解析电动汽车是否需要加装变速器_5
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  近日,听到很多关于电动汽车需要加装变速器,加装变速器能够提高动力电池使用寿命的声音,于是和几个业内同事共同探讨电动汽车是否加装变速器这个问题,并多次向南车时代、中科院、同济大学等企业和高校科研机构的电机领域专家讨教,最终形成对电动汽车是否需要加装变速器几点认识(本认识主要基于永磁电机,以乘用车为对象)。

  首先,电动汽车概念是涵括常规混合动力汽车、插电式混合动力汽车、增程式混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车等,不同动力系统结构方案电动汽车对变速器的需求也不同,探讨这个问题时不能将电动汽车一概而论。

  其次,常规混合动力汽车一般加装内燃机并匹配相应的变速器(这里指动力系统结构采用并联式或狭义混联式方案,如果发动机工作时其转速可以自由设定,并相对恒定,如串联式混合动力汽车,则发动机工作转速不受车速影响,可以不加装变速器),决定加装变速器的一个重要原因是发动机在不同转速、负荷下的工作效率差别很大,发动机万有特性曲线(效率map图)可以证实这一点,通过加装变速器,实现发动机工作点的调节和优化,从而使发动机工作在高效区,其效率提高的幅度明显大于加装变速器带来传动系统效率降低幅度,从而使车辆动力传动系统总体效率提高,提高了车辆燃油经济性总体水平。

  再次,对于纯电动汽车,动力系统匹配时,电机的特性曲线形状主要由车辆最高车速、爬坡能力、加速时间等动力性要求决定,从而得到电机的额定转速、最高转速、额定转矩、最大转矩需求,在此需求下进行电机本体和控制器设计。当然,在进行车辆主电机特性匹配时,还必须考虑其制动能量回收能力。如果采用定传动比减速器,车辆的加速时间和最高车速性能往往相互制约,因此,对于追求车辆加速性能好、最高车速高的高性能纯电动汽车尤其是纯电动跑车,在电机重量和成本增加空间受限情况下,可以考虑加装变速器,从而既提高车辆最高车速,又缩短车辆加速时间。而对于大部分纯电动汽车,通过合理设计电机特性曲线,匹配减速器减速比,在车辆加速能力好情况下,其最高车速也可以设计在时速150公里以上,基本上能够满足市场需求,应此没有必要加装变速器。

  值得注意是,虽然电机和内燃机均存在效率场,但发动机低效区的效率远远低于高效区的效率,如某发动机高效区燃油消耗率约为200g/kWh,其低效区燃油消耗率高达400g/kWh以上,相比之下,电机高效区效率可达到95%以上,而其低效区效率也可以达到70%以上,因此电机在其效率场内效率变化没有发动机那么明显,其高效区比例远大于发动机高效区比例,这也决定纯电动汽车不是非常必要加装变速箱。但是,通过加装变速器可以减少电机工作在弱磁控制区域,并使其在车辆起步加速时减少以铜损为主的功率消耗,快速进入高效区,从而使电机大部分时间工作在高效区,提高了车辆动力传动系统效率(这里有个前提条件:加装变速器后,传动系统总体效率变化小,如果传动系统由于加装变速器而增加了齿轮副、摩擦副等能量消耗环节,则加装变速器后车辆动力传动系统总效率提升不多,车辆总体等效燃油经济性水平提高也不明显)。

  最后,从电机及电机控制单元设计角度分析,加装变速器的纯电动汽车,可以减少电机工作在弱磁控制等工况下的IGBT等功率开关单元工作电流,这应有利于提高电机及控制器单元的寿命,同时可以减少对功率单元元件的性能要求,有利于降低电机及控制单元的成本。

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