一直以来，纯电动汽车给用户留下的印象是结构简单，只需要一级主减速器，不需要在不同的挡位之间进行切换。然而，最近似乎有一种“由简入繁”的趋势——又有人想给电动车装上一台变速箱。这是怎么回事呢？
最近，舍弗勒为P4构架的插电混动车型设计了一种带有两个挡位的后轴电驱动桥，并且搭载在已经上市的WEY P8、长安CS75 PHEV上。由于P4构架发动机与电机的动力不会在同一轴上耦合，因此P4构架的电驱部分可以独立成为一台后驱的纯电动车型——换言之，舍弗勒的两挡后轴电驱动桥，事实上有潜力开发成一台带两挡变速的纯电动车。
这在很大程度上改变了我们对于纯电动车型的认知。为什么纯电动车型也开始搭载变速箱？它的意义何在？可能会有哪几种形式？
为什么需要变速箱？
这个问题或许要先从传统能源车型的变速箱说起。内燃机有这样两个共通的特性——低转速扭矩较低(起步时扭矩接近于0)，最高转速较低。
于是，内燃机车型搭载变速箱的必要性就出现了：首先是提供空挡，使发动机可以启动并达到怠速；其次是将低转扭矩放大，使发动机可以带动车轮起步；而扭矩放大的唯一方法是利用高传动比，这会导致发动机过快到达最高转速，而车速依然很低，这时需要变速箱提供合理的齿比，满足高速行驶的需求。
需要指出的是，满足以上三个必要性需求并不需要过多的挡位。笔者曾经开过1965年的初代Mustang，它搭载的是一台3AT变速箱，但可以满足正常时速区间段行驶的需求(虽然换挡冲击非常严重，油耗也奇高)。之前MG6的手动挡版本，2挡就可以突破100km/h的时速。因此，目前热议的9AT，甚至10AT，只是满足更高阶需求应运而生的产物。
初代Mustang的变速箱
何谓更高阶的需求？那便是提高平顺性、降低油耗，挡位越多，动力衔接越绵密，平顺性自然就越好；同时在同一速度下，有更高的挡位降低发动机转速，提高发动机负荷，使发动机工作在其万有特性图更理想的工况区间内，有助于降低能耗。
纯电动车变速箱，意义何在？
之所以纯电动车在结构上可以用一级减速实现日常行驶功能，是因为电机自身的特性，恰好可以规避内燃机的劣势——电机在零转速时，即可达到扭矩最大值，且转速范围相对宽泛，可以支持高速行驶，中途不用换挡，更能确保车辆加速的平顺性。从机械特性的角度看，电动机其实非常适合作为动力的来源。
然而，笔者本人作为纯电动车用户，遇到了这样两个典型问题：
市区正常行驶(包含堵车等情况)，电耗可以控制在13.5kWh/100km左右，而在120km/h左右的高速行驶条件下，即使采用稳定的巡航操作，电耗也很难低于15kWh/100km，中间有超过10%的差距。相比而言，燃油车在120km/h时虽然不是最经济工况区间，但是其高速油耗还是低于城市工况的。
笔者城市工况下的低电耗纪录
随着车速增加，电机转速升高到截止值，功率、扭矩急剧下降，因此最高时速仅为140km/h左右。笔者的车辆最大功率85kw，车重1420kg，与一台典型的1.5L自吸紧凑型车数据相近，但是大部分该级别汽油车型最高时速可以达到180-190km/h。
因此，变速箱优化能耗表现、提高巡航车速的功能，对于纯电动车型而言，依然有特殊的意义。需要指出的是，在目前大部分国家道路交通法律的框架下，优化能耗表现的意义，比提高巡航车速更有价值。
众所周知，电机本身的能量转换效率远高于内燃机。然而，电机存在恒定损耗(通风摩擦损耗、定子铁损)和负载损耗(定子铜损、杂散损耗，对于异步电机还有转子铜损)。因此，电机在不同的扭矩、转速区间的效率，依然存在差异。可以用一张类似于发动机万有特性图的电机效率Map图来表示不同扭矩、转速下电机的效率表现：
上图是日产Leaf的电机效率Map图，区域越偏红，效率越高。红色和绿色曲线表示经过模型优化的加速踏板响应曲线。可以看出，在70%的加速踏板开度下，优化曲线在额定转速(约2600rpm)以下的扭矩输出仅为原有曲线的约60%。在这一区间内，如果想获得原有的轮上扭矩体验(即相同的动力体验)，就需要一个将扭矩放大的挡位。
这便是纯电动车变速箱存在的意义——在动力体验不变的情况下，尽可能使电机工作在高效的区间。
