新能源汽车两档变速器(一):吉凯恩SynchroShift和TorqueShift

“特斯拉也用一档变速箱”。

电动车发展到今天,市场上仍没有量产车型安装有两档变速器。特斯拉在电动车行业内的标杆作用影响了在它之后的所有厂商。如业内人所知,特斯拉的初衷并不是一档,而是采用两档变速器。然而由于各种原因,这款两档变速器没能成行,这个“不幸”直接对电动车变速器的历史造成了深远的影响,以至于今天仍是一档的世界。

两档变速器能为我们带来什么?

总的来说有三点。最为明显的一点是效率的提升。不难想象,当用两个档位替代一个档位时,可以使得驱动电机在更为高效的区域运行,从而提升驱动系统效率。需要指出的是,行业内普遍认为两档变速器所带来的效率提升并不高,大约只在1~3%左右。

其次,采用两档变速器后,传动比可以做得更高,汽车的动力性也相应增强。简单的来说就是0-100 km/h 的加速时间将进一步缩短。

最后,也是更为重要的一点是,当采用了两个档位后,车内的驱动电机可以更加小型化、低速化,从而降低电机以及逆变器的成本。同时,由于电机的转速的下降了,变速器里可以采用低速的轴承、齿轮等部件来代替昂贵的高速部件,从而进一步降低成本。总的来说,两档变速器所带来的优势体现在效率、动力性以及成本上

Kreisel两档变速器爆炸图

图1: Kreisel两档变速器爆炸图 | 图片@Kreisel Electric

两档变速器已是必然趋势。虽然我们还没有看见量产的两档电动车,但是如果把眼光扩大到新能源领域,可以发现已经有不少混动车型搭载了两档电驱系统。例如舍弗勒、吉凯恩等公司都已有多款产品搭载在欧洲和中国的车型里。除此之外,采埃孚、FEV、Kreisel Electric等许多公司也正研发两档变速器,产品也陆续公布出来。

这篇文章我们先来看看吉凯恩(GKN)公司的两款产品。


功率分流式(Powersplit)混动系统(三):输出式功率分流

2010年11月,通用汽车(General Motors)高调推出雪佛兰沃蓝达车型1,这款车是全球第一辆采用输出式功率分流系统(Output Powersplit)的车型。

然而,更值得回味的是,这款车也是全球至今唯一一款采用过这种分流系统的车型2。说“采用过”是因为这种类型的分流系统只量产了一代就被匆匆下架。在第二代的沃蓝达车型中装载着完全不同的分流系统(Compound Powersplit,即复合式功率分流系统),与第一代中的输出式分流系统已无联系。

2012年雪佛兰沃蓝达车型

图1: 2012年雪佛兰沃蓝达车型 | 图片@General Motors

不得不提的是,2010年当通用公司推出这款车时,把它称作电动车3,而且命名为一种新型电动车,即增程式电动车 EREV(Extended Range Electric Vehicle)4。今天我们称这个系统为输出式功率分流系统,即混动系统的一种。

这篇文章里,在讨论这种类型的分流系统的同时,我们也会简单聊一下如此划时代的产品为何会如此草草收场。


功率分流式(Powersplit)混动系统(二):输入式功率分流

丰田普锐斯驾驶舱照片

图1: 丰田普锐斯驾驶舱 | 图片@Toyota

上篇里我们谈了功率分流系统的历史,这一篇里,我想来聊聊技术上的细节,谈谈这里有意思的事情。

功率分流混动系统根据其变速器的结构不同,有很多种形式,包括输入式(input split)、输出式(output split)和复合式(compound split)。各个形式都有各自有意思的地方,不同的整车厂也根据自己的车型和定位选择了不同的功率分流驱动系统。

虽然形式不同,但各个功率分流系统做的事都是把发动机的功率分为两个支流,分别传输到车轮上驱动汽车。这两个支流分别是机械功率流电功率流。你可能会问,发动机输出的功率为机械功率,为什么要多费劲把其中一部分变成电功率传输?上物理课时我们就学习了,把机械能转换为电能,之后再转换成机械能时必然有能量损失。就是说,我们把发动机的一部分功率转为电功率传输,白白降低了这一部分功率的传输效率。以上的考虑都很对,但是,功率分流系统很重要的一点就是,局部来看,一部分功率传递的效率变低,但是全局来看,混动系统的总体效率却提高了。

今天我们来看一看第一种功率分流系统:输入式功率分流系统,同时拿它来说一说为什么局部效率的降低导致了全局效率的提高。希望你看完这一篇文章,能有更好的理解。


功率分流式(Powersplit)混动系统(一)

在汽车界,提到功率分流式混动系统,第一想到的自然是丰田普锐斯。普锐斯系统对于汽车业界的意义可以与iPhone对手机业界的影响相媲美。普锐斯(1997年问世)和iPhone(2007年问世)的设计方案从发布以来不曾改变,可以说是从一开始就达到了完美。正是丰田,正是普锐斯,让功率分流系统在全球汽车业界达到今天的位置。

功率分流系统正如其名,就是将发动机功率分成几个支流,分别传输到车轮上。我们就要问了,怎么实现分流?这个,这就是变速器的任务了。变速器在功率分流系统中担当着核心的作用,按照变速器结构的不同,功率分流系统又可以分成输入式、输出式和复合式几种不同的形式。各个系统都有各自有意思的地方。

今天的第一篇中,暂不去讨论那些技术上的细节,我想聊聊功率分流式系统的故事。

来看看最早的功率分流系统

虽然说丰田普锐斯在今天最为出名,但是最早的功率分流系统应该归功于 Thompson Ramo Wooldridge Inc.(TRW)公司。1960年代,在阿波罗登月的时期,TRW的工程师研制出了第一款今天意义上的功率分流驱动系统。整个系统中包括一个发动机、两个电机和一个行星齿轮组。其中,一个电机用来调节发动机的转速,另一个电机用来对汽车的驱动扭矩进行调节。TRW系统在系统结构上与今天的丰田普锐斯系统稍稍有不同1,但原理一摸一样。

TRW公司研发的功率分流系统专利图

图1:TRW公司研发的功率分流系统专利图

今天,我们仍可以查到当时TRW公司申报的专利2。可惜的是,60年代的时候,连阿波罗登月飞船上的计算机都没法做大规模快速运算3,更别说真正意义上的车内用ECU了。那时候,驱动系统所有的控制都只能由机械或油压控制实现。发动机、电机的精密协同控制可以说是天方夜谭,因此,TRW的这个系统也只能束之高阁。


罗兰贝格:新能源汽车行业报告的是与非

罗兰贝格(Roland Berger)是全球领先的咨询公司中唯一一家德国公司,在汽车领域,罗兰贝格为众多的汽车主机厂和顶尖零件商提供咨询服务。随着新能源汽车的兴起,从几年前起,Roland Berger 每年对全球新能源汽车行业的发展进行评估,并发布评估结果报告。每次报告发布都会引起汽车行业内的讨论与报道。

罗兰贝格

              图片@Roland Berger

前几天,Roland Berger 2017年第一季度的新能源汽车行业报告 “E-Mobility Index Q1/20171出炉。报告将新能源汽车复杂错综的发展综合为科技、工业、市场三个指标,以此对当今此领域最为领先的七个国家(中国、美国、德国、法国、日本、韩国、意大利)做出评估。其中,科技指标体现该国汽车整车厂的科技水平及政府对研发的支持力度。工业指标体现该国在新能源汽车整车及零件生产中的价值提升程度。市场指标体现该国用户对新能源汽车的需求及新能源汽车市场的规模。