为何电动车不使用变速箱

| 阅读(272) | 没有评论
摘要

变速箱可说是燃油引擎最重要的工作伙伴,透过变速箱「换档」改变传动齿比,善用引擎出力区间驱动车辆从低速游走到高速 […]

变速箱可说是燃油引擎最重要的工作伙伴,透过变速箱「换档」改变传动齿比,善用引擎出力区间驱动车辆从低速游走到高速巡航一气呵成,达到「起步有力」、「高速省油」的目的。正因为变速箱对于燃油汽车来说是至关重要的组件,即便是Hybrid或PHEV车型,只要车上引擎参与动力输出, 几乎就少不了透过变速箱换档、传递动力的过程。参考市面上的量产电动车,从日常通勤的Nissan Leaf到极速高达412km/h的Rimac Nevera电动超跑,都仅采用单速齿比而不具备变速功能,白话点说只要「一档开到底」即可因应各种路况与动力输出。少数例外则是保时捷Taycan与双生车奥迪e-tron GT,是目前唯二在后轴马达采用两档变速的量产电动车,但前轴仍维持着单速齿轮的设计,也就是说「变速箱」这项对油车来说重要的零件,在电动车上面却成了可有可无的存在。接下来将从变速箱的「必要性」、「马达输出特性」与「加上变速箱的优缺点」来探讨,电动车到底需不需要变速箱?

引擎vs.马达「启动」特性大不同
引擎会怠速运转-需断开动力

这得从引擎与马达运作原理大不同开始说起,由于引擎运作是透过油气在汽缸内不断燃爆带动曲轴旋转,因此一旦发动便得维持最基本的转速(怠速)才能确保持续运行,若停止运转,便得透过外力(启动马达)再次推动引擎运转才行。而变速箱的功能之一便是确保车辆静止时能「断开」引擎与轮胎之间的连结,在停止移动、不需要动力时脱离来自轮胎的负载,借此达到稳定的怠速运转,这套装置在手排车上便是离合器机构,传统自排则透过扭力转换器达到相同效果。

马达零怠速-通电运转、断电停止

电动马达有所谓「自身启动」的特性,也就是不必靠外力就能自行启动,运用电磁感应原理只需「通电」马达就能旋转运作,想要停下来也只需断电即可。这道理就像家中的电风扇,按下开关通电、马达便会自行旋转,拔下插头断电便会停止转动,两者基本原理并没有太大的不同。马达能自行启动的特性也就无需设计离合机构,将马达与直接透过齿轮咬合连结轮胎即可,马达停止转动也就等于车辆静止,简单的很!再者电动马达能透过改变电流方向双向旋转,要前进、要倒车透过控制器便能一键搞定,不像燃油引擎只能朝单一方向运转,要让车辆向后退还得透过变速箱的倒车齿轮才行。综合电动马达「无需怠速、可自身启动」与「可正反双向运转」两项特性,使得电动车在机械结构上不需要变速箱也能正常行驶。

引擎vs.马达「输出」特性大不同
引擎动力区间有限需换档维持甜蜜带

燃油引擎除了先天硬体需要变速箱匹配,在输出特性方面也要靠着变速箱的「变速能力」才能正常行驶,从上图燃油引擎输出特性来看,能看出引擎在低转速域不论马力、扭力都很贫弱,直到4000rpm以上才有相对稳定的扭力曲线,最大马力甚至在5500rpm才达到巅峰,却又在6000rpm以上剧烈衰退。如此动力特性让燃油引擎可用的动力带(Power Band)相对窄小,需要透过变速箱多档位、不同齿比配置才能善用动力带,同时满足起步、加速与高速巡航等行驶需求。

马达动力带宽广任何转速都「有力」

电动马达的输出特性则截然不同,同样以图为例、马达起转瞬间便是最大扭力输出,直到4000rpm才逐步衰退、交由最大马力接手并持续向上推升车速,而这也是电动车起步加速惊人、中低速域动力一气呵成的主要原因。起步全扭力、高转全马力的输出特性让动力带宽广,即便仅有单速齿比依然能在任何转速区间提供足够动力输出,也因此市售多数电动车并不需要变速箱与额外档位,单速齿比即可一档打天下。对传动原理熟悉的读者可能会好奇,电动车靠着单速齿比要能兼顾起步,减速比自然不能太小,否则会像燃油车5档、6档起步一般重拖,但要兼顾起步、多少也得牺牲高速表现才行。但要解决这项问题并不难,齿比不变的前提下,提升马达转速便能带来更好的高速延伸性,举例来说最新的Tesla Model S Plaid即便有着1020hp最大马力,却依然采用单速齿比,为了达到322km/h原厂公布极速,其马达转速最高可达约20000rpm,这是机构复杂、运转零件众多的燃油引擎所难以达到的境界。

电动车变速箱非必要但能「锦上添花」

既然电动车不必搭载变速箱,靠着单速齿比即可正常行驶,那么保时捷Taycan又为何在后轴马达采用两速变速箱?事实上Taycan的两速变速箱可以视为保时捷对于高性能的追求,低档位(一档)仅在全油门或Sport、Sport+模式下启用,在时速80km/h以下带来更好、更即时的加速反应,面对多数日常路况Taycan仍是以高档位(二档)行驶,甚至在低负载状态下还能完全以前轴马达发力,以降低长途行驶的电力消耗。从Taycan的例子可以知道,变速箱的导入对于电动车性能提升确实有着正面助益,低速档强化起步反应、巡航档降低长途电耗等优点都与燃油车变速箱完全相同。事实上包括ZF、Getrag等变速箱大厂早已投入电动车变速箱领域,德国Bosch也在近期发表电动车专用CVT变速箱-CVT4EV,能进一步将马达转速控制在高效输出区间,Bosch表示这套变速箱能提升约4%效率表现,带来更佳的续航里程与动力反应。看到这边眼尖的读者或许已发现问题所在,增加零件成本、提高车重又需额外维护的最新款电动车变速箱,竟然只增加「4%」的行驶效率。对于性能的提升远不如增加马达转速、降低运转阻力、增加电池模组等措施来得有效且省成本,造就市面上多数量产电动车仍以单速变速箱为大宗,仅有少数特定目的如Taycan为了强化起步加速而采用两速变速箱。

电动车变速箱目前少但未来发展难定

从「机械结构」、「输出特性」、「优缺点」三个层面进行分析,不难发现为何多数电动车仍以单速齿比为主流,车厂之间提升电动车性能也以马达技术、电池科技与运转效率为主要研发方向,现阶段电动车变速箱所带来助益显然不敌额外重量、维护、成本等负面因素。然而随着未来电动车科技必将面临瓶颈,变速箱开发也更趋成熟,相信假以时日变速箱仍能替电动车发展带来如虎添翼的效果。