电动车为什么不用变速箱?这是被燃油发动机拖累的了?

市面电动车几乎都不搭载“变速箱”,除了保时捷任性!为何变速箱在电动车上成了多余的配置呢?未来变速箱会和燃油发动机一起凉凉吗?它还有存在的必要性吗?

燃油变速箱会被替代吗(跟着燃油发动机一起凉凉)(1)

变速箱可以说是燃油发动机最重要的工作伙伴,通过变速箱换档改变传动齿比,善用发动机出力区间驱动车辆,从低速到高速一气呵成,达到“起步有力”、“高速省油”的目的。正因为变速箱对于燃油汽车来说是至关重要的组件,即便是插电混合或油电混合动力车型,只要车上发动机参与动力输出,那就少不了变速箱。

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但是,从市面上的量产电动车来看,不管是日常通勤家用纯电轿车,还是宝马电动超跑,都仅采用了单速齿比而不具备变速功能的变速箱,说简单点点就是“一档开到底”。当然,也有少数例外,比如保时捷Taycan与奥迪e-tron GT,是目前唯二在后轴采用两档变速的量产电动车,但前轴仍维持着单速齿轮的设计,也就是说“变速箱”这项对油车来说极其重要的零件,在纯电动车上却成了可有可无的存在。接下来我们从变速箱的“必要性”、“马达输出特性”与“配备了变速箱的电动车的优缺点”来讨论:电动车到底需不需要变速箱?

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燃油发动机VS电机——启动的特性不同

汽车引擎会怠速运转,但需断开动力,这得从引擎与电动马达的运作原理不同说起,由于引擎运作是通过油气在汽缸内不断燃爆带动曲轴旋转,因此一旦发动便得维持最基本的转速(怠速)才能确保持续运行,若停止运转,便得通过外力启动,再次推动引擎运转才行。

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而变速箱的功能之一便是确保车辆静止时能“断开”引擎与轮胎之间的连接,在停止移动、不需要动力时脱离来自轮胎的负载,从而达到稳定的怠速运转,这套装置在手动车型上便是离合器机构,传统自动挡则通过扭力转换器达到相同效果。

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电机零怠速则是通电运转、断电停止;电动马达有所谓“自身启动”的特性,也就是不必靠外力就能自行启动,运用电磁感应原理只需“通电”,马达就能旋转运作,想要停下来也只需断电即可。好比家中的电风扇,按下开关通电、马达便会自行旋转,拔下插头断电便会停止转动,两者基本原理并没有太大的不同。马达能自行启动的特性也就无需设计离合机构,马达停止转动也就等于车辆静止,简单得很!其次,电动马达能通过改变电流方向双向旋转,要前进、要倒车通过控制器便能一键搞定,不像燃油引擎只能朝单一方向运转,要让车辆向后退还得通过变速箱的倒车齿轮才行。

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燃油发动机VS电机 ——输出特性不同

燃油汽车引擎动力区间有限,需要换档维持速度之间的转换,在输出特性方面也要靠变速箱的“变速能力”才能正常行驶,从上图燃油引擎输出特性来看,能看出引擎在低转速域不论马力、扭力都很弱,直到4000rpm以上才有相对稳定的扭力曲线,最大马力甚至在5500rpm才达到巅峰,却又在6000rpm以上剧烈衰退。如此动力特性让燃油引擎可用的动力带相对窄小,需要通过变速箱多档位、不同齿比配置才能合理使用动力带,同时满足起步、加速与高速巡航等行驶需求。

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电机动力带宽更广,它的输出特性则截然不同,同样以图为例、马达启动瞬间便是最大扭力输出,直到4000rpm才逐步衰退、交由最大马力接手并持续向上推升车速,而这也是电动车起步加速惊人、中低速域动力一气呵成的主要原因。起步全扭力、高转全马力的输出特性让动力带更广,即便仅有单速齿比依然能在任何转速区间提供足够动力输出,因此,市面上多数电动车并不需要变速箱与额外档位,单速齿比即可一档打天下。

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电动车上装变速箱非必要,但能 “锦上添花”

既然电动车不必搭载变速箱,靠著单速齿比即可正常行驶,为什么保时捷Taycan要在后轴马达采用两速变速箱?事实上Taycan的两速变速箱可以视为保时捷对于高性能的追求,低档位(一档)仅在全油门或运动模式下启用,在时速80km/h以下带来更好、更即时的加速反应,面对多数日常路况Taycan仍是以高档位(二档)行驶,甚至在低负载状态下还能完全以前轴马达发力,以降低长途行驶的电力消耗。

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从Taycan的例子可以知道,变速箱的导入对于电动车性能提升确实有正面助益,低速档强化起步反应、巡航档降低长途电耗等优点都与燃油车变速箱完全相同。

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其实,包括ZF、Getrag等变速箱大厂早已投入电动车变速箱领域,德国Bosch也在此前发表电动车专用CVT变速箱——CVT4EV,能进一步将马达转速控制在高效输出区间,Bosch表示这套变速箱能提升约4%效率表现,带来更佳的续航里程与动力反应。

结语:

电动车变速箱目前较少,但未来发展很难预估,从“机械结构”、“输出特性”、“优缺点”三个层面进行分析,可以发现为何多数电动车仍以单速齿比为主流,车厂之间提升电动车性能也以电机技术、电池科技与运转效率为主要研发方向。现阶段电动车变速箱所带来的助益显然不敌额外重量、维护、成本等负面因素。然而随著未来电动车科技面临瓶颈,变速箱开发也更趋成熟,那时候变速箱仍能替电动车发展带来如虎添翼的效果。

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