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电车也装手动挡!丰田迷之专利公布 但解决了业界难题?

放大字体  缩小字体 发布日期:2023-06-19 17:37:38
导读

说到手动挡你会想到什么?我想很多人对这种古老的变速箱的印象,一定是和燃油车紧密绑定的。确实,手动变速箱作为燃油车最早的变速箱形态,已经存在了超过一个世纪了,这种变速箱优缺点都很明显,而现在这种古老的变速箱还被人记得的主要原因,要么就是它的廉价,要么,就是它的超高传动效率和最直接的机械沟通感。

说到手动挡你会想到什么?我想很多人对这种古老的变速箱的印象,一定是和燃油车紧密绑定的。确实,手动变速箱作为燃油车最早的变速箱形态,已经存在了超过一个世纪了,这种变速箱优缺点都很明显,而现在这种古老的变速箱还被人记得的主要原因,要么就是它的廉价,要么,就是它的超高传动效率和最直接的机械沟通感。




不过你可能会觉得好奇,MT变速箱这玩意跟混动车,跟电车能扯上啥关系?这两种车的动力传输路径,已经意味着它们不再需要传统意义上的变速箱了。所以如果当你知道,丰田最近公布了一项专利,将在混动车和电车上搭载手动变速箱的话,你会不会觉得很奇怪:丰田这是要干啥?

但看过文章之后你就会发现,新能源车和手动挡,还真有共存的道理。

电机其实很不完美




大家有没有发现一个问题:所有依靠电机跑高速的车,都存在相当严重的高速电耗问题,正因为高速电耗太厉害,直接导致了纯电车的高速续航严重下滑,导致了插混油混或增程车,都必须在高速时频繁启动发动机参与驱动车辆,以减少电机高速电耗的问题。



那么为什么电机会存在这种高速电耗过大的普遍性问题?请看上图,这是电机外特性曲线图,大家留意看功率和扭矩两条线,你会很明显发现,电机在零转速到一定转速范围内,它的扭矩输出是恒定的,我们一般管这个叫恒扭区,但在这个区间内,电机的功率是一路上升的。直到某个转速点,电机进入一个恒定功率输出的区间,这个叫恒功区。有没有发现,恒扭区和恒功区是不重叠的?



这就导致一个问题,电机加速力最强的恒扭区,是达不到最高功率的,但达到最高功率的恒功区,扭矩是线性下降的。而在这两个区间之间有一个同时能达到最大扭矩和最高功率的点,这个就是电机的最优转速点。所以换句话说,从电机的原理上看,这种机械是适合定速运转的,而不适合变速运转。换句话说,如果用来驱动车辆,电机其实是一个不完美的解决方案(电机只有一个最优工作稳态转速点)。



这就是高速电耗问题的根源。所有的电车也好,电机为主导的混动车也罢,如果在高速工况下要以电机为主驱动动力源,考虑到这些驱动系统只有单速变速箱,在高速工况时,电机必然处于高转速区段,也就是处于恒功区,这就会出现扭矩下降,而要维持一定的车速,需要的不是马力而是扭矩,这就必然导致需要更多电能以维持足够的扭矩,而速度越高,需要维持扭矩的电能就越多,这就导致了电机的高速电耗暴增。



所以要减低电机高速电耗,技术上有两种方式,第一,使用转速上限更高的电机,让恒功区的转速点推迟,尽可能通过高转速电机,让车辆在更高速度下仍然尽可能处于恒扭区,达到恒功区的时间延迟。这也是目前包括绝大多数国产品牌、特斯拉和大多数欧洲美国的车企用的一招。




另外一个方式就更直接了,既然高转速不可避免的要进入恒功区,扭矩要大幅度下跌,那么如果能通过变速箱,人为地把电机转速一直控制在某个转速点以内,那么同样也可以在达到更低的电耗的同时,通过多挡变速箱,把车速维持好。这就是几年前好几家车企都研究过的,在电车上装变速箱,以及现在国内很多插混系统的多挡DHT变速箱的路径。

THS和MT变速箱可谓绝配




但这里又有问题了,多挡变速箱固然可以保持转速的同时维持车速,但采用何种变速箱?自动变速箱?无论是ATAMTCVT还是其他类似形式的,它们或多或少都存在能量效率相对MT变速箱更低的问题。我们现在要解决的是电机能耗问题,如果还采用这种会加剧能耗的自动变速箱,那是不是从工程上看,和降低电机能耗这个出发点背道而驰?



所以这就是丰田这项专利的目的,既然要解决电机能耗问题,而MT是所有变速箱中传动效率最高的一种,而且MT结构非常简单,哪怕在很紧凑的结构中都能塞得下(MT没有液力变矩器或多片式离合器),所以对于THS这种结构非常紧凑,内部空间寸土尺金的混动系统来说,考虑到换装高转速电机必然产生的副作用是电机本体尺寸的加大加重(更高转速必然意味着更粗壮的定子和转子)和发热量加大(能量守恒),还真的没有什么比MT变速箱更好的方式了。



所以可能有些人会觉得,丰田在混动车搞这个是多此一举,但通过我们的解读大家会知道,这种做法是有必要性的,特别是针对THS这种先天结构紧张,内部空间极小的小型混动系统来说,MT变速箱是很好的选择。当然了,这种MT变速箱和传统意义上的手波不同,它是没有离合器的(其实它有离合器,但已经被集成在飞轮端了,由驱动电机控制),仅保留了MT的基本结构,所以大家其实不用担心这种变速箱需要踩离合的问题。

MT变速箱在电车上用处几何?




你可能要问了,THS这种紧凑型混动系统有必要使用MT变速箱这种结构,那么纯电车呢?它为何也需要MT?实话说,MT变速箱用在电车上是没什么特别大的意义的。首先驱动电机的布置位置、体积要求都不高,完全可以使用高转速电机代替多挡变速箱,来实现前面提到的电耗问题。同时按照现在电池技术的发展速度看,完全可以用更大的电池来抵消电机本身的高速电耗问题。



而且类似于把MT变速箱放到电车上的动作,保时捷已经在Taycan上试过了,效果是很好,能大大提高电车的极速和高速再加速能力,但Taycan的那台2前速类手动变速箱,用意单纯是为了提高运动性能,增加Taycan的极速。而且这套变速箱成本相当高,以至于保时捷自己,都没有在Taycan之外的任何一台保时捷电车上推广使用这套系统。保时捷背后的大众集团,也没有把这套系统技术下放的打算。

总结

所以丰田固然可以把MT放在电车上,但我们认为,这个动作的目的和保时捷是类似的,换句话说,丰田哪怕真的有把MT放在电车上的计划,针对的也只会是丰田下一代纯电超跑(毕竟LFA已经停产好久了,该换代了)、纯电高性能车这类本身定位就很高的车。在我们能接触到的普通车方面,电车装MT变速箱这个,目前实话说,还不怎么实际。

我们实际上认为,未来的丰田下一代或再下一代THS混动系统中,搭载MT变速箱的可能性不小,因为这东西是真的可以有效提高整套混动系统的高速油耗表现,而即便是MT变速箱,控制方式也大概率是自动控制。换句话说,并不存在一些消息所言的,以后的丰田混动车要自己踩离合换挡的情况。这种新系统的换挡方式,仍然是我们熟悉的自动挡换挡模式,它只是把换挡结构换了一下而已。

而至于纯电车领域,我们不认为丰田未来会在普通的,走量用的电车上应用这种多挡变速箱系统。就算有,也只会出现在类似于“LFA换代车之类的高端车型上。


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(文/小编)
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