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科普:為什么電動汽車沒有變速箱?

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樓主
發表于 2017-6-20 19:40:08 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
                                                                                                        
關注我,請點擊電動汽車為什么不用變速箱來控制轉速?首先,內燃機低轉扭矩小,最大轉速低。其次,變速箱對改善駕駛性的效果有限,相對于增加變速箱帶來的降低傳動效率,增加車重,增加成本,就很不值當。
首先,電動機的最高轉速比一般汽車用的內燃機要大得多。
比如特斯拉Model S的最大轉速是16000轉,日產Leaf(啟辰晨風)也有10390轉。而一般的汽車內燃機紅線轉速也就6000轉,跑車也就8000轉。在單減速比的情況下,車速和發動機轉速成固定比例。其公式是:
車速 = 發動機轉速/減速比 x 車輪半徑 x 2Pi x 60(將每分鐘轉速換為每小時轉速)/1000(將米換為千米)
假設內燃機汽車的最終減速比和輪胎半徑都跟電動汽車一樣,那么電動汽車能夠達到的速度就會比內燃機汽車更高。
其次,因為內燃機的低轉扭矩較差,所以實際起步需要的減速比還要更大,進一步使得內燃機汽車沒辦法通過一個減速比匹配行駛需要的速度。
如果只看最高轉速和最高車速的關系的話,也并不能完全解釋為什么內燃機汽車不需要變速箱。日產leaf電機最大轉速是10390轉,最高車速是150kph(公里/時),本田思域1.8的紅線轉速是6700轉,如果最終減速比和輪胎半徑一樣的話,最高車速應該能達到96.7kph,日本本土高速公路限速90kph,不考慮超速的問題的話,難道日規思域就不需要變速箱了嗎?
甚至還有些高轉發動機,比如思域Type-R,馬自達的轉子發動機,以及各種摩托車發動機,乃至F-1賽車,曲軸轉速上萬,跟電機差距并不大,為什么也需要變速箱呢?
首先,輪上扭矩=發動機輸出扭矩x減速比,減速比越大,發動機經過放大后實際在車輪端輸出的扭矩就越大。發動機在轉速為0的時候扭矩是趨向于0的。所以0轉速起步根本就不可能,都需要怠速起步,而且還需要一個比較大的減速比來放大扭矩。但電動機在轉速為0的時候就可以輸出最大扭矩,不但不需要怠速,而且減速比也可以做得相對比較小。
日產leaf的最終減速比是8.1938,相比之下,本田思域自動版的1檔變速比是2.666,主減速比是4.437,所以1檔時的最終減速比是2.666x4.437=11.829,明顯高于leaf。那么這個civic在一檔達到的速度值相比leaf就還要更低得多。根本沒辦法滿足甚至是道路限速內的行駛需要。
但我還想補充一些其他很重要的原因。
僅僅看上面兩點,還是不能夠說明為什么內燃機汽車需要那么多前進檔。如果只是為了滿足起步扭矩和最高車速,那么有兩個檔位似乎也夠了。實際上很多內燃機汽車測試0-100公里加速的時候,就只用到1檔和2檔。按照無往上面的計算,保時捷911的2檔最終減速比是7.88,相應的極速就能夠達到128KPH,這個速度完全夠了,為什么還需要3、4、5、6、7檔?這里就牽扯到其他3個原因:
內燃機在高轉速時的噪音和抖動(NVH)太明顯,所以需要通過變速箱在日常駕駛時用較小的減速避免發動機在高轉速運轉,但汽車用電機即使在高轉速時NVH也完全可以接受。
內燃機的最大功率曲線變化是很劇烈的,實際上能夠輸出最大功率的區間很窄。在車速一定的情況下,如果需要急加速,可以通過變速箱,使得發動機運行的轉速更接近輸出最大功率的轉速,從而獲得更大的加速度。
內燃機的高效區間比較狹窄,所以需要變速箱,在不同的車速,不同的動力需求的情況下,將發動機的轉速和負荷調整到比較經濟的區間。而電動機的高效區間相對比較寬泛。
噪音比較好理解,即使內燃機汽車可以一直在2檔行駛,那么高速巡航轉速也得動輒5、6000轉,那個噪音你如果體會過不是特別喜歡速度與激情肯定不會喜歡的。
關于第二點,我在前面介紹了一個公式,即輪上扭矩=發動機輸出扭矩x減速比,也就是說,通過變速箱改變最終減速比,可以改變發動機扭矩放大的倍數。
還是以保時捷911和特斯拉Model S為例。911GT3的外特性曲線或說最大扭矩/功率曲線如下圖(lb·ft即磅英尺,跟牛頓米一樣,是一個扭矩單位),可以看出,隨著轉速不同,911 GT3的功率變化是巨大的,7500轉左右輸出的功率是14500轉時的近8倍:
我們假設現在這輛911正在以120公里/小時的時速巡航,那么此時各個檔位對應的轉速如下:
你作為一個真正的車迷,即使是通勤路上也都是手動模式,此時你非常機智的選擇放在7檔巡航,轉速為2324RPM,此時噪音和抖動都比較小,燃油經濟性也較好。
但突然,旁邊有輛Model S P85向你赤裸裸地發動了挑釁,這時候要榨取這輛傳奇車型的最大動力,你該怎么辦?
