新能源汽车换挡方式的进化

一、背景

在新能源汽车的发展过程中，档位切换方式经历了从传统的机械换挡到电子换挡，再到当下少数车型中应用的通过屏幕按键来换挡，以及不久之后的自动换挡，在此换挡方式的演变中，反映了汽车行业由传统机械为主向着电动化再到智能化的发展过程，也说明了用户体验在车载应用中正不断得到提升。

二、档位切换方式

2.1.传统机械换挡

传统燃油车的机械换挡系统通常包括手动变速箱和自动变速箱。其中，手动变速箱需要驾驶员通过操作离合器和换挡杆来进行档位之间的切换。而自动变速箱则通过液压控制系统，根据驾驶员档位需求来实现自动切换档位。机械换挡的特点是，可为驾驶员提供直接的物理连接感，但其在操作方面相对复杂，对于驾驶员的技能有一定要求。

2.2.电子换挡

电子换挡系统通过电信号代替物理机械连接，并通过控制单元来控制变速箱的档位切换。这简化了驾驶员的操作流程，提高了换挡过程的平顺性和响应速度，同时也减少了机械磨损。当前，电子换挡的表现方式有旋钮式、怀档式、挂档式等多种形式，其中旋钮式和怀档式在新能源汽车中较为流行。

2.3.屏幕按键换挡

屏幕换挡在国内新能源汽车品牌中还未有量产应用，但在特斯拉的Model X等车型中已实现搭载。该换挡方式基于电子换挡架构，并在当下汽车智能化相关技术的加持下进一步将其概念推向极致，将换挡控制集成到中控触摸屏上，驾驶员通过触摸屏幕上的虚拟按钮来切换档位。该方式减少了实体旋钮或开关，使得车内布局更加简洁，并为智能座舱的发展提供了更大的设计自由度，同时也为高阶自动驾驶的到来做好相关组件的取消准备（如方向盘、踏板、档位等组件，在高阶自动驾驶车型中将可以被取消）。

以特斯拉Model X上的屏幕换挡为例，驾驶员可在屏幕上通过向上或向下滑动来切换档位，若在屏幕因故障失效而无法使用时，可通过中控台上的激活按键换挡，以确保档位切换的可用性。该安全冗余设计方式随着技术成熟度和可靠性的提升，将会被简化或取消，以降低系统总成本。

图1 屏幕换挡

三、系统架构

在电子换挡系统中，档位的信号输入首先由旋钮等物理换挡器提供，接着换挡控制单元（可能独立或被集成）通过接收该输入的电信号，并将该信号以报文形式发送给变速箱控制单元（TCU），TCU接收来自换挡控制单元的指令，并根据车辆状态、驾驶模式和驾驶请求等信息，控制变速箱内部的换挡执行器，执行器按照TCU的指令，去控制离合器、换挡拨叉等机械部件，以完成档位切换工作。

而在屏幕换挡的应用中，用于提供档位输入的旋钮等物理换挡器将不再需要，而是通过屏幕内的虚拟按键实现，此时换挡控制单元将被屏幕控制单元或中央信息娱乐系统所替代，而与换挡直接物理相关的变速箱、TCU等组件则依然保持（尽管无级变速器（CVT）和单速变速箱虽然在某些电动车中应用，但它们并未完全取代传统变速箱在多场景下的优势），其系统架构如下：

图2 新能源汽车常规换挡基本系统架构

四、自动换挡

目前在国内汽车市场中，车辆的换挡方式以电子换挡为主，屏幕换挡还未应用，自动换挡更是未有推出者。但作为新能源汽车的领路者，特斯拉汽车正尝试通过自动换挡方式以进一步简化驾驶体验，尤其是配合其全自动驾驶（Full Self-Driving， FSD）套件。

该自动换挡功能的实现是利用车辆的感知系统、地图数据和AI算法等技术。首先通过先进的环境感知系统去识别道路状况、交通标志、其他车辆和行人等信息，并通过分析收集到的信息对周围环境进行判断，以为车辆是否需要进行前进、倒退或保持空挡状态提供决策依据（如在车辆前方或后方有障碍物或其他车辆时，踩下加速踏板系统将进行自动换挡），从而实现无需驾驶员手动操作换挡的目的。在理想情况下，自动换挡能够无缝地在不同档位之间自由切换，为驾驶员提供了流畅的驾驶体验。

图3 特斯拉的自动换挡

五、场景应用

当驾驶员进入车辆并启动后，系统开始检测周围环境，在确认安全后自动将档位从P档切换到N档，在驾驶员松开刹车并轻踩加速踏板后，若系统确认前方无障碍物，此时自动换挡系统会将档位从N档切换到D档，并实现车辆平稳起步（车辆召唤功能，即从停车位自动行驶至驾驶员位置的功能，在许多新能源汽车上已被应用。此过程中，车辆换挡系统已实现从P档-N档-D档-N（P）档的自动切换）。

当车辆行驶在道路上，在接近有红灯的十字路口时，驾驶员制动车辆以降低车速直至减速，当系统检测到车辆停止，会自动将档位由D档切换至N档或P档，并保持车辆稳定。在信号灯变为绿色后，驾驶员轻踩加速踏板，此时档位将自动切换回D档，并平稳加速以通过路口。当车辆感知系统检测到前方有慢行车辆时，若驾驶员未对车辆进行减速，那么自动驾驶系统将自动控制车辆减速并保持安全距离。若此时前方车辆始终处于低速行驶状态，系统将保持D档，通过调节动力输出来控制车辆跟车行驶。

当驾驶员到达停车场后，环境感知系统将通过超声波传感器和摄像头辅助驾驶员寻找合适的停车位。当识别到停车位后，驾驶员确认停车指令，自动换挡系统将D档切换到R档，并利用周围环境感知和倒车影像，自动控制倒车速度和角度以完成精准停车（自动倒车/泊车功能在目前新能源汽车上已实现，此过程中档位的切换已实现从P档-N档-D（R）档-P档的自动自由切换）。

图4 感知系统辅助寻找停车位

当车辆停稳后，系统自动检测车辆已完全静止，此时将自动从D（R）档切换到P档，确保车辆安全锁定。在驾驶员离开车辆前，无需手动切换档位，车辆会自动进入P档，确保溜车等异常不会发生。

当下，特斯拉在其部分车型上已经部署了自动换挡功能，尤其是在FSD Beta版本中，该功能允许车辆在特定条件下自动选择合适的档位。但基于该技术的应用尚处于发展阶段，为了确保应用的安全性，该自动换挡系统设计有冗余机制，如在系统故障时，驾驶员仍然可通过屏幕或其他方式手动控制档位。此自动换挡功能的应用，再次简化了换挡系统的电气架构，示意如下：

图5 自动换挡基本电气架构

在此架构中，自动驾驶系统负责环境感知、决策规划和控制执行。它将根据车辆周围环境、行驶路线、交通规则等信息，自主地决定何时以及如何切换到何种档位上，并将该档位信息通过总线发送至TCU，从而完成档位的切换流程。在此架构中，传统的物理换挡器、换挡控制单元（如果是独立的）或者是屏幕控制方式中的虚拟按键等此时将不再需要，而自动驾驶系统可凭借其高算力、高性能的特点更出色的完成相关任务，从而实现对这些组件或功能的取代。当无人驾驶技术趋向成熟后，在部分车型及应用领域中，原本用于安全冗余的相关物理组件及界面元素或也将被省略，以进一步减少成本和系统复杂性。