Det overveldende flertallet av elbiler i dag bruker ikke girkasse. Det er tre hovedårsaker til at dette skjer, men før vi foretar et dypdykk i detaljene, må vi forklare hva en girkasse er og hva den gjør i en ICE-bil. På denne måten blir det lettere å se hvorfor girkassen ikke er av fundamental betydning i elbiler. Vi vil også prøve å forklare tilfellene når det kan være et nyttig tillegg og hvilke fordeler det gir.
Hva er en girkasse og hva gjør den i en ICE-bil?
ICE-motorer, i motsetning til elektriske motorer, produserer ikke nok dreiemoment på tomgang til å kunne flytte kjøretøyet, vi trenger høyere turtall for å produsere mer dreiemoment. Men turtallsområdet for motoren er begrenset, og som et resultat vil hastigheten på bilen være begrenset, og det er derfor vi bruker girkasser. I et nøtteskall er en girkasse kombinert med det endelige drivforholdet en dreiemomentmultiplikator. Du har kanskje hørt om gir og endelige drivforhold før, men kanskje du ikke visste hva disse tallene betyr.
La oss begynne med girforholdet. La oss anta at du har valgt 1. gir i ICE-bilen din. La oss også anta at 1. gir har et forhold på 3:1. Dette betyr at dreiemomentet som produseres av motoren multipliseres med 3. For å bestemme hvor mange ganger dreiemomentet multipliseres i bilens hjul, må vi også vurdere det endelige drivforholdet. Hvis det endelige drivforholdet igjen er 3:1, er hjulmomentet til bilen ni ganger motorens dreiemoment. Hvis bilens motor produserer 200 Nm dreiemoment i 1. gir med forholdene ovenfor, er hjulmomentet 200 Nm x 9 = 1800 Nm.
Uten girkassen ville denne multiplikasjonen ikke vært mulig, og bilen ville stå stille selv om vi satte ned gassen. Girkassen i en ICE-bil må være utformet på en slik måte at den perfekt kombinerer kraften og dreiemomentegenskapene til motoren, dens effektivitet ved forskjellige belastninger og, selvfølgelig, topphastigheten ingeniørene har spesifisert for det valgte kjøretøyet.
Disse løsningene er, til tross for stor utvikling de siste tiårene, fortsatt et kompromiss. Girkasser introduserer sin egen ineffektivitet til hele drivverket, noe som øker drivstofforbruket og energitapet.
Hva er tilfellet med elbiler?
Elektriske motorer har tre opprinnelige egenskaper som løser tekniske problemer i girkasseutvikling og i de fleste tilfeller gjør girkassen unødvendig. Disse egenskapene er høyt dreiemoment fra null rpm, elektriske motorers høye rpm-kapasitet og elektronisk begrensede topphastigheter. La oss dekke disse egenskapene én etter én.
Høyt dreiemoment fra null rpm er ganske tydelig. Husk at girkasser hovedsakelig er dreiemomentmultiplikerende enheter. Hvis du har høyt dreiemoment fra null rpm, er det ikke nødvendig å multiplisere det ytterligere ved å bruke flere girforhold.
Det som er av avgjørende betydning er imidlertid den høye turtallskapasiteten. Siden den elektriske motoren kan rotere helt opp til 20.000 rpm, med et høyt dreiemoment tilgjengelig gjennom hele området, er topphastigheten lett oppnåelig med bare ett forhold. Den elektronisk begrensede topphastigheten til en elbil er den siste årsaken. Dette skjer ikke utelukkende på grunn av mangelen på en girkasse, men på grunn av det relativt lave energiinnholdet i dagens høyspentbatterier sammenlignet med flytende drivstoff.
La oss ta en titt på BMW i4 eDrive 40 for bedre å forstå dette - den har maksimalt motormoment på 430Nm fra 0-5000 o/min og et kombinert gir- og sluttdriftsforhold på 11.115:1. Det betyr at hjulmomentet er 4780 Nm! Det er nå tydelig hvorfor elbiler generelt sett er trafikklyskonger.
La oss anta at toppfarten til bilen er 190 km/t. Ved topphastighet roterer motoren med 16 500 rpm. Ved en typisk motorveihastighet på 130 km/t roterer motoren med omtrent 11 300 o/min. Som du kan se i dette eksemplet, har den elektriske motoren nok turtallsområde til å tilfredsstille alle kravene uten å trenge en girkasse.
Porsche og Audi-paradigmet
Porsche Taycan og Audi E-Tron GT bruker begge en to-trinns girkasse i motoren bak. Nå før du går "Hei, du fortalte oss nettopp at girkasser ikke er nødvendig i elektriske biler." Ideelt sett ønsker vi å ha et kort girforhold ved lave til middels hastigheter for raskere akselerasjon og et lengre girforhold ved høyere hastigheter for å redusere elmotorens turtall.
Hvorfor må vi redusere motorturtallet ved høyere hastigheter? Vel, av to grunner. For det første, ved å redusere motorens turtall, forbedrer vi dens effektivitet (gjennom mindre tilbake-emf og virvelstrømmer) og dermed forbedres rekkevidden til bilen også. Og den andre grunnen er muligheten for å oppnå høyere topphastigheter uten overdreven rotasjon av motoren.
Problemet med å ta i bruk to-trinns girkasser er den tekniske vanskeligheten for disse å håndtere det enorme og øyeblikkelige dreiemomentet som elektriske motorer produserer. Likevel utvikler noen produsenter for tiden to-trinns girkasser for elbiler.
Hvis de lykkes med å produsere de i stor skala med solid pålitelighet og rimelige priser, kan vi se at flere vanlige biler bruker dem i stedet for bare superbiler som Porsche Taycan og Audi e-Tron GT. For ikke skjønt, den ekstra kompleksiteten og den høye prisen oppveier langt de potensielle fordelene.
