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。

宝马 i8 与吉凯恩 SynchroShift

宝马的 i8 车型在业内有举足轻重的地位,凭借这款车型和 i3 车型,宝马在混合动力领域走到了德国三大汽车的最前列1。i8 融合了众多汽车业界最新的技术,其中一项就是使用了两档电轴。

宝马i8车型

图2: 宝马i8车型 | 图片@BMW

宝马 i8 的前后两轴都装载有一套驱动系统(如下图)。后轴上装有一台三缸 170 千瓦的1.5升发动机,配备着6档自动变速器2。而前轴为电动驱动轴,安装有一台 96 千瓦的电动机,连接着吉凯恩的两档变速器,即名为SynchroShift的变速器。吉凯恩公司称其为全球第一款两档电轴3

宝马i8车型驱动系统

图3: 宝马i8车型驱动系统 | 图片@BMW

吉凯恩的这款两档变速器结构很简单,如下图,它采用了AMT的结构。两组齿轮分别实现第一和第二档。同步器安置在了两组齿轮之间,由一台小型直流换档电机负责推动。SynchroShift变速器的各项数据如下:

  • 宝马内部变速器代码:GE2I12GK
  • 传动比:11.3(第一档)、5.85(第二档)
  • 最高输入扭矩:250 牛米
  • 最高输入转速:11400 转/分钟
  • 质量(含油):27 千克
  • 变速器油量:0.65 升
吉凯恩SynchroShift两档变速器结构

图4: 吉凯恩SynchroShift两档变速器结构 | 图片@GKN

在宝马 i8 里,SynchroShift 的换档策略非常简单:在 Max eDrive (纯电动行驶)模式下只开第一档4,在 Comfort、Eco Pro 或 Sport 模式(皆为混动模式)下只开第二档5。因此,只有当驾驶员从 Max eDrive 模式转到其他三个模式(或反过来)时,变速器才会换档。这里,我们能看出几个这个两档变速器里重要的信息:

  • 纯电动模式(Max eDrive)下只用第一档,为的是为驾驶员提供更高的加速体验,而不是提高行驶里程;
  • 在纯电动模式下不换档,是因为AMT变速器的先天不足,即换档时有动力中断,也就是换档点头感;
  • 混动模式(Comfort、Eco Pro、Sport)下使用第二档,最主要的考虑是满足最高车速的需求,其次是降低电机的工作转速以提高效率;
  • 即便在混动模式下踩下全油门,变速器也不会降档(以提升加速度)。

用一句话总结来说:虽然有两个档位,但是宝马(几乎)把这个变速箱当成单档变速箱来使用。SynchroShift作为一款AMT变速箱,其不可避免的换档动力中断对车辆的平顺控制是一大挑战。为此,宝马尽量避免换档。

SynchroShift的换档过程

说了这么多,一、二档间的换档还是有的。SynchroShift里的换档基本与一般的AMT换档没有区别,但是换档的过程不再是由同步器单独完成,而是加入了电机主动调速。

假设我们在120 km/h时(纯电动模式的最高车速)退出Max eDrive模式,进入Comfort模式。此时,变速器处在第一档,输入转速大约为10600转,二档目标转速为约5500转。也就是说,在短暂的换档中,变速器的输入转速必须迅速降低5100转。

为了在短时间内同步如此高的转速差,吉凯恩SynchroShift同时控制同步器和电机来完成这个工作,下图展示了这个换挡过程。

吉凯恩SynchroShift换档过程

图5: 吉凯恩SynchroShift换档过程 | 图片@obasic.net

接收到一档升二档的换档信号后 ①,电动机迅速降低输出扭矩,同时,换档电机进行摘档动作,退出第一档 ②。之后,电机进入主动调速阶段,利用负扭矩迅速降低转速。当转速降低到一定幅度时 ③,同步器开始作用(此之前只有电机在作用),更快地拉低变速器输入轴转速 ④。当转速非常逼近目标值时,电机退出同步过程 ⑤,不再输出扭矩,交由同步器单独完成剩余的工作 ⑤-⑥。第二档完全挂入后 ⑦,电机重新输出扭矩,驱动汽车。

原先只能由同步器单独完成的工作,即 ②-⑥,现在由电机完成了一大部分,缩短了换档的时间,同时也为同步器减去不少负担。

前面说到,电机在 ⑤ 处退出了同步过程。也许你会问,为什么电机在最后关头退出了?为什么不和同步器一块坚持到底?我的理解是,同时控制电机与同步器时,两种控制同时促进着转速的下降。当转速同步进行到快结束时,转速即将到达目标值,此时对控制的精准性更高。为防止两种控制互相干扰,吉凯恩只保留一种控制,即同步器的控制,保证同步过程平滑结束。

