双速变速器 可提升电动汽车 加速、爬坡和牵引能力15%，成本不到 150 美元

Ingear是一款诞生于加拿大的创新双速变速器，旨在突破电动汽车的性能和效率限制。



Ingear 变速器在从低速档向高速档换档的过程中，“关键扇区”从大链轮环、摩斯Hy-Vo静音链条和惰轮机构中滑出。（图片来源：Inmotive）

长期以来，电动汽车一直为人乐道的优点之一，就是拥有极为简单的动力传动系统。车辆的牵引电机和主减速器之间只有一对减速齿轮。这种单速设计可以提供尚可接受的性能，但同时最大限度地减少材料清单（BoM）和传动系统的成本。

然而，电动商用车、电动非公路设备和高性能电动汽车对占空比（duty cycles）的要求越来越高，促进了多速解决方案的发展。特斯拉曾在 2007 年率先推出首部多速电动传动系统，但结果并不尽如人意。当时，特斯拉仅是一家初具规模的初创公司，员工也主要是电子工程师，但这家公司却开发了自己的双速变速器并将其应用至特斯拉的跑车产品。在这种背景下，发生灾难性故障似乎也在意料之中，Elon Musk 随后也不得不转而采用了一款由里卡多（Ricardo） 公司设计、博格华纳（BorgWarner）公司制造的单速传动系统。

随后，保时捷（Porsche）和超跑制造商 Rimac 开始小批量生产双速电动汽车。宝马（BMW）也为其 I8 混合动力车搭配了双速变速器。供应商 ZF 则推出了一款紧凑型双速变速器。此外，一家在 2010 年成立于加拿大多伦多的供应商Inmotive 也推出了一种改良版的双速（也可能是三速）电动汽车变速器解决方案。


Inmotive公司首席执行官 Paul Bottero （图片来源：Inmotive）

Inmotive公司首席执行官 Paul Bottero 表示：“我们从全球各地的OEM那里得知，他们对电动汽车双速变速器的需求与日俱增。这种解决方案可提供更长的续航里程、更强劲的性能特性，还可以通过缩小电池和电机的尺寸来降低成本。”Inmotive 公司表示，目前，一些乘用车和商用车厂商已经开始评估 Inmotive 的变速器产品 Ingear。

Ingear的设计概念源自自行车的变速传动系统，采用了现成的汽车技术和标准的材料和工艺，因此单位成本不到 150 美元。这款产品采用了博格华纳摩斯（Morse）倒齿Hy-Vo 静音链条和精密粉末金属组件，而且摒弃了加压润滑系统，转而采用了飞溅式润滑设计。

CAE 分析和原型测试表明，与单速变速箱相比，Ingear双速变速箱结合一些电机优化，系统效率可提高 7% 至 12%。据 Inmotive公司 CTO Tony Wong 介绍，Ingear 的加速、爬坡和牵引能力提高了 15%。Inmotive 公司已经为一辆起亚 Soul EV 安装了 Ingear 变速箱，用于技术演示。

Ing
ear 双速变速器与基准单速电动汽车的Matlab WLTP能耗模拟比较汇总。（图片来源：Inmotive）

优化电机尺寸

作为一位狂热的自行车爱好者，10 年前，Tony Wong 在上下班的路上萌生了 Ingear 的想法。“我在想，自行车在变速时的扭矩传递效率比较低。变速器需要将链条推到一边，通常这个过程会导致链条稍微有点错位。”他解释说，“所以，如果我们不要移动链条，而是移动链条里面的齿轮呢？链轮之间有足够的空间；如果我们把链轮分割为一段段的“扇形”结构，并设计出一种可以在变速过程中始终保持链条与链轮齿啮合的方法呢？”

Wong 将自己的发明呈现给科技界资深人士 Bottero 并开始一起搜索专利。Ingear 的“秘方”就是他们口中的“关键扇区”链轮组件（现已获得专利），用于控制链条与链轮之间的啮合。“很明显，自行车变速器肯定不能给汽车用，很快就会被碾碎的。”Wong 指出，“如链条行业所说的那样，就是这些关键扇区使我们能够始终保证链条与链轮齿之间的同步，即使是在换档过程中。”

这些组件使Ingear 可以承受汽车应用的速度和扭矩负载。此外，当时同时获得专利的还有一个称为“定序器”的概念，可以在车辆换档过程中保证关键“扇区”可以率先移动。

为了推动Ingear 技术的商业化，Bottero、Wong 和另一位同事于 2010 年成立了 Inmotive 公司。“我们在最初五年中致力于工业应用—破碎机、输送机和建筑用暖通空调风机等设备。”Bottero 指出，“我们通过这些应用验证了我们的核心理念和技术。双速传动装置可以在峰值负载下发挥作用，允许您调整电机的尺寸。”

2015 年，Inmotive 公司的新目标是让 Ingear 更加强劲耐用，适合于汽车应用。Wong 说，我们从早期迭代的齿带传动过渡到 Hy-Vo 链条（应用于雪佛兰 Volt 和大量四轮驱动分动箱），实现了更高的扭矩密度，“具有极高的耐用性和效率”。Bottero 补充道，“市场已经成熟，我们一直认为最适合我们的就是电动汽车市场。”


