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电动时代,是传统变速箱的末日么?

在之前谈论变速箱的文章里,我们预判未来大概率会是电动车的天下(或者是“电传动”技术的天下)。因此对传统变速箱企业来说压力极大。ZF(采埃孚)已经表示传统变速箱进入“末代”(未来不再开发任何传统汽车传动部件),未来全力配合电动汽车企业设计制作减速器总成(或“电车专用变速箱”)了。

根据ZF认为:电车如果匹配合适的专用变速箱(挡位最多4个就够,通常只需2个挡位)能提高电车续航20%左右。但有人对此持怀疑态度:前两三年不少新能源车企都表示正在研发“电动车变速箱”,但匹配的车型电机不是交流电机就是永磁电机。而这些电机是典型的“极限效率高,但平均效率低”。

如果未来电动车行业找到“平均效率很高”的新型电机,那么变速箱的存在就失去了意义。此外,电动车配合变速箱后,换挡瞬间的顿挫冲击匹配难度较大,违背了电动车“平滑无极”的设计初衷。——那么电动车未来到底需要不需要变速箱来优化?我们从变速箱的本质原理——“牛马特性”说起。

变速箱对于燃油车的意义:

赋予车辆“牛马特性”

在农田里牵引犁完成松土翻地的都是牛,老牛慢慢吞吞的在农田里行走,但牵引力巨大(犁在泥土中“破土前进”的阻力大的惊人);而马匹则能够在隔壁上飞速奔驰,但您要让马拉犁,那您是别想了!马匹没有那么大的牵引力道。

上面说的就是“牛马特性”——速度/扭矩特性。牛代表了“低速大扭矩”而马代表了“高速小扭矩”。事实上我们平时开车,燃油汽车的变速箱存在的真正意义,就是赋予车辆“牛马特性”!

我们知道汽车在起步时,阻力是很大的,发动机需要克服巨大阻力。如果让发动机直接驱动车轮,显然不够:因为发动机的功率和转速成正比!起步时发动机才刚刚离开怠速区间,此时功率很小。

这时候我们需要“减速增扭”,方法就是“挂入1挡”,此时车辆进入“牛”的特性。而随着车速的不断提高,挡位也不断升高(因为高车速下仅仅只需要很小的扭矩用来维持车速,此时车辆进入“马”的特性)。

电机+“软特性”电控:

变速质感丝丝顺滑、细腻入微

而电机配合电控系统,本身就可以做到“恒功率”控制。在“恒功率”模式下电机本身就是具备极漂亮的“牛马特性”的。——因此电传动汽车才可以扔掉变速箱。而且电机在整个变速过程中是真正达到平滑连续无极的,比最顶级的CVT还平稳N倍。

因此电动汽车单论舒适性和动力输出的线性,任何燃油车都别指望能比的赢。这就是为何开了一段时间电动汽车的车主很难再接受燃油车的原因。按照他们的说法:电车那种丝丝顺滑,细腻入微的驾驶感受,不是粗糙的燃油车(同价位下)能赶得上的。

为何要给电机配变速箱?

因为:极限效率≠平均效率

既然如此,主张“给电车安上变速箱”又是出于怎样的想法呢?——我们不妨从一道小学数学题切入:电机A的额定最高效率是99%,而电机B的额定最高效率是93%——您告诉我,哪一台电机的效率更高?——您一定会骂我“这么简单的问题小学生都会算”对吧?不好意思,在现实中,这2台电机的效率孰高孰低,还真的很难说!

电机A的参数仅仅告诉我们:最高效率是99%,但它没说“是在何种条件下才能达到99%”对么?——这就是目前大多数直流永磁电机和直流同步电机所面临的问题:极限效率很高,参数看着很漂亮,但这是有“前提”的!

前提就是电机必须在“最高效工况下”运行。具体来说就是,转速要刚好落在最佳转速区段,同时负荷不轻不重。好比一个自行车骑行者在不紧不慢“最舒适”的车速下前进,悠然自得而不会觉得累。

永磁电机极限效率高

平均效率往往“并不漂亮”

变速箱能拓宽高效率范围

但是一旦转速或者负荷偏离了电机的“舒适区”,电机的效率就会大幅度恶化。比如电动汽车在起步或者高速行车时就是如此。这时候实际效率可能连70%都达不到,说好的99%效率早已不知所踪!怎么办?——用变速箱来优化就行了。

这就是当初各家变速箱和电机企业都纷纷试图开发“电机变速箱”的原因。这类变速箱一般只有2个挡位,把原先只有一次机会的“电机最舒适区”增加到2个,这样电动汽车在实际使用时,总体效率就不至于太难看了。目前绝大多数电动汽车都在使用的直流永磁电机、永磁同步电机就属于这一类。

开关磁阻电机、双凸极电机

高效率区间特宽,无需变速箱优化

但控制难度高,仅个别企业掌握

话题回到上面的“电机A和电机B”:电机B最高效率看起来只有93%并不算高,但如果我告诉你:这台电机从重载起步到极限高转,从空载到满载的所有工况下,它的效率都不会低于89%,那您是不是会对这台电机另眼相看?

这种电机极限效率不高,但“高效率区间”宽度很大(基本覆盖电机的所有工况)就成了如今的电动汽车企业追逐的“另一条路”了。

回到文章开头:电动汽车本来的优势就是线性和丝丝顺滑,要是为了优化电机效率范围给它安上一台变速箱,显然电车的最大优势之一就荡然无存了。到这里您也许会反问:为何车企一开始不选“电机B”的技术路线呢?

一切还是因为太难!目前在所有电机品种中能做到超宽高效率的,仅仅只有开关磁阻电机和双凸极电机。但这两者的矢量控制难度高,电机本身的超薄高性能硅钢片生产难度也极高,不是谁想搞定就搞得定的。

眼下整车企业范围内,英国路虎捷豹、日本丰田正全力研发和完善此类电机技术,而其他企业依然是“一纸白卷”。——不过好在目前我国南京航空航天大学合作的苏州达思灵公司已经拿出了国际先进的专利“电励磁双凸极电机”产品,希望未来能看到我国自主品牌电动汽车搭载此类电机。





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