如果你的變速箱這個時候仍然放在7檔,那么即使油門到底,發動機輸出的扭矩也只有225磅英尺,經過變速箱和主減速器的放大,先不考慮傳動效率的損失,到車輪上也不過只有225x2.44=549磅英尺而已。靠這點扭矩想干翻特斯拉?
如果你迷信發動機扭矩決定最大加速度的說法,這時候一個很明顯的選擇是直接降到3檔,轉速瞬間上升到5074RPM,接近最大扭矩轉速,此時發動機輸出300磅英尺的扭矩,經過變速箱和主減速器的放大,到達車輪上的扭矩有300x5.33=1600磅英尺。
特斯拉Model S P85這個時候發動機扭矩輸出是325牛米也就是240磅英尺,乘以9.73的最終減速比,是240x9.73=2332鎊英尺。雖然看起來是Model S P85輪上扭矩牛一點,但是別忘了它沉啊。P85 S重2140kg,但你911GT3只有1430kg啊1600/1430=1.12明顯大于后者的2332/2140=1.09,你立即取得微弱的優勢(抱歉這里為了計算方便沒有統一使用公制或英制單位)。
不過,其實如果你這么選擇檔位,簡直就是暴殄天物。你可是911 GT3!碰上這種不知天高地厚的后生,難道不應該教訓一下他什么叫做內燃機的“后勁”嗎?
所以,這時候正確的辦法,是直接降到2檔,此時發動機接近最大功率轉速,輸出415馬力,287磅英尺的扭矩,經過變速箱和主減速器的放大,到達車輪上的扭矩有287x7.88=2261磅英尺。盡情地嘲笑特斯拉吧!
所以,正是因為有了變速箱,內燃機可以根據車速,改變總減速比,使得不管車速是多少,發動機轉速都可以盡量接近最大功率的轉速,從而盡可能輸出更多動力。(如果是無極變速箱,那甚至可以一直維持在最大功率轉速輸出動力)
關于為什么最大功率而不是最大扭矩決定給定速度下的最大加速能力,我在汽車發動機的兩個參數馬力和扭矩,哪個更能體現動力性? -魚非魚的回答里面詳細解釋過,不過當時好像包括很多學車輛工程的人在內都不同意這個說法。如果你現在相信我了,不如去點個贊。(如果給定檔位,加速度則是由最大扭矩決定的)
我們再來看看特斯拉的外特性曲線,其中紅色的實線和虛線分別是是P85的最大扭矩和功率輸出曲線。因為特斯拉沒有變速箱,只有一個固定減速比,所以橫坐標就是車輛行駛速度(MPH即英里/時),它永遠跟電機轉速成固定比例。根據無往計算,8000轉時車速是109公里/時,75mph也就是120公里時的時候,對應的轉速大概是120/109x8000=8807轉,其他速度也可以以此類推。
從這張圖我們也能夠看出,車用動力電機的輸出特性是,在某一轉速以前,是等扭矩輸出,之后是等功率輸出,再過了某一點以后,功率也以某種凹曲線形式緩慢下降。總體上來看,特斯拉的功率曲線其實也有變化,一般巡航的速度區間,42-72mph,也就是68-116公里/時,功率曲線根本是平坦的,也就是說,盡管此時扭矩隨轉速升高而下降,但你此時通過變速箱提高檔位,降低發動機轉速,發動機扭矩上升的因素和減速比下降的因素彼此抵消,根本不能夠達到增加輸出的目的。
還是以剛才高速上飆車的故事為例,假設你現在變成了那輛發起挑釁的Model S P85的車主,行駛速度是120公里/時,75MPH,此時輸出325牛米的扭矩,300kw的馬力,輪上扭矩是325x9.73=3162牛米。
現在假設特斯拉Model S P85突然多了一個2速變速箱,1檔傳動比是1,2檔傳動比0.6,你現在換到2檔,最終減速比從9.73變為5.84。轉速從8807轉降到5284轉,對應的1檔車速就是75mph*0.6=45mph,看起來扭矩增長到了550牛米,但是其實“并沒有什么卵用”。此時輪上扭矩變成了550x5.84=3211牛米,根本沒什么變化(微弱的變化是因為75MPH時的功率本身略低)。
再來看看輪上扭矩的公式:
輪上扭矩=發動機扭矩*減速比=發動機扭矩*發動機轉速/車輪轉速=發動機功率/車輪轉速
給定速度,車輪轉速一定,功率大小與輪上扭矩成正比。如果最大功率不隨轉速改變,你通過減小減速比來增大轉速就是“然并卵”。
所以,如果911 GT3沒有變速箱,減速比只能固定在7檔的水平,就會輸的很慘,但特斯拉model S起碼在這個速度多個變速箱完全沒卵用。
當然,我們從上面那張圖中也能看出,model S P85的電機的功率曲線也不是完全平坦的,高于72MPH以后,會有緩慢的下降,此時如果有2檔能夠通過降低減速比,降低發動機轉速,能夠輸出更大的輪上扭矩,但是因為這種高速本身也不常用,所以意義不大。