Ingear的差速器处于嵌套状态位于齿轮链深处。（图片来源：Inmotive）

链轮动力学

常见的大多数电动汽车采用两组螺旋形减速齿轮，车轮每转一圈，电机对应转动大约9圈。Ingear 用 Hy-Vo链传动和一个“变形”链轮取代了第二组减速齿轮（如动画所示）。每次换档时，车轮每转一圈（约 30 毫秒），执行器可以控制五个联锁链轮“扇区”配合到位。

Wong 说，不同的扇区组合可以构成不同的链轮尺寸，从而有效地增大或减小传动比。这些链轮“扇区”可以在硬化钢销上自由滑动，类似于注塑设备中使用的钢销。当这些扇形块牢固地锁定成一个圆时，它们的运行起来就和传统的整体式链轮完全相同。由于采用了专利几何形状，Ingear 可以保持电机和车轮速度同步。

在变速过程中，变速器的惰轮（功能类似于拨链器惰轮）可以在“扇区”变形时拉紧松弛的链条。“我们的几何结构经过专门设计，这些’扇区’无论在高档速和低档速时都能完美啮合。”Wong 说，“我们花了很长时间来确定链条的路径，最后终于成功了。”在从低速向高速的换挡过程中，Ingear 可以传递连续扭矩。

Bottero解释说，“电机转速下降得很快，因此整个换挡过程相当平稳，不易为车内乘客察觉。Wong 的团队还开发了扭矩填充算法，以进一步降低换档对车上人员的影响。此外，换挡过程中消耗的能量越少，电动汽车每次充电后的续航里程就越长。Inmotive 声称，即使在降档时，Ingear也能持续进行制动再生，使电机能够更有效地运转，将更多的能量用于车辆前进，而不是变成热量浪费掉。


另一个角度下的 Ingear 2 速变速器。（图片来源：Inmotive）

“货车制造商正在讨论使用我们的双速变速箱。”Bottero 说，“货车必须非常高效。首先，受到里程要求的限制，这种车型不可能配备一个超大的发动机；其次，它们的负载有很重，如果采用单速变速器又很难爬坡；另外，这些车辆对价格的控制也很严格，必须保证最终客户可以获得可观的投资回报。Ingear 可以提高车辆的爬坡能力。我们与卡车和客车制造商进行的分析表明，我们可以通过采用双速变速器并优化电机，提高车辆的提高爬坡能力。具体来说，我们可以让车辆以合理的速度和较低的传动比爬上 17% 的坡度。”

新的变速器又带来了有关传动比范围的问题。保时捷 Taycan EV 的双速行星齿轮采用了短的 15.5:1 低速齿轮以提供最大的加速，长的 8.05:1 的高速齿轮保证最高速度和公路效率。Bottero 和 Wong 表示，Ingear 架构可以进行扩展，从而覆盖更广泛的应用。

“我们发现，大约 2:1 的比例可以显著提高电机的性能，”Wong 说，“对于更大的卡车和非公路车辆来说，宽阔的档位分布是必要的，而且总体上应该有更多的档位。这点 Ingear 完全没有问题。但是对于乘用车和跑车来说，比率为2:1 意味着当你在高速公路上行驶时，电动机可以以半速旋转。这是一个巨大的进步。OEM也对我们的提议很满意。”

Inmotive 公司 CTO Tony Wong 开发的 Ingear 变速器概念来源于传统的自行车变速器。（图片来源：Inmotive）

三速变速器也来了？

正如SAE《汽车工程》报道那样，电机的发展趋势是不断提高轴转速。目前，一些新设计的轴转速可以达到 20,000 rpm 以上。Wong 说，Ingear双速变速器可以让这种高速电机在较低转速下提供更高的效率。

“我们正在洽谈中的厂商都很了解电机转速提高所带来的挑战。”Wong 指出，“转速到 16,000 转/分以上，向心力就会非常大。此时，空气隙将受到影响。你必须使用非常结实的轴承。即使是转子结构也会受到磁场的影响，因此它的机械强度必须足以承受巨大的向心力。涡流损耗会在电机高速运行时产生阻力和大量热量，减弱磁场也只能部分减少涡流损耗。

“控制电机的转速不要太快对我们来说好处更大。”Wong 断言，使用双速变速器有助于让电机尽量工作在效率最高的转速下。基本来说，额定转速 10,000 rpm 的电机，最佳转速为 4,000 rpm 左右，但如果采用了变速箱，最佳转速可以适当提高。

Wong 解释说，“我们必须控制电机的尺寸，使其能够疏散低转速工作时产生的热量，进入’最佳工作转速’并尽量保持在这个转速下。双速变速器可以让电机下线，转速更快，从而防止发生过热的情况。”

如果电动汽车适合使用双速变速器，那三速变速器是不是更好？Wong 说，Inmotive 公司的分析表明，三速变速器可以将轻型车辆的效率提高“一个百分点”，而四速变速器几乎不能提高投资回报率。因此，双速变速器真的非常实惠。”Bottero 声称，在量产条件下，汽车厂商需要为 Ingear 支付每车 150 美元的成本，但却可以通过调整电池、电机和逆变器的尺寸，为每辆乘用车节省超过 1,500 美元。Wong 对 Ingear在 2023 年底投产很有信心。