新能源汽车多挡变速箱应用研究

王剑英

摘要：新能源汽车中的纯电行驶由于是驱动电机驱动，不存在噪音、震动、磨损等问题，不需要传统的多挡变速箱，一般采用单级减速器驱动，可以更直接地驱动车辆，进而提高效率、节约成本，目前绝大多数纯电动汽车采用单级减速器，但同时也出现了后程加速不足、续航里程偏短等问题，于是出现了专为新能源汽车设计的多挡变速箱来解决此类问题。

关键词：新能源汽车;多挡变速箱;应用

一、变速箱对新能源汽车性能的影响

（一）对车辆加速的影响

主流的车用交流电机的转速区间可以达为0-15000rpm，范围远大于传统内燃机转速区间的0-7000rpm，同时驱动电机可以在起步阶段的较低转速下迸发出最大扭矩，完全不需要多挡变速箱来放大，纯电动汽车在起步初期的加速远好于同一功率数值下的燃油车，但由于单级减速器无法帮助释放轮上扭矩，使其会在转速达到某一数值后有所下降，纯电动汽车高速时的加速性能普遍不如相同功率的燃油车，为了更加直观地了解纯电动汽车的加速特性，本文选取比较有代表性的特斯拉Model S车型的加速数据进行详细分析。

（二）对续航里程的影响

变速箱不仅对纯电动汽车的加速产生影响，对于续航里程同样会产生一定影响，电动汽车电机在5000转以下的热效率稳定在85%以上，而发动机的最佳热效率在1500-3500转之间，基本在40%左右，驱动电机的热效率远高于发动机，因此即便没有变速箱，电动汽车依然能够高效行驶，增加变速箱可以把部分时速下的效率从85%提升到95%，因此提升并不明显，这是目前电动汽车普遍只有一个单级减速器的重要原因，多挡变速箱对比单级变速箱来说其对动力输出的损耗更小，并且能提升驱动电机的动力输出效率，但要考虑体积、轻量化和增加成本的问题，变速箱不可能无限制地增加挡位，因此会通过增加一个速比范围合理的多挡变速箱来优化驱动电机的动力输出，不仅能提升经济性，还能持续地让驱动电机保持加速性能。

二、新能源汽车多挡变速箱应用研究

目前已有少数整车和零部件企业开始研发和生产新能源汽车的多挡变速箱，相关的量产车已经上市销售，从之后的市场反响和消费者反馈的结果看出其对汽车性能的提升十分明显，目前新能源汽车的多挡变速箱主要分为混合动力汽车变速箱和纯电动汽车变速箱。

纯电动汽车直至今日都普遍采用單级减速器，一方面可以节约成本和精简结构，另一方面可以降低零部件的故障率，但其后程加速疲软、电耗较高的劣势在追求性能极致的超级跑车和比赛成绩的赛车上非常明显，相关企业已经开始研发针对高性能纯电动汽车的多挡变速箱，2019年全球知名的变速箱制造商采埃孚公司研发出全球首款针对高性能纯电动汽车的二挡变速箱，并率先配备在保时捷Taycan纯电动轿跑车型上。Taycan使用两台高性能永磁同步电机，前后轴各一台，正常可以最多输出617马力（460k W）10秒钟，另外还有2.5秒的开启弹射起步的Overboost，Turbo S版本在此时最高可以输出751马力（560k W）和1050N·m的动力，Turbo则为670马力和850N·m，官方百公里加速成绩最快为2.8秒，到200km/h只用9.8秒，极速260km/h。为了达到兼顾加速性能和高速性能，Taycan革命性地搭载了全球首款专为纯电动汽车设计的二挡变速箱，可同时实现起步加速、后程加速和极限速度三项高性能指标。

上图所示为Taycan二挡变速箱的扭矩曲线图，由于变速箱装配在后轴，图中只列出后轴输出扭矩的曲线，其中实线为一挡轮上扭矩，虚线为二挡轮上扭矩，可以看到车辆在起步阶段即迸发出最大扭矩，这是纯电动汽车的一贯优势，时速达到50km/h左右时扭矩开始衰减，扭矩输出逐渐下降与二挡扭矩曲线交汇，在时速大概90km/h处被二挡轮上扭矩超过，最终在时速达到120km/h之后停止是因为轮上扭矩已经达到其在16000rpm时的最大输出，同时二挡轮上扭矩到达时速100km/h之后开始衰减，但其下降程度远慢于一挡，一直持续到时速250km/h之后，二挡的加入使Taycan在80km/h之后仍然保持较高的加速水准，相关测试结果显示加入二挡变速箱之后的Taycan的0-100km/h加速时间比单级减速器缩短0.3秒，72-128km/h的加速时间缩短0.5秒，最大的提升是在160-240km/h加速时间缩短1.4秒。二挡变速箱使Taycan在后程加速的高速行驶时实现持续的高扭矩输出，同时提高热效率和进一步降低能耗，做到了性能与节能的理想平衡。由于二挡变速箱在体积、重量、成本等方面的制约，目前主要应用在保时捷等高端品牌纯电动车型，随着技术的不断改进，预计未来将会有更多的普通纯电动乘用车采用。

三、结语

新能源汽车多挡变速箱的出现弥补了纯电动行驶后程的加速不足，同时进一步降低能耗，从性能和节能两方面都有显著的提升，但目前对其研发还处于初级阶段，在技术路线、结构分布、成本控制等方面还有诸多障碍和限制，需要相关企业共同努力进一步推动多挡变速箱在新能源汽车方面的应用，使其最终成为今后新能源汽车的标准配置。

参考文献：

[1]黄志勇.电动汽车用两档位变速装置设计研究[J].内燃机与配件，2020（16）：24-25.

[2]刘春玲，张友坤.一种电动汽车变速时多速变速箱的拓扑变化模型[J].科学技术与工程，2020（2）：1657-1662.