新能源汽車多擋變速箱應用研究

王劍英

摘要：新能源汽車中的純電行駛由于是驅動電機驅動，不存在噪音、震動、磨損等問題，不需要傳統的多擋變速箱，一般采用單級減速器驅動，可以更直接地驅動車輛，進而提高效率、節約成本，目前絕大多數純電動汽車采用單級減速器，但同時也出現了后程加速不足、續航里程偏短等問題，于是出現了專為新能源汽車設計的多擋變速箱來解決此類問題。

關鍵詞：新能源汽車;多擋變速箱;應用

一、變速箱對新能源汽車性能的影響

（一）對車輛加速的影響

主流的車用交流電機的轉速區間可以達為0-15000rpm，范圍遠大于傳統內燃機轉速區間的0-7000rpm，同時驅動電機可以在起步階段的較低轉速下迸發出最大扭矩，完全不需要多擋變速箱來放大，純電動汽車在起步初期的加速遠好于同一功率數值下的燃油車，但由于單級減速器無法幫助釋放輪上扭矩，使其會在轉速達到某一數值后有所下降，純電動汽車高速時的加速性能普遍不如相同功率的燃油車，為了更加直觀地了解純電動汽車的加速特性，本文選取比較有代表性的特斯拉Model S車型的加速數據進行詳細分析。

（二）對續航里程的影響

變速箱不僅對純電動汽車的加速產生影響，對于續航里程同樣會產生一定影響，電動汽車電機在5000轉以下的熱效率穩定在85%以上，而發動機的最佳熱效率在1500-3500轉之間，基本在40%左右，驅動電機的熱效率遠高于發動機，因此即便沒有變速箱，電動汽車依然能夠高效行駛，增加變速箱可以把部分時速下的效率從85%提升到95%，因此提升并不明顯，這是目前電動汽車普遍只有一個單級減速器的重要原因，多擋變速箱對比單級變速箱來說其對動力輸出的損耗更小，并且能提升驅動電機的動力輸出效率，但要考慮體積、輕量化和增加成本的問題，變速箱不可能無限制地增加擋位，因此會通過增加一個速比范圍合理的多擋變速箱來優化驅動電機的動力輸出，不僅能提升經濟性，還能持續地讓驅動電機保持加速性能。

二、新能源汽車多擋變速箱應用研究

目前已有少數整車和零部件企業開始研發和生產新能源汽車的多擋變速箱，相關的量產車已經上市銷售，從之后的市場反響和消費者反饋的結果看出其對汽車性能的提升十分明顯，目前新能源汽車的多擋變速箱主要分為混合動力汽車變速箱和純電動汽車變速箱。

純電動汽車直至今日都普遍采用單級減速器，一方面可以節約成本和精簡結構，另一方面可以降低零部件的故障率，但其后程加速疲軟、電耗較高的劣勢在追求性能極致的超級跑車和比賽成績的賽車上非常明顯，相關企業已經開始研發針對高性能純電動汽車的多擋變速箱，2019年全球知名的變速箱制造商采埃孚公司研發出全球首款針對高性能純電動汽車的二擋變速箱，并率先配備在保時捷Taycan純電動轎跑車型上。Taycan使用兩臺高性能永磁同步電機，前后軸各一臺，正常可以最多輸出617馬力（460k W）10秒鐘，另外還有2.5秒的開啟彈射起步的Overboost，Turbo S版本在此時最高可以輸出751馬力（560k W）和1050N·m的動力，Turbo則為670馬力和850N·m，官方百公里加速成績最快為2.8秒，到200km/h只用9.8秒，極速260km/h。為了達到兼顧加速性能和高速性能，Taycan革命性地搭載了全球首款專為純電動汽車設計的二擋變速箱，可同時實現起步加速、后程加速和極限速度三項高性能指標。

上圖所示為Taycan二擋變速箱的扭矩曲線圖，由于變速箱裝配在后軸，圖中只列出后軸輸出扭矩的曲線，其中實線為一擋輪上扭矩，虛線為二擋輪上扭矩，可以看到車輛在起步階段即迸發出最大扭矩，這是純電動汽車的一貫優勢，時速達到50km/h左右時扭矩開始衰減，扭矩輸出逐漸下降與二擋扭矩曲線交匯，在時速大概90km/h處被二擋輪上扭矩超過，最終在時速達到120km/h之后停止是因為輪上扭矩已經達到其在16000rpm時的最大輸出，同時二擋輪上扭矩到達時速100km/h之后開始衰減，但其下降程度遠慢于一擋，一直持續到時速250km/h之后，二擋的加入使Taycan在80km/h之后仍然保持較高的加速水準，相關測試結果顯示加入二擋變速箱之后的Taycan的0-100km/h加速時間比單級減速器縮短0.3秒，72-128km/h的加速時間縮短0.5秒，最大的提升是在160-240km/h加速時間縮短1.4秒。二擋變速箱使Taycan在后程加速的高速行駛時實現持續的高扭矩輸出，同時提高熱效率和進一步降低能耗，做到了性能與節能的理想平衡。由于二擋變速箱在體積、重量、成本等方面的制約，目前主要應用在保時捷等高端品牌純電動車型，隨著技術的不斷改進，預計未來將會有更多的普通純電動乘用車采用。

三、結語

新能源汽車多擋變速箱的出現彌補了純電動行駛后程的加速不足，同時進一步降低能耗，從性能和節能兩方面都有顯著的提升，但目前對其研發還處于初級階段，在技術路線、結構分布、成本控制等方面還有諸多障礙和限制，需要相關企業共同努力進一步推動多擋變速箱在新能源汽車方面的應用，使其最終成為今后新能源汽車的標準配置。

參考文獻：

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