未来我们还需要变速箱吗

今年初Model3的火爆预定场面还历历在目，据SeekingAlpha网站上一位名叫Carlson的作者推测，双电机版本的Model3车型的动力系统可能将延续Tesla 85D的动力系统，采用由两台电机配套差减的方式实现四驱。虽然动力系统的体积和质量将会更小，但整个动力系统的架构没有改变——即将上市的Model3仍然没有变速箱。 

▲ Tesla 部分车型双电机四驱动力系统

Tesla为何无需变速箱

电机取代内燃机成为车辆新的动力心脏。Tesla的心脏是3相4极感应电机，最高转速可达15480rpm。Tesla没有变速箱，其减速比是恒定的9.73,车速与电机转速是固定的比例：

车速=电机转速/减速比×车轮半径×2Pi×60/1000

因此，当电机转速达到最高转速时，车速将达到210km/h。

Tesla的电机和减速器

在满足最高车速的前提下，动力系统的扭矩输出也是衡量车辆性能的重要指标。0-100km/h加速时间体现了Tesla 优越的低速加速性能，那么它的高速性能怎样呢？假设你是Tesla的车主，在中国高速公路上以120公里/小时的速度行驶，这个时候Tesla的电机扭矩输出为325N·m，轮上扭矩为325x9.73=3162N·m，这依然是非常强大的。

▲Tesla电机外特性

传统汽车为何需要变速箱

这个问题有多方面原因。首先，一般汽油发动机的最高转速能达到6000rpm-8000rpm，性能跑车能达到或超过10000rpm，远远低于Tesla应用电机的最高转速，在相同的减速比下，内燃机汽车最高车速要比电动车低。其次，内燃机在低转速时扭矩输出能力较差，需要更大的减速比来放大扭矩，这使得内燃机汽车无法通过单一固定的减速比匹配行驶所需的各种车速。最后，这一点涉及到内燃机的软肋——无法逆转且运转转速不得低于怠速转速，因此需要变速箱来辅助实现倒车、起步、静止候车等功能。

▲某内燃机外特性曲线

从上图中可以看出，内燃机转速在2000rpm-3500rpm范围内相对效率较高，内燃机的高效区比较狭窄。相比之下，电机系统高效区（效率为80%）占比可以达到全工况范围内的75%以上，优势明显。因此，为了使内燃机始终保持相对较高的工作效率，一个能设定多个档位的变速箱是必不可少的。

下面以Porsche某车型为例，车辆以120公里/小时的速度行驶在高速公路上，车辆各档位对应的发动机转速如下：

 此时，最经济的档位为7档，对应发动机转速为2324rpm，车辆不仅噪声和抖动都比较小，燃油经济性也最好。

电动车一定不需要变速箱吗

从当前市场来看，不管是先进的Tesla还是国内的自主电动汽车品牌，大部分都没有给电动汽车配变速箱，这就给大家一种电动车不需要变速箱的感觉。

没有变速箱，电动汽车可以正常行驶，增加变速箱会增加整车成本。变速箱存在的意义在于可以调节电机转速和车速的比例关系，在特定车速下，使电机运行在更加高效的工作区间。

了解Tesla历史的同学，肯定知道Tesla Roadster，这款车的最初的设计配置是180kW电机+60kWh电池+2档变速箱，但后来由于缺乏相关技术积累，取消了变速箱设计。但是，为了达到和取消变速箱之前相同的动力性能，电机功率增大到了240kW。为了配合更大的电机，电池也需要从60kWh增大到80kWh以提供更大的输出功率。

这些改变都增加了成本和质量。保守估计，减速箱的节能为5%，对应电动车相当于多了1kWh的电量。因此，变速箱装在电动汽车上是锦上添花，而不是画蛇添足。

▲ CVT变速箱

一辆由内燃机作为直接动力源的汽车必须配备变速器来满足正常的使用需求，而电动汽车没有变速箱似乎也随着Tesla的日渐火热成为一件人们习以为常的事。但是，电动汽车没有变速箱背后的原因，是每一位理性的消费者和有责任感的工程师应该思考的问题。所谓存在即合理，只能说明发生的事实自有其原因，至于是否是最佳的方案，现在下定论尚早。我们可以大胆设想，在未来，也许国内变速器供应商和电动车企会在电动汽车用高速变速器上有所突破，获得超越Tesla的契机。