没“齿”难忘 浅谈电动车两挡减速器

许晖

可能不少人早在孩提年代就已经通过各种遥控玩具，特别是那盛极一时，由日本田宫推出，风靡全球的四驱车玩具，得到了对电动车基本原理的启蒙认识。当年这偌大的玩具着实让人沉迷于其中。相信不少还会痴迷于如何让自己的小车跑得更快以及更远。解决办法无非就是换装大容量的电池以及更高转速的强力电机。而其中的强力电机则成为了暴力党心中神一般的存在。也让不少人认为，只要电机足够强劲，那么电动车的性能就可以无往而不利。实际上这种说法只对了一半，毕竟这个世界上还有一个名词叫做“极限”，任何事物在逼近极限之后只有两种可能，要么突破极限，反之则逐步回落。物理原理这玩意就只这么实诚地存在。

田宮的变速箱模型

有多少人还记得这玩意

齿轮是一种让直男着迷的东西

发动机都没了齿轮箱还在么

电动车需要齿轮箱么？

发动机与变速箱作为汽车两个最为重要的零部件，本应永不缺席任何一个车企的新车宣讲内容。发动机的强劲动力、变速箱的传递效率，两者之间相互匹配，成为了决定车辆性能的关键所在。随着电动车的逐步普及，发动机是肯定不会再提，而变速箱的话题亦变得日渐息微。以至于电动车企业在宣传上必然广而告知的就是电机，却鲜有提及齿轮箱。似乎对于电动车而言，凭借电机天生极高的转速和宽广的扭矩输出范围，只要做得足够强劲即可，最好能每个轮子给配上一个，转轴直接连上轮毂，想跑多快就能多快，至于变速箱这坨又重又大的“铁疙瘩”，反倒没有了存在的意义。

难道电动车真的就和我们小时候所着迷的那些电动模型一样，大容量电池外加厉害的电机就能独步天下？愿望总是很丰满，事实也的确很骨感。咱们不排除日后，当新的磁化材料与生产工艺得到突破，或者制造技术有了颠覆性的进步，这个工程师们的夙愿或许能成事。但就当下而言，大家所期望的这种电机是没有的，最起码目前所有为电动车辆设计，特别是载人载货在路上奔跑的电动车上是不存在的。

举一个基本行驶诉求，如何让车辆从静止状态缓慢起步至慢速状态，这在以往的内燃机动力车辆上通常就是的简单一挡起步模式，通过变速箱将发动机的动力转换为低速大扭矩状态推动车辆起步。可放在电动车上则成为了一个必须面对的难题。众所周知，电机在扭矩恒定的情况下，转速与功率成正比，也就是说倘若驱动电机为恒定功率，那么转速越低，电机的体积与重量则越大，反之倘若为了满足车辆安装所需的电机尺寸以及重量，那么个小体轻的电机输出功率曲线注定无法满足车辆正常行驶的要求，别说直接驱动车轮，就连起步都成为天方夜谭。而解决这一问题的优选办法就是为电机匹配上一个合适的变速器。准确来说应该称之为减速器，通过将极高的电机转速与减速齿轮组合，达成降速增扭的目的。电机配减速器的解决方案方案，从根本上降低了驱动系统的整体重量和制造成本，这对于车企以及消费者而言都是一件好事。

曾几何时发动机+变速箱代表着车辆的性能

这里原本是发动机的家

说到这里或许有人会问，现在不是还有一种技术称之为轮毂电机么？车轮内就是电机难道也需要减速器么？没错，不论是中央电驱桥还是轮边电机，甚至轮毂电机。只不过是电机变了个样子而已，只要其动力来源仍是电机，那么就无法跳脱上面所提到的扭矩、转速、功率、体积、重量几者之间的相互制衡。事实上，轮毂电机同样也有减速器设计，只不过整合在电机附近大家看不到而已。

