未來我們還需要變速箱嗎

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

▲ Tesla 部分車型雙電機(jī)四驅(qū)動力系統(tǒng)

Tesla為何無需變速箱

電機(jī)取代內(nèi)燃機(jī)成為車輛新的動力心臟。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沒有變速箱，其減速比是恒定的9.73,車速與電機(jī)轉(zhuǎn)速是固定的比例：

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

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

Tesla的電機(jī)和減速器

在滿足最高車速的前提下，動力系統(tǒng)的扭矩輸出也是衡量車輛性能的重要指標(biāo)。0-100km/h加速時間體現(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的車主，在中國高速公路上以120公里/小時的速度行駛，這個時候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)汽車為何需要變速箱

這個問題有多方面原因。首先，一般汽油發(fā)動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速能達(dá)到6000rpm-8000rpm，性能跑車能達(dá)到或超過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)汽車最高車速要比電動車低。其次，內(nèi)燃機(jī)在低轉(zhuǎn)速時扭矩輸出能力較差，需要更大的減速比來放大扭矩，這使得內(nèi)燃機(jī)汽車無法通過單一固定的減速比匹配行駛所需的各種車速。最后，這一點(diǎn)涉及到內(nèi)燃機(jī)的軟肋——無法逆轉(zhuǎn)且運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速不得低于怠速轉(zhuǎn)速，因此需要變速箱來輔助實現(xiàn)倒車、起步、靜止候車等功能。

▲某內(nèi)燃機(jī)外特性曲線

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)勢明顯。因此，為了使內(nèi)燃機(jī)始終保持相對較高的工作效率，一個能設(shè)定多個檔位的變速箱是必不可少的。

下面以Porsche某車型為例，車輛以120公里/小時的速度行駛在高速公路上，車輛各檔位對應(yīng)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速如下：

 此時，最經(jīng)濟(jì)的檔位為7檔，對應(yīng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2324rpm，車輛不僅噪聲和抖動都比較小，燃油經(jīng)濟(jì)性也最好。

電動車一定不需要變速箱嗎

從當(dāng)前市場來看，不管是先進(jìn)的Tesla還是國內(nèi)的自主電動汽車品牌，大部分都沒有給電動汽車配變速箱，這就給大家一種電動車不需要變速箱的感覺。

沒有變速箱，電動汽車可以正常行駛，增加變速箱會增加整車成本。變速箱存在的意義在于可以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速和車速的比例關(guān)系，在特定車速下，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，這款車的最初的設(shè)計配置是180kW電機(jī)+60kWh電池+2檔變速箱，但后來由于缺乏相關(guān)技術(shù)積累，取消了變速箱設(shè)計。但是，為了達(dá)到和取消變速箱之前相同的動力性能，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，減速箱的節(jié)能為5%，對應(yīng)電動車相當(dāng)于多了1kWh的電量。因此，變速箱裝在電動汽車上是錦上添花，而不是畫蛇添足。

▲ CVT變速箱

一輛由內(nèi)燃機(jī)作為直接動力源的汽車必須配備變速器來滿足正常的使用需求，而電動汽車沒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，電動汽車沒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)該思考的問題。所謂存在即合理，只能說明發(fā)生的事實自有其原因，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，也許國內(nèi)變速器供應(yīng)商和電動車企會在電動汽車用高速變速器上有所突破，獲得超越Tesla的契機(jī)。