两挡变速箱在电动汽车上的应用-绵羊汽车生活记录

一、传统燃油车与新能源汽车传动系统概述相较于传统燃油车，电动汽车的构造有很大的不同。除了不再需要构造复杂的发动机以及占据了大量空间的排气系统之外，在传

除了不再需要构造复杂的发动机以及占据了大量空间的排气系统之外，在传统内燃机汽车上最为常见的配置之一的多挡变速器似乎也并没有出现在电动车之上。

不过尽管如此，业界对于电动汽车是否需要多挡变速器还存有争议。很多业内人士认为，二级变速器才是电动汽车未来的主要趋势。

具体来说，由于内燃发动机的合理转速区间较窄（一般在1000-4000rpm左右），转速过低则无法输出转矩，而一旦发动机转速过高则会处于一种低效的工作状态，所以在行驶时，燃油车需要通过换挡来调整减速比，从而使转速保持在合理的工作区间。

从结构上来说，单级减速器不需要换挡机构、同步器和离合器，结构相对简单且容易实现，因此为车企所广泛使用。

由于工作特性要求，车辆需求动力源在低速时输出大扭矩，高速时输出恒功率，传统内燃机输出特性无法与车辆直接匹配，需要匹配一个多挡变速器满足车辆需求。对于纯电动汽车而言，由于电机具有与传统内燃机不同的工作特性，在低速时能够输出大扭矩，高速时能够输出恒功率，因此电机特性能够基本与车辆需求吻合，无需增加多挡变速器，只需增加一个单级减速器或者两挡变速器即可。

单级减速器方案传动效率高、资源丰富、开发难度小，基本可以满足中小型纯电动整车要求，目前量产车型大多采用固定速比的减速器，但是单级减速器方案需求电机扭矩较大、转速较高，无法有效控制电机运行状态。

目前，市场销售的纯电动车型大部分都是单档减速箱，但细心的朋友会发现存在那么几款采用两档减速箱的整车。比如舍弗勒的两档电桥的长安CS75/长城P8，搭载的GKN两档减速箱宝马X1/i8，以及特斯拉最初的两档减速箱方案。特斯拉的第一个车型Roadster的最初设计是180kW电机+2档变速箱，后来由于变速箱生产质量的问题，被迫采用了固定齿比减速器，但为了达到相同的动力性能，使电机功率增大到240kW才能达到相同的性能。究其原因，问题就出在特斯拉匹配的单级变速箱上：它使特斯拉始终在一挡上行驶，完成从起步到最高时速的行驶。这相当于开一辆燃油车，用一挡起步后不换挡，直到转速被拉高至红线区，发动机不能回到最佳扭矩输出区间，再加速能力被大幅削弱。虽然后期由于战略或其他原因导致最终方案改变，但这些都无疑充分的证明了两档减速箱确实存在一定优势。单级变速箱造成电动机产生的扭矩输出一气呵成，也许不间断的动力输出对起步加速有利，但却不利于车辆的经济性与舒适性。尤其是为追求性能采用高转速电动机的Model S，它配置的高转电动机功耗较大，并且单级变速箱一挡大齿比，造成车辆巡航状态也处于较高的转速临界点，经济性不高。

既然单级减速器已被广泛使用，那电动汽车为什么要装二级变速器呢？原因是，有了变速箱的纯电动车，在工作时会处于更加高效的状态。前面提到，电机的工作范围较广，但相对来说，在中低转速的情况下，电机的扭矩非常足，工作效率也相对较高。但在高转速的情况下，电机的效率和扭矩则会急速的下降。而二级变速器的作用就是使电机尽量工作在高效率的转速区间，从而达到降低损耗、提高续航里程等效果。目前大多采用单挡减速方案的原因也主要是因为电机的特性与内燃机不同，驱动电机一般具有低速恒转矩和高速恒功率的特性，在很低的转速下就能产生很大的扭矩，不像内燃机车需要减速增扭来起步。