另外一点需要强调的是，车辆在转弯的时候势必产生左右轮转速差，传统动力车辆通常使用差速器原理，根据阻力变化调节来自车轮之间的转速差以应对这个问题，可倘若采用电机直接驱动车轮，那么如何解决电机之间的转速差将会是汽车工程师的噩梦。这不仅需要通过极其复杂的算法去匹配车辆转弯半径以及轮速差，还需要考虑如何保持车轮在动态之中的实际转速与理论计算值保持一致，要不难免出现车轮打滑所带来的安全问题。为此目前的电动车结构上依然需要齿轮箱的介入，电机配合减速齿轮箱的解决方案在解决以上问题之前会一直成为主流方向。

外转子轮毂驱动没有减速器但通常尺寸重量巨大

内转子轮毂驱动通常集成了行星齿轮减速器

采埃孚AxTrax AVE轮边电驱桥可应用于大型车辆

两挡减速器是趋势

只说减速器不说与之配合的电机，就如只强调变速箱而不谈发动机性能一样难以让人信服，为此在讨论两挡减速器之前需要先給大家科普两个，通常不被普通消费者所关注电机重要参数，方便大家更好理解后面减速器相关内容。

首先是“基速转速”，其代表着电机在额定电压时，零负荷空载转速。在低于基速转速之前，电机具有恒扭矩特性，此时电机可以输出最大扭矩;基速转速之后电机则具有恒功率特性，此时电机可以保持恒定功率输出，但是扭矩会随着转速提高呈双曲线下降。也就是说当电机转速突破了基速转速，随之而来的将会是扭矩下降，这也很好解释了为什么电动车在起步阶段很猛，而一旦到了一定速度之后的再加速会觉得力不从心。

其次则是“转速比”。它指的是电机最高转速与电机基速转速的比值。不同特性的电机，转速比有所不同。具体不展开描述，大致可归为永磁同步电机转速比通常小于2;异步电机可达到4;开关磁阻电机能达到6。对于电机来说转速越低电耗越小，反之转速越高能耗越高并且扭矩下降。所以转速比越小电机效率越高但最大扭矩越小;转速比越大最大扭矩输出越大但效率越小。可以说转速比直接反映了电机的扭矩和效率就如鱼与熊掌般不可兼得。也解释了为何电动车跑高速时候更费电，而不是像传统动力汽车那样更省油！

电机的理想工况在恒转矩区域

单挡减速器凭借较高的传动效率、丰富的可选资源、开发难度小，成本低等等优势，不但可以满足目前中小型电动车的设计要求和成本控制，也降低了车企对于选用电机的适配门槛，关键还能让用户有十分不错的驾乘体验。为此电机搭配单挡减速器的解决方案，成为了目前车企的主流选择并应用在大多数市售纯电动车型上。

事物终归具有两面性。在看到单级减速器方案优势的同时，我们也应该了解其不足所在。单挡减速器单一的传动比，通常无法同时兼顾纯电动汽车的动力性和经济性。虽然目前较好的电驱动效率实验室数值能达到接近85%左右，但在实际行驶之中，为了满足电动车爬坡、高速和加速等等要求，电机不仅要在恒功率区为车辆提供较高运行速度，而且要在恒转矩区提供高瞬时转矩输出，这时候电驱动效率往往有所折损，也意味着难逃能耗损失的命运。要知道对于日常生活中使用的电动车来说，能源转化效率每提高1%，续航里程就将增加2%。如何尽可能增加电池续航里程是所有车企梦寐以求的愿望。

