Flerväxlad växelåda till batterielfordon

Många tror batterielfordon saknar växellåda, men oftast finns en enväxlad växellåda som fördelar kraften ut till hjulen via en drivaxel. Elnavmotorkonfigurationer som vi skrev om i förra veckan behöver dock ingen växellåda. På senare har också flerväxlade växellådor till batterielfordon hamnat mer i fokus. En bidragande orsak till intresset är Porsches beslut att använda en tvåväxlad automatisk växellåda (kopplad till den bakre elmaskinen) i modellen Taycan [1]. Porsche är inte de första att använda flerväxlade växellådor i elfordon, tidigare exempel inkluderar Formula E [2] och el-konverterade entusiastbilar [3].

Dagens nyhetsbrev är en genomgång av den vetenskapliga litteraturen rörande flerväxlade växellådors potential i batterielfordon, samt en utblick kring nuvarande verkliga applikationer.

AMT, DCT och CVT växellådor är tänkbara tekniker för batterielfordon

Det finns flera växellådstekniker som används i batterielfordon. Främst tre automatiska varianter har nämnts i de forskningsrapporter jag har läst: AMT, DCT och CVT.

AMT eller ”Automatic Manual Transmission” är en manuell växellåda där automatiska växlingar sker med hjälp av ett elektrohydrauliskt system [8].

DCT står för ”Dual Clutch Transmission” eller dubbelkopplingsväxellåda på svenska. Denna lösning är populär inom bland annat VW-koncernen. Dubbelkopplingslådans egenskaper kan öka energieffektiviteten jämfört med en konventionell automatisk växellåda [9, 5].

CVT står för ”Continously Variable Transmission”, vilket innebär en steglös variabel växellåda. Någon läsare kommer kanske ihåg ”Remjohan”? CVT används bland i mindre personbilar och i hybrider från japanska tillverkare t ex Honda, Subaru och Toyota. Positivt med CVT tekniken är att motorn/elmaskinen kan jobba i ett steglöst ”optimalt” varvtal oavsett fart. Nackdelen är att transmissionsförlusterna ofta är större jämfört med konventionella växellådor [4, 10].

Av dessa tre tekniker har CVT störst global marknadsandel i förbränningsmotorbilar (ca 12 %), följt av DCT (ca 8 %) och AMT (ca 1 %). Manuell växellåda (ca 45 %) och konventionell automatlåda (ca 32 %) är dock de två giganterna på den globala bilmarknaden [8].

Avvägning mellan komplexitet och effektivitet

Elmaskinen har en planare moment-och effektkurva jämfört med förbränningsmotorer. Elmaskinen är dock inte optimalt effektiv över hela sin varvtalskurva. Effektivitet, moment och effekt minskar generellt högre upp i varvtalsspannet [4]. Detta kan leda till en variation på upp till 30 % i elmaskinens totala verkningsgrad [5]. Det finns därmed vinster i att även elmaskiner jobbar inom mer optimala varvtalsintervallet, där växellådans utväxling(ar) är den kontrollerande faktorn.

Den nuvarande dominerande drivlinan i elfordon (elmaskin -> enväxlad växellåda) har ett antal fördelar: låg kostnad, volym, transmissionsförluster och massa [4]. En ytterligare fördel är få rörliga delar, vilket minskar komplexiteten och servicebehov. Enväxlade elfordon kräver dock en avvägning mellan acceleration och toppfart [2] och energieffektivitet vid olika hastigheter [6]. I elbilar med starka elmaskiner som t ex Tesla är inte effekten och momentet ett större problem vid daglig användning, då elmaskinen även vid icke optimal fart och utväxling har hög körbarhet. Dessutom är merkostnaden i pengar och effektivitet av en större elmaskin jämfört med en mindre elmaskin inte särskilt stor [7].

Det finns emellertid en teoretisk möjlighet att flerväxlade växellådor kan förbättra både energieffektiviteten (i.e. räckvidd) och de fordonsdynamiska egenskaperna i elfordon. I en simulering där Nissan LEAF 2012 användes som referens bedömdes energieffektiviseringspotentialen av en tvåväxlad växellåda (AMT) ligga på mellan 0,75 – 2,3 % (WLTP körcykeln) [6]. Ytterligare resultat från studien är att största energibesparingar sker vid högre farter samt att elmaskin-växelriktare kombinationen behöver anpassas till tvåväxlade växellådor för att kunna öka energieffektiviteten ytterligare [6]. I en annan simulering ställdes DCT och CVT växelådor mot en konventionell enväxlad växellåda [5]. Både energieffektivitet och ekonomi undersöktes. Energibesparingar på upp till 15 % för de flerväxlade växellådorna nås i simuleringen och DCT växellådan beräknas vara effektivare än CVT växellådan, på grund av större transmissionsförluster i CVT [5]. Både DCT och CVT konfigurationen beräknas ha en marginellt lägre totalkostnad (30 000 mils livslängd) än den enväxlade motsvarigheten. Antagande innefattade lägre energikostnader, billigare kraftelektronik/BMS och mindre batteri (samma räckvidd), vilket är starkt bidragande orsaker till resultatet. Jag noterar att reparationer och underhåll inte beräknas vara mer omfattande för de flerväxlade konfigurationerna jämfört med den enväxlade.