三、纯电动汽车变速器多挡可行性分析在纯电动车兴起之初，由于电机具有在低速时能够输出大扭矩，高速时能够输出恒功率，及很宽的合理转速范围的电机特性，基本与车辆的需求相吻合，所以更多的是匹配单级减速器作为动力总成即可满足车辆需求。同时大多数主机厂的首要目标更多放在如何提升续航里程、缩短充电时间、进一步压缩成本等上面，单级减速器的缺点被战略性地忽视了。然而采用单挡减速器时，纯电动乘用车的动力性能完全取决于驱动电机，对驱动电机性能的要求较高，既要求驱动电机既能在恒转矩区提供较高的驱动转矩，又能在恒功率区提供较高的转速,以满足车辆加速、爬坡与高速行驶的要求。当电动汽车的速度到达极限之后没有提升空间，所以的速度受到制约，高速经济性不高。同时，采用单挡减速器不利于高电驱动总成系统的效率，这是因为单一传动比通常无法同时兼顾纯电动乘用车的动力性和经济性。行驶过程中驱动电机多数情况下无法处于高效率工作点，尤其是在最高或最低车速以及低负荷条件下，驱动电机效率一般会降至 60-70%以下，严重浪费了车载电能而减少续驶里程。但是如果电动车想要更好地和燃油车竞争，各方面性能必须进一步完善，包括提升能耗效率、续航里程、安全性和使用便利性等，之前不太被关注的单级减速器的缺点，逐步会被重视起来。单级减速器主要有以下几个缺点：①单级减速器无法兼顾电机在低速起步和高速行驶两大工况的高效运行，电机使用效率偏低；②动力性能方面，高速行驶时，加速乏力；③单级减速器方案相对于两挡变速器方案对电机的要求明显更高，需要电机有更高的功率和最高转速。

经济性问题：电机高效工作区间有限；电池电量有限，高速行驶时车辆耗电量显著增大，单一速比导致制动能量回收效果一般安全性问题：高速超车时，不能有效提升驱动加速度，行驶安全欠佳；部分减速器缺少传统燃油车P挡驻车功能可靠性问题：电机高转速工作时，对电机热管理、NVH、密封性等有很大挑战；减速器高速运行时，对齿轮加工工艺、轴承寿命、摩擦磨损润滑等也提出很高要求其中，蓝线表示单级减速器方案的电机扭矩和转速的关系，最大转速为11000rpm，最大扭矩为300Nm。红线表示多挡变速器的电机扭矩和转速关系，最大转速仅需8000rpm，最大扭矩不到250Nm。

目前电动汽车逐步由低端产品向上升级换代，用户对性能、效率和续航里程的追求以及对重量和成本的敏感度降低，变速器多挡化应该是电动汽车传动系统未来的发展趋势。为什么国内绝大多数电动汽车还是匹配单级变速箱呢？并非他们不懂得锦上添花的道理，而是因为：（1）国外：适配于高速电机的变速箱生产不出来。典型例子是特斯拉，那个变速箱供应商搞不出来，使特斯拉的车晚出来一年，差点把特斯拉搞死。（2）国内：变速箱供应链弱、整车厂集成控制能力弱，导致不想用复杂的变速箱。这不是说厂商们已经放弃了提升经济性，只是现在还无暇顾及。所以如果能匹配一个速比范围合理的多挡变速箱，来优化电动机动力爆发的时机，那将会大幅提升经济性，其次是持续加速性能。

四、电动汽车采用两挡变速器的优劣势分析4.1 电动汽车两挡变速器的优势多挡变速器在动力性能层面、工作效率层面、成本层面、舒适性层面均具有一定优势：4.1.1 动力性能层面：多挡变速器可以使电动车具有更高的最高车速和加速性能。电动车为了获得起步时较大的扭矩，一般单级减速器的减速比在8-14之间，但是较大的减速比同时意味着最高车速不会太高。减小百公里加速时间；提高最高车速；保证最大爬坡度；多挡变速器采用大传动比可实现更好的加速性能，采用小传动比可获得更高的车速，使得整车性能更优秀。反过来说，若需要满足同等整车的使用性能，两挡变速器所匹配的电机比单级减速器匹配的电机其性能要求更低，可实现电机小型化。