内燃机（棕色）与电机（蓝色）随着转速增加截然不同的扭矩与马力输出曲线

合适速度换挡司提升电机效率

是否原以为电动车很简单，装上电池就跑，毕竟电机看着比发动机省事，可原来大有学问。估计不少电动车车主会有一种感觉，那就是当电动车处于高速巡航、高速超车期间，“电门”踩到底仍略显后劲乏力。这是因为即便此时电机已然全力以赴，甚至在徒劳的啸叫声中接近极限转速，但终因物理特性注定此刻并不在最高效的恒转矩工作区间，效率反而还不如内燃机车型。看来两挡减速器闪亮登场的时刻到了。工程师为电机的减速器增加一个挡位，将原有的单一齿比合理分为大小两种速比，大速比齿轮组让车辆起步更为强劲快捷，而小速比齿轮组则在电机突破基速转速，扭矩有所下降的时候将电机的转速拉回到最优恒转矩区内。为车辆长距离高速行驶诉求提供服务，电机转速下降不但顺道还解决了高转速所带来的电机啸叫，提升整车NVH性能，省电的同时也代表着续航里程得以增加，实为一举多得。

Taycan两速变速箱的分解图

保时捷Taycan是第一款真正的两挡纯电跑车

百花齐放的两挡减速器

与多种多样的传统变速器一样，两挡减速器具有着众多的技术路线，也有着一定的技术门槛。不无夸张地说，对于传统零部件供应商来说，只要玩过齿轮的几乎都有自己对应的两挡减速产品，对于车企而言，为了抢占EV市场先机同样不甘示弱。此处分享一个小故事，特斯拉最初曾计划在其高性能概念车Roadster上，安装一套两挡减速器以让车辆获得最佳性能。但随后尴尬地发现，没有任何传统造车经验积累是根本无法造出这套设想之中减速器。纠结之余也因为这套系统的进度让其车型陷入了延误与成本超支的境地，最终只能放弃幻想。不过经此一役，聪明的特斯拉也找到了适合自己的另类的两挡解决方案，那就是在同一台车上采用前后两种不同的齿轮。也就是说Model S、Model X以及Model 3车型上前后驱动单元均具有不同的齿轮比，低速行驶时动力主要来自于为低速行驶优化的后驱动单元，而当需要高速巡航时，行车电脑会将更多的电力提供给传动比更好的前驱动单元，也不失为一剂良方。为此现在市面上两挡减速器产品可谓百花齐放百家争鸣。下面为读者介绍几家在两挡减速器上下了一番功夫的典型企业。

两挡减速器始终让电机转速保持在最佳的恒扭矩区间

采埃孚两挡减速器结构原理

采埃孚两挡减速器

采埃孚ZF

作为老牌的变速器生产企业，采埃孚在把玩齿轮这个分项上具有独特的功底与极高的造诣。一直为宝马提供著名的8HP自动变速箱而扬名天下的采埃孚，老早就认准了电动车潮流势不可挡，而内燃机动力所需的传统变速箱业务势必受到极大冲击，越早转型就越能创造出更有优势的生存环境。为此早在2017年采埃孚就与媒体分享了关于两挡减速器产品的资讯，并在2019年的全球媒体技术日上发布了首款电动车用两挡减速器产品。

该电动乘用车两挡减速器集成了先进的电机、换档元件和相应的功率电子。与上一代的电动汽车的减速器相比，其在70km/h时速下进行换档，能量转化效率得到大幅提高，电池续航里程可增加多达5%。紧凑型设计也满足了紧凑型乘用车的装配要求。系统采用模块化设计，通过后期调校和升级，可搭载于跑车和高性能车上。

说起高性能纯电动跑车，保时捷的Taycan可谓真正意义上的两挡纯电性能跑车，官方资料显示其两挡减速器可承受最大550Nm的扭矩。配有一个行星齿轮组和两个离合器，一个离合器负责完成正常的换挡动作，而另一个则可以使后桥电动机和整个后轴分离。整个变速箱中只有一个换挡执行机构，通过控制两个离合器的开合负责一挡、二挡、倒挡、空挡、P挡所有挡位的执行。尽管官方宣称该两挡减速器为自主研发，但是从具体结构以及发布时间啮合点来看，该系统或许自于采埃孚之手，极有可能采用InHouse合作模式共同打造，由采埃孚提供齿轮箱与PPE电动化平台技术，保时捷加以整合以及优化成型。

