燃机就是一个高手,但是这个高手有几个弱点:

特点1. 低转速下无法输出转矩(武林高手站着不动打拳,是没力的。必须边跑边打才有力)。

特点2. 高转速下最大输出转矩急剧降低(跑太快了,也没力出拳了)。

综上,内燃机的可工作范围较窄,典型范围1000-4000rpm。

这会带来什么问题呢?

首先,没法启动汽车;

其次,不能兼顾低速或高速行驶(若减速器的减速比高,则只能低速不能高速;若减速器的减速比低,则只能高速不能低速)。第一电动网友“无往”在电动汽车为什么不需要很多前进档?》中也表达了此观点。

变速器与离合器就是为了解决这两个问题而生:

1. 离合器断开时切断阻力,使内燃机可以在无负载的情况下启动,进入舒适的“工作范围”。仅有离合器还不行,变速器也要挂在低速档,从而使内燃机有足够的输出转矩使车辆加速。

2. 车辆在加速或在不同速度的巡航过程中,变速器要换到合适档,以使内燃机能够顺畅地工作。

而电动汽车的电机,与内燃机相比,有两个特点:

1. 低速,甚至零转速下也可以输出很大的转矩。

2. 工作范围特别广,典型范围0-7000rpm。(当然,以永磁同步电机为例,在高转速下,输出转矩也会逐渐下降)。

正是由于以上两点,即使没有离合器与变速器,电动汽车也是可以正常工作的。

这一层面问题比较简单,各方观点也达成了共识:没有变速箱,电动汽车照常可以跑,而内燃机就歇菜了。

而第二个层面的问题就比较复杂了。

对电动汽车来说,变速箱是锦上添花还是画蛇添足呢?

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?

如果只是浅层次的分析,很容易得到错误的结论:平空增加了一个变速箱,那成本当然要上去了啊,重量肯定要提升了啊!为了得到相同的性能。

关于这个问题,我想以一个经典车型为例来进行分析:

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。(详见wiki百科的Roadster词条,具体数据可能有出入,请指正)

让我们总结一下:

原方案: 180kW电机 + 60kWh电池 + 变速箱

新方案: 240kW电机 + 80kWh电池

以此例来看,“为了达到相同的动力性能”,特斯拉的新方案去掉了变速箱,但被迫换用了更大的电机,以及20kWh的电池。大体估计一下,这成本与重量肯定都上去了!

因此,至少以特斯拉的例子来看,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。为了避免错误的分析,一定要记着前提:“为了达到相同的动力性能”。

再分析一下,增加变速箱,经济性提升有限吗?

量化的计划需要详尽的仿真。定性的来看,在现阶段的商业环境下,电动汽车为了取得市场,一般要具备很高或较高的动力性,简单的来说就是用更大的电机。而动力性与经济性一般是存在trade-off的关系的。

打个比方吧,动力性就是一匹奔跑在草原上的骏马,使驾驶员在超车、跑高速、起步时很爽;而经济性就是一头忙碌在农田的黄牛,勤恳地工作,使驾驶员在巡航时可以尽可能地居家省油。如果让骏马去耕地,让黄牛去草原,都不太合适。而电动汽车为了能卖得出去,就必须得强调自己既是骏马、又是黄牛。这时候,就需要变速箱才能骏马与黄牛心得。

第一电动网友鱼非鱼在《电动汽车为什么不用变速箱来控制转速?》提出一个观点,就是一匹骏马电动车,即使没有变速箱,黄牛特性差一点,但也只不过多费了5%的电而已。而电费那么便宜,” 5毛钱一度电计算,不过才7毛5分钱”。

对此观点,个人有两点看法:

a) 变速箱节省5%的电量是一个保守的值。

b) 在里程焦虑普遍存在的情况下,节省的电量不应该以电费来计量,而应该以电池容量来计量。比如说,省下了1度电,不应该算做省了5毛钱,而应该计算为多买了1kWh的电池。

综上来看,对电动汽车来说,变速箱是锦上添花,而不是画蛇添足。

那么,为什么国内外还是有好多电动汽车没有变速箱呢?

并非他们不懂得锦上添花的道理,而是因为:

1. 国外:适配于高速电机的变速箱生产不出来。典型例子是特斯拉,那个变速箱供应商搞不出来,使特斯拉的车晚出来一年,差点把特斯拉搞死。

2. 国内:变速箱供应链弱、整车厂集成控制能力弱,导致不想用变速箱。(这些设计出来的电动汽车估计也没打算真的卖吧)这一般出现于国内的厂家。这里值得一提的是,电动汽车如果不用变速箱,连离合器都可以省了,这使整车集成的难度大为降低啊!

对本文做一个总结吧,3个观点:

1. 没有变速箱,传统内燃机汽车就不能跑了,电动汽车照常跑。

2. 有变速箱,电动汽车会更好,是锦上添花,而不是画蛇添足。

3. 国内外厂商也懂锦上添花的道理,但会由于其他方面的难处而弃用变速箱。

作者:张抗抗

来源:第一电动网

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