有哪些工程化实现的途径？
有了理论数据的支持，接下来就要思考工程实践手段了。常见的思路自然与普通的变速箱相似，例如之前提到的舍弗勒两挡电驱动桥，采用了类似于自动变速箱的行星齿轮组+制动器进行变速。
由于纯电动变速器挡位需求较少，因此，难以适应汽油车多挡位需求的AMT变速箱，反倒也是一种可以考虑便利、廉价的解决方案。例如宝马i8虽然不是纯电动车，但它匹配的变速箱就是一台两挡AMT变速箱。当然，由AMT衍生出的双离合变速箱，也是一种可行的形式。
需要指出的是，由于电机可以通过电控系统精确控制扭矩输出与动力中断，因此可以省去传统汽车变速箱离合器&液力变矩器的结构，总体而言，增加一个变速箱不会给电动汽车的布局和设计造车过大影响。
传统汽车使用的CVT变速箱，或者类似丰田THS的功率分流结构，从机械结构的角度理论上也是可行的，不过设计的标定过程过于复杂，被最终采纳的可能性较小，不多做展开。
但是与内燃机车型不同的是，纯电动车还有一种替代方案实现变速——多电机。通过不同功率电机之间驱动的切换，就可以达到改变同转速下扭矩和功率输出的作用(相当于变速器的功能)。例如，日本精工(NSK)就开发了一种双驱动电机的轮毂电机，通过将两个电机组合，使用户的常用工况尽可能落在两个电机当中某个高效区内，以提高电机的综合效率。
它的结构也相当紧凑，完全可以安装在轮边驱动，这是内燃机车型无法想象的便利。
另外，如果是纯电四驱车型，也可以采用前后轴大小电机的策略，实现变速功能。可以说，纯电动为工程技术提供了完全不同的解决思路，“变速”的概念，或许值得重新审视！
如何看待纯电动车变速箱？
如果观察电机功率的Map图，你会发现，在大部分区间，电机的效率都相当高，相同电机最高效率和一般效率之间大约只有10%左右的差距，而低效的工况区间面积往往不大。
以吉林大学高炳钊、梁琼等人对他们设计的两挡AMT变速箱进行数据仿真的结果为例，在NEDC工况下，电池能耗会降低11.4%，加速时间也略有缩短。由此可见，在搭载纯电动变速箱的情况下，电池的效率会略有提高，但不至于有质的飞跃。
数据来源：《MSSP》50-51(2015)615-631
如果拿出一张内燃机的万有特性图进行类比，你会发现内燃机有非常大面积的低效区域，与最高效区域相比，油耗的差距可以达到20%-50%。因此，内燃机与变速箱之间的匹配和标定，对于油耗的帮助意义重大。
因此，笔者认为，变速箱于纯电动车型的意义，或许类似于可变气门技术或者高压喷油技术对于发动机的节能效果，属于能耗精细化管理的范畴。
是否值得为这种精细化能量管理策略付出成本呢？笔者曾经与某造车新势力的电驱动工程师就这一问题交流过，他们得出的仿真结论，认为这样的优化在成本和收益方面并不划算。耐人寻味的是，特斯拉首款车型Roadster曾打算搭载两挡变速箱，后由于控制策略过于复杂而放弃，至今特斯拉仍使用单挡变速箱结构。
对于“造车新势力”而言，搭建标定、测试台架，或者将标定工作外包，这显然是他们不愿意触及的领域。变速箱一直是车企投入的几大黑洞之一。如果这项技术为他们带来的收益不足够有吸引力，那么，放弃这种结构显然是理智的。
但对于想要电动化的传统车企而言，台架、工程师……这些都是现有的资源。而且相比燃油车变速箱的标定，纯电动变速箱标定的工作量相对较少。让这些资源在新的开发流程中发挥最大的价值，何乐而不为呢？如果在电池能量密度没有巨大突破的前提下，传统车企在这些方面精耕细作，或许会有更大的机会！
当然，还有一种特殊情况，纯电动变速箱也有相当高的应用价值，那就是在商用车领域。商用车往往有大扭矩输出的需求，通过小功率电机+扭矩放大挡位的形式，可以很好地满足全工况需求，并有效降低能耗，这是值得深入研究的话题。
随着ZF等供应商纷纷开始开发纯电动汽车的变速箱，或许未来，会有更多纯电动车型开始搭载变速箱。不过，这虽然是机遇，但不一定要盲从，量力而为，永远是正确的选择！
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