眾所周知,目前市場上大多數電動汽車沒有裝備變速器,這是因為電動機的做功原理與內燃機不同。內燃機是將汽缸內燃料爆燃的化學能轉換為飛輪的動能,並透過離合器和變速箱等傳動裝置傳送至驅動輪。由於內燃機的扭矩輸出轉速範圍比較小,在加速時不能做到全轉速區間最大扭矩輸出,因此需要為其配備一個變速箱,透過齒比的變化來降速增扭。
當發動機低轉速執行時,功率和扭矩較小,無法滿足驅動車輛的需求,因此需要採用大齒比來放大扭矩。當發動機轉速上升時,扭矩會逐漸提升,由於功率與扭矩和轉速正相關(正比關係),在此情況下發動機功率會逐漸達到最大值,但是由於轉速上升,發動機運動副之間摩擦增加,導致發動機阻力變大,機械效率降低,因此內燃機無法像電動機那樣做到恆功率、或恆扭矩加速。當轉速過高時,發動機各部件之間承受的衝擊與摩擦阻力會成指數上升,進氣效率與排氣效率都很難跟上發動機運轉需求,因此民用車的發動機轉速上限一般在7000 rpm以下。
電動機的執行工況則要簡單得多,對於永磁同步電機來說,磁鋼作為轉子,當電流透過繞阻時,轉子就會因為電磁感應產生旋轉力矩,因此只要電流達到額定工況最大值,電機就可以爆發最大扭矩。這也是為什麼電動汽車靜止起步效能非常優秀的原因。此時,電動機為恆定扭矩加速,且扭矩不會隨著轉速的提升而下降,當電機到達額定功率轉速時,繼續加速,扭矩會逐漸下降,這時電機以恆功率加速的工況繼續執行。
對於普通乘用車內燃機來說,7000 rpm已經是極限斷油轉速,而電動機的最大轉速至少在11,000 rpm以上,甚至超過18,000 rpm,轉速範圍至少是汽油發動機的三倍,是柴油發動機的四倍。由此可見,在日常駕駛工況下,電動機完全沒有必要用變速箱來進行調速工作。
舉一個例子,一臺最大轉速為7000 rpm汽油發動機驅動的汽車想要突破200 km/h的時速,至少需要4個不同齒比的傳動機構。而一臺最大轉速為18000 rpm的電機,只要有足夠功率,則可以在固定齒比的情況下輕鬆將汽車驅動至180 km/h。只有需要達到200 km/h 以上時速的電動車,才會考慮使用變速裝置進行減速增扭,提升高轉速區間的再加速能力。
另外,由於電池比能量密度較低,為了滿足車輛續航里程的需求,電池包的體積通常都比較大,純電動汽車通常都會把有限的空間留給電池。變速箱作為一個體積較大的機械部件,在電動汽車上已經沒有多餘空間進行佈置。另外,電動車提高極限速度可以透過增加電機功率、提高電機最大轉速來實現,因此沒有必要將成本浪費在變速箱上。
根據2017年電氣與電子工程師學會(IEEE)的車輛動力與推進會議(VPPC)上釋出的簡報,當電動車增加了兩擋變速器時,功耗降低0.75%,最多為1.5%。這是因為大多數電動汽車的驅動效率都在80-90%區間內,因此,即使增加了變速箱,也無法大幅提升驅動效率。
車叔總結
驅動效率高,轉速範圍大,機械能損失小,是電動機的最大優點,也正是因為如此高效的驅動效率,電動車才能在時代的舞臺上脫穎而出,成為最有可能代替燃油車的新能源車型。如果給純電動汽車增加一套變速箱,不僅無法大幅提升驅動效率,反而增加了機械結構的複雜程度,讓機械能損失更大,同時增加了廠商的成本,可以說得不償失。
那麼,保時捷Taycan為什麼要反其道而行之,為電機增加一套兩級自動式變速箱呢?之後的文章中,車叔將會為大家詳細講解。