图1 搭载CVT4EV的大众e-Golf
当下的电动车出于成本的系统复杂程度的考虑，基本都选用驱动电机和一个多级单挡减速箱作为动力总成，受电机的功率扭矩特性的限制，这样的组合并不能够兼顾车辆的动力性和经济。特别是在高速行驶的情况下，由于速比不能变化而无法充分发挥电机的优势，导致车辆高速行驶时的NHV、持续加速性能和能耗等特性并不是特别优秀，甚至要远远劣于燃油车的表现。电动车减速箱的多挡化是上述问题的解决方案之一，但目前市场上可见的应用多集中在高端车型上。另外，目前的方案，无论是使用湿式离合器还是同步器来换挡，都无法完全克服动力中断的问题。而博世推出的CVT4EV，有望通过使用成熟的、经过了市场充分验证的无级变速技术，来达到这个目的。从字面上看，CVT4EV就是CVT for EV的意思。在结构上，博世采用了电机+控制器+变速箱的三合一集成方案。由于使用电机作为驱动输入，从而取消了传统CVT变速箱上的液力变矩器，并取消了提供前进/倒挡切换的行星排和离合器等部件，提高了变速箱的传动效率，并使得结构更加紧凑、简单，简化了控制系统。变速箱外观如图2所示。
图2 Bosch CVT4EV
CVT4EV变速箱组成结构如下图所示。由于驱动电机和带轮系统之间没有离合器，所以无法像内燃机的应用那样，利用与发动机连接的机械油泵在怠速和行驶过程中提供液压油，故在CVT4EV变速箱中通过使用一个高压油泵来为主动和从动锥轮提供工作所需的高压油，同时搭载了一个低压油泵对变速箱内部元件进行润滑和冷却。TCU通过读取油路上的压力传感器信号来实现对带轮油压的精确调节。从动带轮上旁边的速度传感器，可以用于和驱动的电机输入转速一起，实时计算CVT带轮系统的当前速比，从而实现速比的精确控制。
图3 CVT4EV变速箱组成结构
CVT4EV的液压原理图如下图4所示。其中变速箱内部的高压电子油泵用于提供主油路油压，通过电子油泵的转速控制可以精确调整油压，而省去了传统油泵中的溢流阀设计，简化了液压系统的结构。主油路油压通过两个直驱电磁阀控制分别控制主动带轮和从动带轮的工作油压，用于控制主/从动带轮的夹紧力，进而实现速比的调整和可承载扭矩的调整。
图4 CVT4EV变速箱的液压原理图
CVT4EV的高压电子油泵功率为850 W，可以提供最高50bar的压力；低压电子油泵功率为300 W，可以提供最高3bar的压力，主要用于给变速箱系统提供冷却和润滑所需要的润滑油。
通过使用直驱式电磁阀DESC（Direct ElectricShift Control）替代先导阀，在工作电压0~1.2A的范围内，可以直接控制高达6000kpa的油压，控制流量可以高达7.5–14l /min，而泄漏量只有10–250ml /min（根据压力的不同而不同）
图7 CVT4EV用直驱式电磁阀DESC
由于电机具有恒功率和恒扭矩区域，且高效区域范围相比传统内燃机要宽很多，故CVT4EV变速箱选用一套变速比范围仅为3.0的带轮系统，而传统的内燃机用CVT变速箱常用带轮系统的变速比范围一半都在7~8左右。较小的变速比使得选择更小的带轮系统成为可能，而这可以进一步降低变速箱的整体重量，以及对于液压系统的需求。
图7 CVT4EV用CVT带轮系统
CVT4EV的结构简图如图8所示。驱动电机通过一个内啮合齿轮减速机构将动力输入给主动带轮，主动带轮和从动带轮负责速比的无级调整，然后将动力从从动带轮轴分别传递到其左右两侧的行星排的太阳轮。左右两侧的行星排的齿圈之间通过两个直齿轮轴进行连接，组合成一套差速系统。之所以采用这种设计，笔者认为是由于受到带轮机构较大尺寸的影响，如果采用传统的差速器布置方式，还需要在输出带轮段部增加一套中间轴机构，然后再与传统差速器进行连接，这样势必导致减速箱的整体尺寸很大，不利于纯电动车对于小中心距的需求。
图8 CVT4EV的结构简图
CVT4EV结构简图中实现左右轮差速的方式与舍弗勒的紧凑型差速器（图9）在原理相近。
图9 舍弗勒的紧凑型差速器结构
由于CVT4EV可以实现减速箱的无级变速，因此可以在车辆低速行驶时，通过对速比的精确控制，来使车轮端扭矩的输出更加平滑，驾驶更加舒适，避免轮边扭矩过大导致的车轮打滑；还可以减少电动机高能耗、低效率的运转时间；在车辆高速行驶时，可以通过减小变速箱减速比，使降低电机的工作转速，使电机可以维持在最高效的转速范围，提升整车NVH表现。在能耗方面，速比的无级调节可以使电机尽可能的工作在高效区间。试验中，CVT4EV协助e-Golf电动车的WLTC续航里程提升了约4%，并且在匀速工况下实现了更高的效率（比如60km/h的匀速工况实现约7%里程提升）。在高速行驶比例更高的工况循环中，CVT4EV变速箱对电动车续航里程的提升贡献甚至可以达到10%。图10展示了在不同工作车速情况下，CVT4EV的速比变化情况。（UD是under drive, OD是over drive）
CVT4EV变速箱的可选主减速比为3~5，这使得变速箱的轮端输出扭矩可以达到4,000Nm左右。钢带式CVT4EV速比灵活性较高，在相同的动力性能指标下，还可以帮助电机实现小型化（降低峰值扭矩）、降低转速需求，使得电机成本和体积得以降低。当前的CVT4EV样机是基于量产变速箱改制而来，因而总重量达到了100kg左右。针对量产产品，博世期望将其重量控制在20kg左右，这样才能具有相比单级减速箱的成本重量优势。根据博世预测(图11)，保守估计到2030年市场上会有21%的纯电车型，而较为乐观的估计是到2030年全球将有超过1/3的动力总成是纯电，这意味着电动车将覆盖乘用车所有的应用范围。未来在电动车减速箱的应用上，是否会出现像传统变速箱一样百家争鸣的局面，我们拭目以待。
图11 博世关于2030年全球新车销量预测（含乘用车和小于6吨的轻型商用车）
参考材料
1、Transmission CVT4EV
https://www.bosch-mobility-solutions.com/en/solutions/transmission-technology/transmission-cvt4ev/?msclkid=939c91a9b0a311ec96808dc7da3fa1c3
2、Bosch’s EV efficiency upgrade:continuously variable transmissions
https://www.sae.org/news/2021/04/bosch-cvt-for-evs?msclkid=939cc904b0a311ecadb4efedcd990d73
3、Bosch extends the electricalcar’s repertoire
https://www.bosch-presse.de/pressportal/de/en/from-caravans-to-sports-cars-bosch-extends-the-electrical-cars-repertoire-231232.html
4、Bosch introducing CVT forelectric vehicles: CVT4EV
https://www.greencarcongress.com/2020/12/20201214-bosch/comments/