纯电动整车和燃油车动力性评价指标相同，均是从最高车速、爬坡能力和加速性能三个维度去评价。首先我们来看看电机驱动整车的两个基本方程：牵引力（Nm）： F=T*i*ŋ/r车速（m/s）： V=π*n*r/(30*i)式中，T为电机输出转矩（Nm），n为电机输出转速（r/min），i是减速箱传动比，ŋ是传动效率，r是驱动轮半径。从以上方程中可以看出，整车的牵引力和传动比成正比，车速又和传动比成反比。结合整车的动力性指标，从最高车速和加速性能来说，传动比越小，整车在电机达到最高转速时，对应的最高车速就越高。但从最高爬坡度来说，当电机输出最大转矩，传动比越大，整车的爬坡性能（加速）越好。由于这个矛盾的两面，所以在单档纯电动的整车中会去折中一个比较合适的传动比，从而来保证整车的性能。但在两档减速箱中，设计有一大一小两个传动比，在整车起步爬坡等大扭矩需求工况中，采用大传动比输出，其大传动大于单档减速箱传动比，所以整车的爬坡（加速）性能将会更优。同时在电机高转速工作中，两档减速箱使用小传动比，使得整车的最高车速得以明显提高。以上对比是基于单档减速箱和两档减速箱搭配同一款电机实现的整车的性能，两档更优秀。反过来说，若需要满足同等整车的使用性能，两档减速箱所匹配的电机比单档减速箱匹配的电机其性能要求更低，可实现电机小型化。4.1.2 工作效率层面：多挡变速器使电机更好地工作在高效率区间。假设整车在某一较高车速工况中，两挡变速器处于大传动比，电机工作在A点，其电机效率为78%。但此时将变速器切换至小传动比，在保证整车所需牵引力和车速不变的情况下，有可能将电机的工作点迁移至B点，其效率提升至90%。同理二挡降一挡工作点由C点移至D点，从而提升效率。电机同发动机一样，同样存在特有的效率特性，如下图所示。

这是很多人在提到两档减速箱时给出的最直接的优势，从图中可以看出，电机转速在基速之前，电机输出为恒定转矩，在基速之后，电机为恒定功率输出。由此可见，两档减速箱可以通过两个档位传动比的适当切换，尽量使电机工作在其高效率区间。同单档减速箱相比，确实可以大大提高电机的效率，从而更省电，更节能。也即采用同一款电池，两档减速箱可获得更优秀的续航里程。两档减速箱如此优秀，但为什么市场应用并不乐观，因为其存在明显的缺点：结构复杂和增加成本。希望后续两档减速箱可以杀出重围，解决难题，让消费者受益。4.1.3 成本层面：利用速比调节，扩大电机高效区间，降低电机工作转速；优化换挡策略，增大低速挡速比，利于扩展制动能量回馈范围，增加电池续航里程采用两挡变速器虽然使得变速器的成本提升1000-3000元，但是可以使得电机成本和电池成本下降，并且使百公里用电量降低，用电成本降低，从全生命周期角度来看，使用两挡变速器将使得电动车全生命周期成本下降。4.1.4 舒适性层面：多挡变速器通过在高车速时降低电机的工作转速，改善整车的NVH（噪声、振动与声振粗糙度，这是衡量汽车用户舒适性的指标），当然，提高舒适性的前提是尽量解决多挡变速器换挡舒适性的技术难点上。舒适性提升：全电控操作，一挡起步、高速自动换挡，驾驶平稳；高速工况下，巡航、超车、NVH性能有保证。4.1.5 安全性提升：二挡高速行驶时，利用降挡加速超车，保证高速下的行驶安全；具有P挡驻车功能，保证静止状态下的车辆安全驻车4.2 电驱动系统技术发展趋势4.2.1 多挡化：现有电机特性很难满足所有工况下的整车动力性、经济性需求，搭载多挡变速器可以有效调节电机的输出表现。4.2.2 高速化：通过提高电机的工作转速，采用适当的变速系统及控制策略，可以使回馈制动的允许范围拓宽，从而适应更多工况，使整车节能更加有效，提高续驶里程。目前很多主机厂的驱动电机最高转速已达14000rpm以上，随着驱动电机高速化的发展，电动汽车变速器的高速化也将成为一种趋势。4.2.3 模块化：电机、变速器、控制器集成一体，使整车结构更紧凑、性能更优异，便于控制和降低成本。模块化机电耦合传动系统的集成设计和管理控制是电动汽车动力传动系统的发展方向。