采埃孚这套两挡减速器更为有趣的是，可根据客户需求连接到车辆CAN通信，也可以通过连接数字地图和GPS实现换挡功能。例如，车辆可以通过GPS路线编程识别到下一个充电站的距离，切换到省电（Eco）模式预测并执行。在需要穿州过省跑长途时，换挡效率也将随之提升。减速器软件可以透过连接到云服务器进行OTA。从这点上看这款产品不单为电动车而生，更为日后智能汽车领域车型需求预留了极为宽广的想象空间。

GKN著名的冬季测试

eTwinster兩速系统

应用在宝马i8上的GKN两挡减速器

吉凯恩GKN

来自于英国的吉凯恩GKN也是一家已有250多年历史的老牌供应商，这家原为钢铁公司的企业，现如今专为飞机和汽车提供零部件产品。他们认为与单速变速器相比，双速变速器的节能率高达10%，多速变速箱在电动动力系统中的最大作用应该是将最佳加速性能和回收性能与最高车速结合起来，以帮助提高系统的整体效率。并且系统之中缩小电动机和逆变器的尺寸能让整套系统成为考虑复杂度、成本和性能之间最佳折衷方案。

GKN对于电驱轴的技术方案最早是为了混合动力客户准备的。早在2014年就将旗下第一个具备两速功能的eAxle产品应用在BMW i8前驱动桥上。该系统整体功率为96kW，峰值扭矩250Nm的电动机集成两挡减速器为前轮提供动力。而BMW i8中的那台三缸内燃机则为后轮输出最大170kW动力。可以说BMW很好地将两者整合了在一起。

GKN的研发工程师似乎喜欢跟自己较劲，随后的数年间，GKN在自家产品上不断迭代进发。2017年IAA法兰克福车展上首次亮相了eTwinsterX系统，这是一套进化与先前自家eTwinster系统的全新产品，集成了电动机，两挡减速器以及使用GKN独特的“Twinster”双离合器组件技术进行的扭矩矢量化分配。从官方数据来看，这套全新的eDrive系统采用了120kW的小型电动机，可为每个后轮提供3500Nm的最大扭矩，最大2000Nm的矢量，并可以以约250kph的最高车速运行。其最大的亮点自安于稳定性和动态性能，同时驱动桥的同轴设计也进一步提高了效率。

宝马i8前驱动桥上的GKN

GKN第三代两速系统横截面

GKN第二代电轴eTwinster

舍弗勒两挡电驱动桥

舍弗勒Schaeffler48V P4模块也设计有两挡齿轮

麦格纳

加拿大著名零部件供应商麦格纳在2016年以19亿美元，完成对具有80年变速器研发生产历史，为法拉利以及奔驰提供高端定制变速箱的格特拉克收购之后，可谓称雄传动领域。麦格纳将自家动力总成电驱动部件，定义为极具成本效益的齿轮箱，可广泛应用于中型至高级车型。最大功率可扩展至50kW到150kW的运动型车辆。旗下1eDT200、2eDT200和1eDT350等电驱动部件，均搭载集成式执行器。它们适用于纯电动车型，亦可作为后驱装置应用于混合动力车型。整套产品组具有轻量化以及更优的NVH性能，更可为P4混合动力应用提供额外的电子耦合功能。其中2eDT200正是本文所探讨的两挡减速器产品。

麦格纳的2eDT200

舍弗勒Schaeffler

同样来自于德国的舍弗勒集团原本是一家以制造轴承著称的企业，随着产品与技术的发展，随后更涉及到汽车、航宇以及工业等领域。1995年进入中国开始投资。早在2011年，舍弗勒就展示了一款专为纯电动车设计的电驱动桥系统，他们认为未来的消耗和排放目标只有通过动力总成电气化才能完全实现。因此，舍弗勒提供的产品涵盖电气化选项的全部带宽-从48V混合动力汽车和插电式混合动力汽车到纯电动汽车的驱动器。

