用数据说话!定量分析变速箱对电动汽车有多大用

导语

低性能电动汽车,增加变速器可以降低对电机的要求,综合成本相似,系统集成复杂度提高。长期来看,大部分电动汽车依然需要变速箱。但不需要太多档,2-3档即可。

(特约作者 张抗抗)在上一篇文章《锦上添花还是画蛇添足?全面分析电动汽车是否需要变速箱》中,笔者指出,在进行分析时,一定要有一个大前提:“达到相同的性能”。文章在几个汽车行业群中引发了讨论,认为这个话题有值得深入的潜力。因此,笔者就借此文,以一个真实的案例来稍微深入地讨论这个问题。

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首先,什么是“相同的性能”?

一个车型在设计阶段,性能如何定? 长期来看,是市场说了算;短期来看,那当然是领导说了算。简而言之,不同的车企,对性能目标的设定,是不同的,这就是性能目标的多样性。简单起见,本文准备以国家标准GB/T 28382《纯电动乘用车技术条件》作为参考来定性能目标。

GB/T 28382指出了8个指标,并为其中7个指标规定了最小值。也就是说,如果设计的车辆不满足最小值,就不许进入市场。这8个指标分别是:

1.最高车速指标(维持30分钟),至少达80km/h速度

2.爬坡性能1:爬4%的坡至少能达到60km/h速度

3.爬坡性能2:爬12%的坡至少能达到30km/h速度

4.爬坡性能3:可以爬20%的坡,不要求速度

5.加速性能1:0-50km/h加速时间小于10s

6.加速性能2:50-80km/h加速时间小于15s

7.续航里程:工况法大于80km

8.百公里电耗:未规定最小值

第7项可认为是动力性指标,第8项可认为是经济性指标,统称为性能目标了保险起见,本文将性能目标定得比国标稍微高那么一点点,如下图:

用数据说话,定量分析变速箱对电动汽车有多大用

特斯拉走得是从高端到低端的路线,动力性指标远高于GB/T 28382的最低值。

然后,什么是性能目标间的trade-off关系?

我们已经看出来了,性能并不是单个指标,而是多个指标。所谓trade-off关系,就是说,有可能我们在追求目标A的时候,损害了目标B。

先考虑没有变速器的情况。具体的仿真方法不在此展开,文末附录会简单地列出仿真工具与仿真方法。此处仅以图表的形式,简单地列出结论。

用数据说话,定量分析变速箱对电动汽车有多大用

上图表达了一个意思,在没有变速器的情况下,最高车速、加速性能与百公里电耗三者之间是此消彼长的关系,不可能同时达到3者最优。图中上面那个箭头,体现出在没有变速器辅助下的电机的尴尬: 要么采用小减速比,尽量提高最高车速性能;要么采用大减速比,尽量满足0-50km/h的低速加速性能。具体来说如下面的示意图所示,如果采用了小减速比,那么最大车速会提高(蓝色线);如果采用了高减速比,那么最大车速会变小,但在0-50km/h的最大输出转矩增加,加速性能会提高。这就是所谓的性能指标的trade-off关系:你好我不好,你不好我才能好,这是一对冤家的矛盾。

用数据说话,定量分析变速箱对电动汽车有多大用

2档变速器怎么解决这个问题呢? 很简单——换档。起步挂I档,高速挂II档,就兼顾了加速性能与最高车速性能。增加了2档变速器之后,由于增加了系统的自由度,就有可能使3者都达到更优的水平。具体的仿真结果是,在使用同样的50kW电机的情况下,不使用变速器的车辆性能为(称为方案A):

方案A:

最高车速96km/h

0-50km/h加速时间为5.81s

百公里电耗为15.23kWh

而在变速器的帮助下,车辆性能为(称为方案B):

方案B

最高车速136km/h,

0-50km/h加速时间为5.8s

百公里电耗为15.23kWh

细心的朋友已经发现,两种方案下加速性能、百公里电耗几乎相同,但最高车速大为提高。实际上,在有变速器的情况下,可以优化出其他配置,牺牲最高车速性能,来提高加速性能与经济性指标。

增加变速器可以降低对电机的要求?

咱们再回想一下大前提:“达到相同的性能”。为此,笔者又进行了一次仿真,这次仿真缩小了电机功率,把电机最大功率从50kW降低到30kW(称为方案C)。方案C可以达到的性能指标为

方案C:

最高车速104km/h

0-50km/h加速时间为6.41s

百公里电耗为15.29kWh

方案C与方案A相比,经济性指标相似,最高车速指标略高一筹,而加速性能略逊,总体上是旗鼓相当,勉强算得上是“达到相同的性能”。

这个例子就说明,达到相同的性能”的前提下,增加变速器可以降低对电机的要求。

然后呢?

笔者必须得承认的一点是,小电机+2档变速器的方案,并不比大电机+无变速器的方案更具备吸引力。毕竟,二者成本相当,前者凭空多出了变速器,还要再配个离合器,系统复杂了。对于集成开发经验薄弱的中国车企来说,每增加一个环节,就增加了一个出错的可能性啊。

从这个例子看来,变速器真的是画蛇添足!

笔者为啥做个仿真打自己的脸呢? 其实是想说明一个问题,就是不同案例下得到的结论不相同,而本文举了一个极端的例子:动力性能刚刚满足国标最低标准,就得到了一个不支持变速器的结论。

而真实情况是,成功的电动汽车车型的性能目标,往往不能定得那么低!特别是,像特斯拉这样的成功案例,反而要比传统内燃机汽车的动力性更强。这是因为,喜欢环保的人群往往也比较在乎这个车酷不酷。

在高动力性指标的案例下,电池组的最大功率就会成为约束条件之一,减少变速器意味着执行器功率的提升(电机从180kW上升到240kW),电池组也就被迫从60kWh上升到80kWh。再者,对于美日欧车企来说,变速器的集成已经轻车熟路,不会在意这种系统复杂度的提升。在这种情况下,不用仿真都可以知道,带变速器的方案是更合理的——因为可以省成本大头的电池容量。

最终结论

1.低性能电动汽车,增加变速器可以降低对电机的要求,综合成本相似,系统集成复杂度提高。

2.中高性能电动车,增加变速器可以降低对电机的要求与对电池组的要求,综合成本降低,系统集成复杂度提高。

3.缺少经验与研发实力薄弱的车企,对系统集成复杂度较为敏感;经验丰富、研发实力雄厚的车企,对系统集成复杂度不太敏感。

4.长期来看,大部分电动汽车依然需要变速箱。但不需要太多档,2-3档即可(未详细论证)。

附录:仿真工具、仿真方法与试验验证

仿真工具:常用的车辆纵向动力学仿真工具包装ADVISOR与CRUISE。对于有一定编程基础的工程师来说,使用matlab直接编程或在ADVISOR的源程序上改编会更方便一些。本文的案例采用了ADVISOR与matlab直接编程两种方法仿真的,以防止出现编程失误引发的错误结果。

仿真方法:仿真采用的非常经典的车辆纵向动力学模型(公式如下),电机效率特性使用MAP图,换档逻辑从简:最高车速性能测试采用I档;加速性能测试采用II档;百公里电耗测试取I档或II档较小值且不允许换档(这弱化了2档变速器的节能潜力,这是保守的简化设定),工况采用GB/T 18386的市区工况。优化算法为多目标遗传算法(Multi-objective genetic optimization algorithm)。

试验验证:仿真结果得到了试验验证。更细节的信息就在不此展开,有兴趣讨论的可发到此邮箱:[email protected]/* */

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