清新汽车-深度丨电动汽车是否需要变速器?终于有了定论
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深度丨电动汽车是否需要变速器?终于有了定论

文 / 吕钊凤 2018-10-31 09:56

电机和变速器将开始一场发展速度赛跑。

时下,电动汽车市场在高速增长的同时,也带来了电驱动技术新的变革和进步。与传统燃油车相比,由于电机的输出特性与发动机不同,传统燃油车必需配置的变速器,在电动汽车中甚至可以省去,这就使得动力系统布置更加灵活,并且降低了动力传递中的能量损耗。于是,目前电动汽车形成了电机+单级减速器的主流驱动构型。

不过,为满足更为严苛的法规和市场竞争要求,电动汽车需要获得更高的效率和更出色的性能,各种新型的驱动系统构型开始涌现,电动汽车专用的二挡变速器甚至更多挡位的变速器正在大量研发中。那么,未来的电动汽车是否需要变速器?需要几挡变速器?需要单电机还是多电机?在近日的TMC泰州专题论坛上,电驱动工程师们讨论出了答案。

结论一:如果电机技术提升快,可能就不需要变速器了

“未来的电动车无论采用单级减速还是多挡变速器,都要从整车效率、动力性、舒适性、成本角度去综合考虑。”上海交通大学教授殷承良认为,现在绝大多数主机厂采用单级减速器,主要原因之一就是跟变速器相比,单级减速器本身效率高、不存在换挡舒适性问题且更便宜。

但随着对电动汽车性能提升的需求越来越高,对“电机+单级减速器”的技术方案提出了很多挑战。

首先是高转速的问题。为提高电动汽车的动力性能,获得更高的车速,需要高速电机。电机转速已从原来的6000rpm~9000rpm,发展到现在的12000rpm ~20000rpm,减速机的转速也相应提高。这对电机热管理、NVH、密封性等带来了很大挑战。

其次是高效率的问题。续航里程不足是电动汽车当前的主要痛点之一。为提高续航里程,需要电机在全转速范围内都要保持高效。而在进一步提升效率方面,电机+单级减速器的方案提升空间可能受限。

此外,还有高功率密度、高转矩、低转矩波动等问题。专家们多次提到的一个案例是,目前电动汽车的佼佼者特斯拉在启动时加速性能很好,但在高速路上加速表现就难令人满意。

当然,电机的技术依然在不断进步。

(方正电机二合一电驱动桥)

据浙江方正电机股份有限公司总经理牛铭奎介绍,电机技术最近几年在大踏步前进过程中,最高效率从之前的96%,提高到现在的97%多,而且高效率区域在增大,电机转速、功率密度等都在提高。

“如果未来两三年内,电机性能提升快,以较小的成本解决上述高转速带来的问题,那么未来单挡驱动系统仍将是主流。”牛铭奎说。

结论二:多挡变速器是有明显优势的,二挡最受青睐

针对当前“电机+单级减速器”方案遇到的挑战,除了挖潜电机性能外,工程师们还想到了多挡变速器的解决方案。

长城华冠已经在进行这方面的尝试。为提升电动汽车续航里程,长城华冠选择了两挡变速器方案。长城华冠北京华特时代电动汽车技术有限公司传动部技术总师林子京表示,通过采用两挡变速器,使得电动汽车续航里程得到延伸,电机成本降低20%。

(图片来源河北工业大学陈勇教授PPT)

河北工业大学新能源汽车研究中心主任陈勇教授算了一笔更详细的帐。为满足同样的整车性能需求,采用两挡变速器方案将比采用单级减速器方案,对电机的要求大大降低,电机功率可降低20%,额定转速可降低22%,峰值转速甚至可以降低40%。

对于二挡变速器相比单级减速器成本高的问题,里卡多咨询(上海)有限公司传动系统和车辆先进技术副总裁Julien Maynard认为,采用多挡变速器可以减小电机、电池的尺寸,使效率更高,加之对最高车速和加速性能的提升,总的性价比对于整车厂来说是提高了,变速器工程师有责任向整车企业展示多挡变速器对最终用户的价值。

殷承良教授认为,采用多挡变速器可以将电机的转速降低很多,如7000-8000转,这样就可以使变速器的齿轮、轴承和油封等加工沿用现有的工业体系。

除二挡变速器,电动汽车是否还需要更多挡位的变速器?