同樣的,雖然在42MPH以下功率隨轉速上升,此時如果有一個更低的檔位,可以通過增大減速比,增加發動機轉速,在扭矩不變的情況下,增大扭矩放大倍數來增加輪上扭矩。
但是,畢竟即使對于低速來說,因為實際上電機已經輸出最大扭矩,這個時候的最大加速度已經很不錯,再通過變速來進一步增加最大加速度意義也不是很必要,也可能會突破輪胎附著力的極限。如果我們看功率,那么75mph時的最大功率也只是15mph時的3倍左右。也就是說,即使有變速器,也最多只能將15mph時運行最大加速度增大為現在的3倍左右而已(911 GT3如果通過變速,將1500轉變成7500轉,則是增長近8倍)。
(別忘了給定檔位,最大加速度取決于發動機的最大扭矩,models在單速變速箱的情況下,20mph和40mph能達到最大加速度是一樣的,如果有更低檔位,20mph能夠達到的最大加速度才可以更大)
當然,其實如果為了拼0-400米加速,因為后段會達到比較高的速度(超過150公里/時),所以如果有一個更高的檔位,使得電機轉速更低,會顯著改善P85的成績。同樣,如果有一個更低的檔位,配合更好的輪胎和四驅系統,在起步時也可以達到高的多的加速度。所以一般認為電動車如果有一個3檔變速箱,對性能也會有顯著的改善,據說特斯拉也曾經考慮過配上這樣一個變速箱。
不過呢,增加變速箱不僅僅增加成本,還會帶來額外的效率損失,即使是好的雙離合變速箱,傳動效率也只能做到90%多,而且還增加重量,這樣不但會降低動力,也會增加油耗。所以為了大多數人并不在意的極限性能而增加變速箱,似乎沒有什么必要。
最后再來看看燃油經濟性。
下面這張圖是本田insight上的1.3升發動機的BSFC圖,圖中像等高線一樣的圓圈表示的的是每單位(千瓦時)做功消耗的燃油量(克),數值越低越好。大概能看出,大部分轉速和負載落在300g/kwh的等效率線以內,而最優區間的燃油消耗率是215g/kwh,前者是后者的1.4倍。
那么如果現在車輛在巡航狀態,需要以12.6千瓦的功率克服阻力,那么此時如果發動機是以4000RPM,中低負荷的狀態運行,輸出30牛米的扭矩,燃油消耗率達到了275g/kwh,也就是開一個小時車,要消耗12.6*275=3465g的燃油,也就是4.78升。假設93號汽油7塊一升,就是33.5塊汽油。
如果通過增加檔位,在2000RPM運行,此時需要輸出60牛米的扭矩,變成在中高負荷運轉,就正好落在內燃機最高效的區間,此時燃油消耗率僅有215g/kwh,也就是開一個小時車,要消耗12.6*215=2709g的燃油,也就是3.74升,節省油耗22%。同樣假設93號汽油7塊一升,就是26.2塊汽油,足足省了7塊3。
下圖則是二代prius的主電機的經濟性圖,等高線的單位變成了電機效率,也就是單位消耗的電量(千瓦時)做的功(千瓦時),數值越高越好。大部分負載和轉速都落在89%等效率線以內。而最優區間效率超過94%。換算成單位做功消耗電量,也就是112.4%和106.4%,前者是后者的1.056倍。
此時如果我們假設Prius由電機帶動巡航,需要以26.2kw的功率輸出克服阻力,電機以中高負荷運轉在4500RPM,輸出50牛米,此時電機效率為89%,也就是說,行駛一個小時,消耗的電量是26.2kwh/89%=29.4kwh。如果通過變速箱,將轉速縮減到2250RPM,以中等負荷運轉在最優效率區間,電機效率為94%。此時行駛一個小時,消耗的電量是26.2kwh/94%=27.9kwh,只節省了區區1.5kwh的電量,5%而已。以5毛錢一度電計算,不過才7毛5分錢而已,而且這還是整車以超過前面例子2倍的動力輸出運行的情況下。
所以說,因為電機高效區間相對寬泛,通過變速箱調整轉速和負載改善燃油經濟性的效果也大大減弱了。
總結一下,為什么電動車沒有變速箱?
1、內燃機低轉扭矩小,最大轉速低。為了同時滿足起步和極速的情況,變速箱對內燃機是必要的。而對電機來說就不是。
2、內燃機的安靜平順的區間,最大動力輸出的區間,和最省油的區間都比較狹窄,而且三者互不相同,有了變速箱來調整最終減速比,能夠在不同車速下,根據不同需要,靈活選擇發動機轉速和負荷,大大改善內燃機汽車的駕駛性。對于電機來說,這三個區間都很寬泛,變速箱對改善駕駛性的效果有限,相對于增加變速箱帶來的降低傳動效率,增加車重,增加成本,就顯得很不值當。(出處:第一電動網 )

               
                    
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