Den överväldigande majoriteten av elbilar idag använder inte en växellåda. Det finns tre huvudorsaker till varför detta händer, men innan vi gör en djupdykning i detaljerna måste vi förklara vad en växellåda är och vad den gör i en ICE-bil. På så sätt blir det lättare att se varför växellådan inte är av grundläggande betydelse i elbilar. Vi kommer också att försöka förklara de fall då det kan vara ett användbart tillägg och vilka fördelar det ger.
Vad är en växellåda och vad gör den i en ICE-bil?
ICE-motorer, till skillnad från elmotorer, producerar inte tillräckligt med vridmoment på tomgång för att kunna flytta fordonet, vi behöver högre varvtal för att producera mer vridmoment. Men motorns varvtalsområde är begränsat och som ett resultat av detta skulle bilens hastighet vara begränsad och det är därför vi använder växellådor. I ett nötskal är en växellåda i kombination med det slutliga drivförhållandet en vridmomentmultiplikator. Du kanske har hört talas om växel och slutliga drivförhållanden tidigare, men kanske visste du inte vad dessa siffror betyder.
Låt oss börja med utväxlingsförhållandet. Låt oss anta att du har valt 1:a växeln i din ICE-bil. Låt oss också anta att 1:ans växel har ett förhållande på 3:1. Det innebär att vridmomentet som produceras av motorn multipliceras med 3. För att avgöra hur många gånger vridmomentet multipliceras i bilens hjul måste vi också ta hänsyn till det slutliga drivförhållandet. Om, återigen, det slutliga drivförhållandet är 3:1, är bilens hjulvridmoment nio gånger motorns vridmoment. Om din bils motor ger 200 Nm vridmoment på 1:ans växel med utväxlingarna ovan är hjulvridmomentet 200 Nm x 9 = 1800 Nm.
Utan växellådan skulle denna multiplikation inte vara möjlig, och bilen skulle stå stilla även om vi dämpade gasen. Växellådan i en ICE-bil måste vara utformad på ett sådant sätt att den perfekt kombinerar motorns kraft och vridmomentegenskaper, dess effektivitet vid olika belastningar och, naturligtvis, den topphastighet ingenjörerna har specificerat för det valda fordonet.
Dessa lösningar är, trots stor utveckling under de senaste decennierna, fortfarande en kompromiss. Växellådor introducerar sin egen ineffektivitet i hela drivlinan, vilket ökar bränsleförbrukningen och energiförlusterna.
Vad är fallet med elbilar?
Elmotorer har tre inbyggda egenskaper som löser tekniska problem vid utveckling av växellådor och i de flesta fall gör växellådan onödig. Dessa egenskaper är högt vridmoment från noll rpm, elmotorers höga rpm-kapacitet och elektroniskt begränsade topphastigheter. Låt oss täcka dessa egenskaper en efter en.
Högt vridmoment från noll rpm är ganska uppenbart. Kom ihåg att växellådor huvudsakligen är vridmomentmultiplicerande enheter. Om du har högt vridmoment från noll varv per minut, behöver du inte multiplicera det ytterligare genom att använda flera utväxlingsförhållanden.
Det som är av avgörande betydelse är dock den höga varvtalskapaciteten. Eftersom elmotorn kan rotera hela vägen upp till 20 000 rpm, med ett högt vridmoment tillgängligt genom hela området, är topphastigheten lätt att uppnå med bara ett utväxling. Den elektroniskt begränsade topphastigheten för en elbil är det sista skälet. Detta sker inte enbart på grund av bristen på en växellåda, utan på grund av det relativt låga energiinnehållet i de nuvarande högspänningsbatterierna, jämfört med flytande bränslen.
Låt oss ta en titt på BMW i4 eDrive 40 för att bättre förstå detta - den har ett maximalt motorvridmoment på 430Nm från 0-5000 rpm och ett kombinerat utväxlings- och slutförhållande på 11,115:1. Det betyder att hjulvridmomentet är 4780 Nm! Det är nu uppenbart varför elbilar i allmänhet är trafikljuskungar.
Låt oss anta att bilens topphastighet är 190 km/h. Vid toppfart roterar motorn med 16 500 rpm. Vid en typisk motorvägshastighet på 130 km/h roterar motorn med cirka 11 300 rpm. Som du kan se i det här exemplet har elmotorn tillräckligt med varvtalsområde för att uppfylla alla krav utan att behöva en växellåda.
Porsche och Audis paradigm
Porsche Taycan och Audi E-Tron GT använder båda en tvåväxlad växellåda i den bakre motorn. Nu innan du går "Hej, du sa precis till oss att växellådor inte behövs i elbilar." Helst skulle vi vilja ha en kort utväxling vid låga till medelhastigheter för snabbare acceleration och en längre utväxling vid högre hastigheter för att minska elmotorns varvtal.
Varför måste vi minska motorvarvtalet vid högre varvtal? Tja, av två anledningar. Först och främst, genom att minska motorns varvtal, förbättrar vi dess effektivitet (genom mindre bakre emk och virvelströmmar) och därmed förbättras även bilens räckvidd. Och det andra skälet är möjligheten att uppnå högre topphastigheter utan överdriven rotation av motorn.
Problemet med antagandet av tvåväxlade växellådor är den tekniska svårigheten för dessa att hantera det enorma och omedelbara vridmoment som elmotorer producerar. Ändå utvecklar vissa tillverkare just nu tvåväxlade växellådor för elbilar.
Om de lyckas tillverka de i stor skala med solid tillförlitlighet och rimliga priser kan vi se att fler vanliga bilar använder dem istället för bara superbilar som Porsche Taycan och Audi e-Tron GT. För inte dock, den extra komplexiteten och det höga priset uppväger vida de potentiella fördelarna.