4.3 两挡变速器的换挡平顺性问题在车辆换挡过程中，变速器输出轴扭矩的变化并不是连续的：a.在处于原挡位阶段，车辆的冲击度取决于电机输出扭矩的变化率b.摘空挡阶段，无冲击c.同步阶段，取决于同步器摩擦力矩d.挂上目标挡位后，车辆冲击度依然取决于电机输出扭矩的变化率。因此，若要控制车辆的冲击度在一定范围内，在制定控制策略时就要考虑，在切断电机“供油”（摘挡前）和恢复电机“供油”（挂上目标挡后）时要平稳，同步时，控制同步器摩擦力矩变化平稳。理论上，要减小换挡冲击，就要将同步器主被动齿轮速度差控制在一定范围内。

某两挡箱如果能达到速度差为零，是最为理想的情况，不需要同步器也可以实现无冲击换挡。但要实现零速度差，对电机要求很高，而且也会延长换挡时间，造成动力中断的时间过长。因此，一般情况下，设计控制策略时，要求同步器主被动齿轮的转速差控制在一定的范围内，只要保证减少换挡冲击的要求即可，这样可以缩短换挡时间，减小车辆动力中断的时间。整车控制策略模型主要包括三大模块a.驾驶员需求模块：主要根据驾驶员踏板开度等信号计算驾驶员需求扭矩和需求功率。b.整车工作模式判断模块：根据驾驶员需求及车辆状态等信息判断车辆工作模式。c.动力总成扭矩分配模块：根据车辆工作模式计算动力源的输出扭矩和功率等。

一家名为Kreisel Electric的奥地利公司与Sala Drive合作开发了一种专门设计用于纯电驱动系统的2挡自动变速箱。据悉，该变速箱已投入生产，可传递800马力和894牛·米的动力，能够与双电机或单电机组成动力系统。据了解，该公司设计的2挡自动变速箱在齿轮同步器的帮助下，能够在0.25秒内完成挡位切换，尽量在挡位切换过程中将顿挫感降到最低。该变速箱内部还集成了限滑差速器，可以使车辆在湿滑的道路上，也能拥有不间断的动力输出。4.4 改为两挡减速器后的电驱动系统结构适配性问题两挡变速器方案可减小电机输出扭矩，降低电机体积和成本，优化电机运行状态，但两挡变速器增加了换挡机构，结构较复杂，效率稍低，需重新开发。

五、两挡变速器技术路线目前纯电动车汽车两挡变速器按其换挡方式可分为同步器换挡、单离合器结构、双离合器结构、行星齿轮结构四种技术路线同步器换挡（AMT)采用同步器换挡的两挡变速器其基本结构就是在原AMT的变速器上将挡位降至两个即可。同步器换挡的两挡变速器由输入轴、中间轴、一挡齿轮组、二挡齿轮组、同步器、主减速齿轮组和差速器组成。其中输入轴与电机连接，轴上布置一挡和二挡的主动齿轮；中间轴布置一挡和二挡的从动齿轮，以及主减速主动齿轮；主减速从动齿轮与主减速主动齿轮啮合，将中间轴输出的速度进行固定比例的减速；差速器使左右车轮能在汽车拐弯时进行差速行驶；同步器布置于中间轴两从动齿轮之间，有的结构也将同步器布置在输入轴上。通过控制同步器的左右移动让不同挡位的从动齿轮与中间轴同步转速，实现不同挡位的切换，从而使变速器以不同传动比输出动力。