这其中尤为值得关注的就是当时作为首款在中国落地并生产，并成功搭载于插电混动SUV长城WEY P8和长安CS75插电式混动SUV上的两挡电驱动桥系统。这套系统采用紧凑的行星齿轮、定轴齿轮组，将差速器和转子轴平行布置。转子轴与差速器输出轴的中心距仅为127.5mm，如此紧凑的组合让舍弗勒两挡电驱动桥的体积特别小，重量在轻量化后只有25kg，平行轴设计在不牺牲离地间隙的同时，更适合SUV车型那有限的后轴安装位置。此外舍弗勒将其设计为模块化，各部件之间都可进行调整，可以适配各种不同功率和类型的电机，譬如使用在长城WEY P8上的就是法雷奥的同步电机。

Ingear变形链轮高速挡状态

Ingear变形链轮低速擋状态

Inmotive

加拿大科技公司Inmotive推出了一款全新的有自主专利的电动汽车专用两挡减速器，名为Ingear。这款产品专为下一代电动汽车研发和设计，不仅简单耐用，还兼具系统高效、性能优越、成本低廉以及延长电池续航里程等优势。通常，电机和车轮之间有两副减速齿轮，车轮每转一圈，电机约转动九次。Ingear用连续链传动和变形链轮取代了第二副减速齿轮。换档时，执行机构会在车轮旋转一圈所需的时间内将链轮齿片引导到位，从而有效地增加或减少传动比。这套结构可让电机和车轮保持同步，在整个换档过程中实现连续的扭矩传递。目前Ingear已经获得了多家大型OEM客户的青睐，2021年第一季度Ingear将被搭载在一款纯电动乘用车上，并被用于路试。越来越多的客户愿意和Inmotive合作进行两挡变速箱的开发。在明年年初中国客户还有望试驾搭载了Ingear的两挡变速箱的纯电动汽车呢。

獨特的变形链轮技术

馨联动力

作为中国自主零部件企业，成立于2013年馨联动力历史并不长，但是却清醒地认识到数年来的国家补贴不只是仅仅为了打造出百万辆新能源汽车市场，更期望建成了从整车、核心零部件到基础材料的较为完整的产业链。为此馨联动力所设定的目标是为所有有需求的车企提供更低成本、更高效的优质变速箱。这其中包括了从混合动力专用变速箱、两挡减速器到集成化解决方案。现阶段，目前已推出电机+控制器二合一产品，基于电机+两挡减速器+控制器的纯电动乘用车三合一EV3000变速箱总成也在其产品规划中。馨联动力两挡减速器已在国内某款主流SUV车上测试。

馨联动力纯电动乘用车三合一EV3000变速箱

馨联动力纯电动乘用车三合一EV3000变速箱总成爆炸图

广汽埃安

作为中国自主新能源车企，刚在广州车展完成更名的广汽埃安，同样有着十分深厚的技术研发能力。去年北京车展上，广汽埃安就重点发布全球首创高性能两挡双电机“四合一”集成电驱。整套系统实现了双电机、控制器和两挡减速器深度集成。能为搭载车辆带来340kW的强劲动力，综合驱动效率达到90%，功率提升13%，体积较原有产品减小30%，重量减轻25%。将应用在随后推出的广汽埃安系列车辆上。

广汽埃安两挡双电机四合一集成电驱

广汽埃安后继车型将会逐步配置四合一系统

结语：

看到这里大家应该不会在对电动车是否需要齿轮箱产生怀疑了吧。两挡减速器能令电机保持在高效率工作区间的作用，已经成为插电混动以及纯电动车型的发展潮流，但这并不是技术发展的终点，面对降本节能的目标，相信在接下来的时间里，企业除了需要进一步攻克产品“减重”课题以外，三挡甚至多挡减速器将会成为下一个争夺的市场。