通过电机与同步器的协同工作,吉凯恩SynchroShift的换档过程控制在了0.5秒到1秒之间。而这0.5到1秒的时间就是动力中断的时间。为了防止换档点头感,在动力中断前,车辆的驱动力会全部交给后轴(即发动机所在轴)提供,从而保证换档平滑。

由此,SynchroShift是一款完完全全的混动汽车变速器,它只能放在混动车里使用。

吉凯恩TorqueShift

如果说宝马 i8 在换档时能依托发动机来弥补动力,所以AMT动力中断这个缺点还不是那么凸显的话,那么对于纯电动车来说这个问题就很棘手了。电动车里,换档时的动力中断无法用其他方式来弥补。对于车辆的舒适性来说,无换档动力中断极为重要6

吉凯恩的第二款两档变速器 TorqueShift 就是为了这个目的而设计,它是一款纯电动车用的两档变速箱。与上面我们看到的 SynchroShift 相比,它的结构截然不同。

在 TorqueShift 里,吉凯恩告别了同步器,为两个档位都各自配备了一个湿式离合器。换档时,通过控制两个离合器上的油压,两个档位的动力能够实现无缝交接,从而达到无动力中断。这个换档过程与双离合变速器非常像。下图展示了吉凯恩这款变速器的原理图。

吉凯恩TorqueShift结构

图6: 吉凯恩TorqueShift结构 | 图片@obasic.net

虽然 TorqueShift 与 SynchroShift 的结构完全不同,但是在第一档传动比的选择上几乎一致。TorqueShift 的第一档传动比为11.84 (SynchroShift 为11.83)。第二档两个变速器的差距较大,TorqueShift 为 6.65(SynchroShift 为 5.85)。

从混动车的 SynchroShift 到电动车的 TorqueShift 设计参数改变可以看出,吉凯恩认为在电动车里,两个档位的传动比应该靠得更近一些。变速器的传动比区间(ratio spread)从 2.0 降到了 1.78。在下一篇文章里面我们还会看到吉凯恩在另一款两档变速器(eTwinsterX)里也用到了这个 1.78 的传动比区间。

吉凯恩TorqueShift两档变速器截面图

图7: 吉凯恩TorqueShift两档变速器截面图 | 图片@GKN

TorqueShift 在结构上另外一个值得指出的地方是它的离合器液力执行机构。两个湿式离合器的油压控制放置在了变速器壳体内(上图标记油腔)。油腔内的压力升高时,活塞(蓝色)被推动向右移动。在一般的变速器里,活塞直接推动并压紧离合器压片,从而关闭离合器。而在这款变速器内,由于活塞安装在变速器壳体内,无法与轴一同旋转,吉凯恩在活塞的右侧安装了一个滚珠轴承。活塞的位移必须通过这个滚珠轴承传递到离合器的压片上,压紧离合器。

TorqueShift 产品公布至今已有三年。早在2017年,吉凯恩已在一台沃尔沃C30车型中测试了这台两档变速器。然而,在至今仍未量产,各中原因不得而知。

下一篇里,我们会一起聊一聊吉凯恩的第三款两档变速器 eTwinsterX。

注释:

  1. 然而在 i3 和 i8 之后,宝马公司在混动和电动领域鲜有成果,昔日的领先优势已经无存。宝马公司近几年在 e-mobility 的严重失策也导致宝马总裁 Harald Krüger 近日宣布在2020年下台

  2. 该变速器为爱信公司的6档自动变速器,其代号为AISIN F21–360 FT EOP,各档位传动比为 4.459 / 2.508 / 1.556 / 1.142 / 0.851 / 0.672,主减传动比为 3.683。

  3. 出处:Theodor Gassmasnn于2017年在美国CTI论坛所做报告:”GKN 2-speed Transmission Technology for Hybrid and Electric Vehicle” 链接

  4. Max eDrive 模式为纯电动驾驶模式,此模式下最高车速 120 km/h,行驶里程为37公里。出处:“BMW Technical training – Product information I12 Powertrain。”

  5. Comfort模式为宝马 i8 的标准模式,汽车启动时会自动选择Comfort模式。Eco Pro模式可在中控台上利用模式选择键选中,为最节能的模式。Sport模式为最为动力的模式,可通过把换挡杆推到左侧滑轨激活。出处:“BMW Technical training – Product information I12 Powertrain。”

  6. 这里说的车辆指的是轿车、SUV等家用车。对于货车等商用车来说的话,舒适性不是第一要素,因此,可以考虑有换档动力中断。


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