(图片来源河北工业大学陈勇教授PPT)

陈勇教授对比了使用两挡变速器和三挡变速器的传动系统,在六种工况下的能耗进行对比,三挡变速器相对两挡变速器能耗差别不大,仅在HWFET循环工况下能耗优化达到1.44%。因此,“考虑到变速器挡位增多,其体积及生产成本均有所增长,两挡变速器为当前最优选择。”陈勇说。

结论三:电动车多挡变速器技术还不成熟

电动汽车多挡变速器的研发,从全球范围看,目前都处于起步阶段,技术还不成熟。殷承良教授解释说,西方国家对变速器的技术积累,集中于普通燃油汽车上,对电动汽车多挡变速器的研究经验不足,技术水平也不高。

对于电动汽车多挡变速器的技术问题,北京航空航天大学、国家乘用车自动变速器工程技术研究中心常务副主任徐向阳教授认为:“可能需要解决高转速和驱动系统刚性的连接这样一个技术性难题。”作为多挡变速器的一个缓冲机构,无论是选用双质量滑轮,还是离合器或扭转减速器,都需要解决高转速带来的冷却润滑问题等。此外,还需要解决的问题是复杂工况下的性能设计难题,以及电动车专用润滑油开发的问题。

殷承良教授则认为多挡变速器目前最大的问题是换挡平顺性不好。“如果这个问题解决不好,整车舒适性能受影响,主机厂是不会选用的。假如平顺性问题解决了,多挡变速器将大大提升电动汽车的动力性,就能得到更多应用。”他说。

结论四:如果一个电机够用,就不会用多电机

除了多挡变速器,采用多电机+单挡减速器也可以实现不同的动力输出需求。

“当采用两个电机时,就需要两套电力电子装备,当一个电机足够用时,为什么还要采用两个呢?”殷承良教授认为,只有当有特定的大功率、大扭矩的需求时,才会用到两个电机。

殷承良教授指出,采用单电机还是多电机,主要看应用场景。如果是普通的纯电动乘用车,多电机相对来说用的就比较少。如果是运动型的跑车,大型的SUV,将会用到两个电机,甚至更多的电机。不过这类车占整个乘用车的比例相对比较低。

“多一个电机确实成本会高很多,但最大的问题其实并不在于电机本身。”牛铭奎认为,假如把一个电机分成两个,它的成本增加还相对有限,但导致控制器这部分会有很大的成本增加。所以,从经济性上来讲,目前并不划算。除非为了满足一些特殊的需求,给车辆提供一些特别的性能时,多电机才会有意义。这种情况将来或许会有变化,未来电池的成本将会大幅度下降,控制器的成本也会大幅度下降。

国家新能源汽车技术创新中心电驱动业务负责人杨良会也指出,电机控制器的发展方向是高功率密度、高工程安全、高EMC、高电压、低成本,可以通过先进的半导体材料,以及采用高频低阻大电流的碳化硅技术等途径来实现。

结论五:未来一段时间,多种技术路线可能共存

“在谈具体技术的时候,总是脱离不开具体的环境需求、客户的需求等。如果从城市工况来考虑车辆,一个电机就可以满足要求。但如果从高速工况来考虑,可能就需要多挡位来满足要求了。”AVL混动系统经理王健表示,“在未来的几年里,各种技术路线都会并存。城市代步车可能使用单电机+单减速器;二挡变速器或者三挡变速器则有可能成为中高端车型的配置。”

这种多种技术路线并存的预测,成为了TMC泰州专题论坛的主流声音。专家们普遍认为,不管是单挡还是多挡,单电机还是多电机,在未来可能会是一个多种技术路线并存的局面。

随着时间推移和工程师们的努力,技术问题总会解决的。就像10年前业内还在讨论AT多挡化,8挡9挡是否有必要?而近年来,8AT、9AT已经纷纷上市了。王健表示:“面对电动汽车的新挑战,我们不应该绕着走。我相信,随着制造技术的提高和控制技术的进步,电动汽车变速器的挑战都能解决,能够为电动汽车打造一套合理的换挡系统。”

Julien Maynard也认为:“我们看到了中国在设计制造方面做得非常好,如果能够形成非常高效率的、高品质的燃油车用DCT,相信也能够设计出非常好的两挡或三挡电动汽车动力传动系统。”

时不我待,只争朝夕。在未来几年之内,电机和变速器将开始一场发展速度赛跑。如果电机技术的发展足够快,能够满足电动汽车需求,那么大的单电机或多个小电机+单级减速器的构型就将成为未来的主流。如果多挡变速器能够解决各种技术难题,单电机+多挡变速器就可能成为未来电动汽车的主要选择。

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