I en simulering av energiförbrukning i elbussar visade sig en fyraväxlad växellåda ge förbättringar i energieffektivitet på upp till 30 % jämfört med enväxlade och tvåväxlade motsvarigheter [11]. Ökade utväxlingsmöjligheter har också i simulationer funnits förbättra acceleration, höja toppfarten och förbättrad backtagningsförmågan [4].

Ökad effektivitet är dock inte given. Enväxlade växellådor har i vissa fall funnits vara mer energieffektiva och fler växlar verkar inte alltid vara bättre; tvåväxlade växellådor verkar vara mer effektivt än treväxlade växellådor i personbilar [4]. Det råder en någorlunda enighet om att flerväxlade växellådor har potential att sänka energiförbrukningen i batterielfordon [4]. Ett antal utmaningar/barriärer för flerväxlade växellådor har emellertid identifierats: val av utväxling, teknik för växling, minimering av momentförlust vid växling och övriga transmissionsförluster [4].

Entusiaster, Formula-E och alternativa lösningar

Förutom Porsche Taycan har jag inte lyckats hitta någon annan kommersiell batterielbil med flerväxlad växellåda. Det finns dock en nisch där man kan dra stora växlar, elkonverterade entusiastbilar [3]. Av estetiska och körmässiga (mekaniska känslan) orsaker behålls ofta den manuella växellådan när äldre entusiastbilar elkonverteras. Anpassningar görs i regel på utväxling och genom att minska totalt antal växlar [3]. På andra sidan av spektrumet finns Formula E (racingsserie för batterielbilar) där flera team har experimenterat med flerväxlade växellådor, bland annat 2017 års vinnarbil som var treväxlad [2]. Tesla har som tidigare nämnt ingen flerväxlad växellåda i produktion. På deras fyrhjulsdrivna (dual-motor) modeller har de istället valt en lösning med olika utväxling på den främre och den bakre drivlinan, för att på så sätt kunna optimera för acceleration, toppfart och energieffektivitet [12].

Egen kommentar

Det verkar inte finnas ett entydigt svar kring om flera växlar är rätt väg att gå för batterielfordon. Å enda sidan verkar ökad energieffektivitet och körbarhet vara (teoretiskt) fastställt men å andra sidan så innebär det en ökad komplexitet, kostnad och massa. Komplexiteten innebär bland annat att servicebehovet rimligen bör öka. Ökad kostnad och massa innebär en alternativkostnad som kan ställas mot t ex större batteri och/eller starkare elmaskin. Kanske är just därför vi just nu ser de första flerväxlade växellådor i premiumklassen, där dessa avvägningar inte är lika viktigt – acceleration och toppfart har högre prioritet. Många av er läsare är säkert insatta och har egna/andra tankar i ämnet, tankar som vi gärna tar del av.

Referenser

[1] Green Car Reports. Porsche Taycan 2-speed gearbox. Sep 2019. länk

[2] Driving Electric. Do electric cars have gearboxes? Juni 2019. länk

[3] Wired. Aston Martin electric car. Sep 2019. länk

[4] Ahssan, Md Ragib, Mehran Motamed Ektesabi, and Saman Asghari Gorji. ”Electric Vehicle with Multi-Speed Transmission: A Review on Performances and Complexities.” SAE International Journal of Alternative Powertrains 7.08-07-02-0011 (2018): 169-181.

[5] Ruan, Jiageng, Paul Walker, and Nong Zhang. ”A comparative study energy consumption and costs of battery electric vehicle transmissions.” Applied energy 165 (2016): 119-134.

[6] Laitinen, Heikki, Antti Lajunen, and Kari Tammi. ”Improving electric vehicle energy efficiency with two-speed gearbox.” 2017 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC). IEEE, 2017.

[7] Tesla Club Sweden. Varför måste elbilar vara sportiga. Okt 2019. länk

[8] X-engineer. AMT. länk

[9] Booths. What is a DCT? Jan 2019. länk

[10] Practical Motoring. CVT explained. Sep 2014. länk

[11] Tian, Shaopeng, Yang Wang, and Lei Wu. Parameters Matching and Effects of Different Powertrain on Vehicle: Performance for Pure Electric City Bus. No. 2015-01-2799. SAE Technical Paper, 2015.

[12] Inside EVs. How Tesla have change how it controls front & rear motors. Juni 2018. länk