1-一档主动齿轮；2-二档主动齿轮；3-一档从动齿轮；4-二档从动齿轮；5-主减主动齿轮；6-主减从动齿轮；7-输入轴；8-中间轴；9-同步器10-差速器；11-输出轴目前此种技术较为成熟，国内使用此技术的厂家包括中科深江、江苏金润等，国外的生产厂家有GKN、格特拉克等。其最大的缺点就是换挡时存在动力中断。同步器换挡的两挡变速器相较于单级减速器的结构仅多出一套齿轮组、一套同步器及其执行机构，从结构的简易程度和成本考虑，为目前两挡变速器的最优方案。5.2 单离合器结构单离合器换挡的两挡变速器具有两个单独的离合器，分别控制两个挡位的动力输入。这种两挡变速器由输入轴、中间轴、差速器、一挡齿轮组、二挡齿轮组、两个主减速齿轮组和两个离合器组成。其中一挡主动齿轮固定在输入轴上，一挡从动齿轮与离合器外毂连接，离合器内毂与中间轴连接，通过离合器的分离与接合，实现一挡动力的传递和中断；二挡主动齿轮与另一个离合器的外毂连接，离合器的内毂与输入轴连接，二挡从动齿轮固定于中间轴上，同样是通过离合器的分离与接合，实现二挡动力的传递和中断。

C1–一档离合器；C2–二档离合器；M–驱动电机1,2–一档齿轮；3,4–一档主减齿轮；1,5–二档齿轮；6,7–二档主减齿轮；此类两挡变速器在结构布置上可有所不同，所采用离合器也可为湿式或者干式离合器。采用两个单离合器进行换挡，离合器的分离与接合平顺，可实现无动力中断换挡，整车舒适性更好。但体积较大、质量较重、成本较高，适用于大型电动汽车。5.3 双离合器结构双离合器换挡的两挡变速器主要零部件为一个双离合器机构。电机与双离合器的外毂连接，一挡主动齿轮和外输入轴连接，二挡齿轮和内输入轴连接。一、二挡从动齿轮均固定在中间轴上。若汽车的1挡运行，此时离合器C1处于结合状态，C2处于分离状态。当汽车达到1挡升2挡的换挡点时，离合器C1开始分离，C2开始结合，直到C1完全分离，C2完全结合，换挡操作结束。同理，若2挡降为1挡，此时离合器C2分离，C1结合。这种两挡变速器在内外输入轴上分别只有一个挡位，所以没有同步器，结构相对简单，重量较轻。

1,2–档齿轮；3,4–档齿轮；5,6–主减齿轮；C–双离合器5.4 行星齿轮结构基于行星齿轮结构开发的两挡变速器采用离合器和制动器控制挡位切换。根据行星齿轮结构的特点以实现不同的传动比。其布置形式多样化，离合器和制动器的配合使用方法较多。结合行星齿轮结构紧凑的特点，多用于空间有限和同轴式布置的场景。这种技术目前相对成熟，结构紧凑、换挡平顺。

六、典型两挡变速器产品的应用6.1 格特拉克2eDT200格特拉克该产品则是将同步器布置于中间轴一、二挡从动齿轮之间，电机执行换挡。具备驻车功能，驻车齿轮位于输入轴，电机控制驻车。一挡速比12，二挡速比8.6，总重量小于25kg。

6.2 ZF两挡电驱平行轴式二挡减速器，输入轴为内、外轴嵌套结构，分别对应1st, 2nd两个挡位，通过平行式湿式双离合器进行挡位切换，离合器通过花键传递扭矩至两根输入轴上，进而传递至挡位齿，离合器通过CSC执行机构进行控制，根据CSC执行特点，因此需要较大压力才能推动离合器活塞运动，实现挡位的切换，离合器通过电液控制方式实现润滑和冷却，通俗点讲就是电子泵泵油润滑、冷却，外接油冷器，带走离合器滑磨中的大量热量。

6.3 GKN两挡变速器GKN曾提出过一款单离合器换挡的两挡变速器，其结构复杂，并且轴向长度较长，后期并未在市场上见到该产品的应用。GKN提出的两挡变速器的同步器布置在输入轴上，主减的主动齿轮位于中间轴上的一、二挡从动齿轮之间，可以有效地减小变速器的轴向长度。一挡速比11.3，二挡速比5.9，总重量小于20kg。

Oerlikon也在行星齿轮的结构上，开发了一款两挡混动后驱电桥H-RAM(hybrid rear axle module),主要应用于高性能汽车。整个电驱动总成布置在后桥上，输入端联轴器与发动机输出端连接，电机与后桥同轴布置，作为P3结构介入动力实现混动。