未來(lái)我們還需要變速箱嗎

今年初Model3的火爆預(yù)定場(chǎng)面還歷歷在目，據(jù)SeekingAlpha網(wǎng)站上一位名叫Carlson的作者推測(cè)，雙電機(jī)版本的Model3車(chē)型的動(dòng)力系統(tǒng)可能將延續(xù)Tesla 85D的動(dòng)力系統(tǒng)，采用由兩臺(tái)電機(jī)配套差減的方式實(shí)現(xiàn)四驅(qū)。雖然動(dòng)力系統(tǒng)的體積和質(zhì)量將會(huì)更小，但整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的架構(gòu)沒(méi)有改變——即將上市的Model3仍然沒(méi)有變速箱。 

▲ Tesla 部分車(chē)型雙電機(jī)四驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)

Tesla為何無(wú)需變速箱

電機(jī)取代內(nèi)燃機(jī)成為車(chē)輛新的動(dòng)力心臟。Tesla的心臟是3相4極感應(yīng)電機(jī)，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)15480rpm。Tesla沒(méi)有變速箱，其減速比是恒定的9.73,車(chē)速與電機(jī)轉(zhuǎn)速是固定的比例：

車(chē)速=電機(jī)轉(zhuǎn)速/減速比×車(chē)輪半徑×2Pi×60/1000

因此，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最高轉(zhuǎn)速時(shí)，車(chē)速將達(dá)到210km/h。

Tesla的電機(jī)和減速器

在滿(mǎn)足最高車(chē)速的前提下，動(dòng)力系統(tǒng)的扭矩輸出也是衡量車(chē)輛性能的重要指標(biāo)。0-100km/h加速時(shí)間體現(xiàn)了Tesla 優(yōu)越的低速加速性能，那么它的高速性能怎樣呢？假設(shè)你是Tesla的車(chē)主，在中國(guó)高速公路上以120公里/小時(shí)的速度行駛，這個(gè)時(shí)候Tesla的電機(jī)扭矩輸出為325N·m，輪上扭矩為325x9.73=3162N·m，這依然是非常強(qiáng)大的。

▲Tesla電機(jī)外特性

傳統(tǒng)汽車(chē)為何需要變速箱

這個(gè)問(wèn)題有多方面原因。首先，一般汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速能達(dá)到6000rpm-8000rpm，性能跑車(chē)能達(dá)到或超過(guò)10000rpm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于Tesla應(yīng)用電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，在相同的減速比下，內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)最高車(chē)速要比電動(dòng)車(chē)低。其次，內(nèi)燃機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)扭矩輸出能力較差，需要更大的減速比來(lái)放大扭矩，這使得內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)無(wú)法通過(guò)單一固定的減速比匹配行駛所需的各種車(chē)速。最后，這一點(diǎn)涉及到內(nèi)燃機(jī)的軟肋——無(wú)法逆轉(zhuǎn)且運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速不得低于怠速轉(zhuǎn)速，因此需要變速箱來(lái)輔助實(shí)現(xiàn)倒車(chē)、起步、靜止候車(chē)等功能。

▲某內(nèi)燃機(jī)外特性曲線(xiàn)

從上圖中可以看出，內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速在2000rpm-3500rpm范圍內(nèi)相對(duì)效率較高，內(nèi)燃機(jī)的高效區(qū)比較狹窄。相比之下，電機(jī)系統(tǒng)高效區(qū)（效率為80%）占比可以達(dá)到全工況范圍內(nèi)的75%以上，優(yōu)勢(shì)明顯。因此，為了使內(nèi)燃機(jī)始終保持相對(duì)較高的工作效率，一個(gè)能設(shè)定多個(gè)檔位的變速箱是必不可少的。

下面以Porsche某車(chē)型為例，車(chē)輛以120公里/小時(shí)的速度行駛在高速公路上，車(chē)輛各檔位對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速如下：

 此時(shí)，最經(jīng)濟(jì)的檔位為7檔，對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2324rpm，車(chē)輛不僅噪聲和抖動(dòng)都比較小，燃油經(jīng)濟(jì)性也最好。

電動(dòng)車(chē)一定不需要變速箱嗎

從當(dāng)前市場(chǎng)來(lái)看，不管是先進(jìn)的Tesla還是國(guó)內(nèi)的自主電動(dòng)汽車(chē)品牌，大部分都沒(méi)有給電動(dòng)汽車(chē)配變速箱，這就給大家一種電動(dòng)車(chē)不需要變速箱的感覺(jué)。

沒(méi)有變速箱，電動(dòng)汽車(chē)可以正常行駛，增加變速箱會(huì)增加整車(chē)成本。變速箱存在的意義在于可以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速和車(chē)速的比例關(guān)系，在特定車(chē)速下，使電機(jī)運(yùn)行在更加高效的工作區(qū)間。

了解Tesla歷史的同學(xué)，肯定知道Tesla Roadster，這款車(chē)的最初的設(shè)計(jì)配置是180kW電機(jī)+60kWh電池+2檔變速箱，但后來(lái)由于缺乏相關(guān)技術(shù)積累，取消了變速箱設(shè)計(jì)。但是，為了達(dá)到和取消變速箱之前相同的動(dòng)力性能，電機(jī)功率增大到了240kW。為了配合更大的電機(jī)，電池也需要從60kWh增大到80kWh以提供更大的輸出功率。

這些改變都增加了成本和質(zhì)量。保守估計(jì)，減速箱的節(jié)能為5%，對(duì)應(yīng)電動(dòng)車(chē)相當(dāng)于多了1kWh的電量。因此，變速箱裝在電動(dòng)汽車(chē)上是錦上添花，而不是畫(huà)蛇添足。

▲ CVT變速箱

一輛由內(nèi)燃機(jī)作為直接動(dòng)力源的汽車(chē)必須配備變速器來(lái)滿(mǎn)足正常的使用需求，而電動(dòng)汽車(chē)沒(méi)有變速箱似乎也隨著Tesla的日漸火熱成為一件人們習(xí)以為常的事。但是，電動(dòng)汽車(chē)沒(méi)有變速箱背后的原因，是每一位理性的消費(fèi)者和有責(zé)任感的工程師應(yīng)該思考的問(wèn)題。所謂存在即合理，只能說(shuō)明發(fā)生的事實(shí)自有其原因，至于是否是最佳的方案，現(xiàn)在下定論尚早。我們可以大膽設(shè)想，在未來(lái)，也許國(guó)內(nèi)變速器供應(yīng)商和電動(dòng)車(chē)企會(huì)在電動(dòng)汽車(chē)用高速變速器上有所突破，獲得超越Tesla的契機(jī)。