一、背景

在新能源汽車的發(fā)展過程中，檔位切換方式經(jīng)歷了從傳統(tǒng)的機械換擋到電子換擋，再到當下少數(shù)車型中應用的通過屏幕按鍵來換擋，以及不久之后的自動換擋，在此換擋方式的演變中，反映了汽車行業(yè)由傳統(tǒng)機械為主向著電動化再到智能化的發(fā)展過程，也說明了用戶體驗在車載應用中正不斷得到提升。

二、檔位切換方式

2.1.傳統(tǒng)機械換擋

傳統(tǒng)燃油車的機械換擋系統(tǒng)通常包括手動變速箱和自動變速箱。其中，手動變速箱需要駕駛員通過操作離合器和換擋桿來進行檔位之間的切換。而自動變速箱則通過液壓控制系統(tǒng)，根據(jù)駕駛員檔位需求來實現(xiàn)自動切換檔位。機械換擋的特點是，可為駕駛員提供直接的物理連接感，但其在操作方面相對復雜，對于駕駛員的技能有一定要求。

2.2.電子換擋

電子換擋系統(tǒng)通過電信號代替物理機械連接，并通過控制單元來控制變速箱的檔位切換。這簡化了駕駛員的操作流程，提高了換擋過程的平順性和響應速度，同時也減少了機械磨損。當前，電子換擋的表現(xiàn)方式有旋鈕式、懷檔式、掛檔式等多種形式，其中旋鈕式和懷檔式在新能源汽車中較為流行。

2.3.屏幕按鍵換擋

屏幕換擋在國內(nèi)新能源汽車品牌中還未有量產(chǎn)應用，但在特斯拉的Model X等車型中已實現(xiàn)搭載。該換擋方式基于電子換擋架構(gòu)，并在當下汽車智能化相關(guān)技術(shù)的加持下進一步將其概念推向極致，將換擋控制集成到中控觸摸屏上，駕駛員通過觸摸屏幕上的虛擬按鈕來切換檔位。該方式減少了實體旋鈕或開關(guān)，使得車內(nèi)布局更加簡潔，并為智能座艙的發(fā)展提供了更大的設計自由度，同時也為高階自動駕駛的到來做好相關(guān)組件的取消準備（如方向盤、踏板、檔位等組件，在高階自動駕駛車型中將可以被取消）。

以特斯拉Model X上的屏幕換擋為例，駕駛員可在屏幕上通過向上或向下滑動來切換檔位，若在屏幕因故障失效而無法使用時，可通過中控臺上的激活按鍵換擋，以確保檔位切換的可用性。該安全冗余設計方式隨著技術(shù)成熟度和可靠性的提升，將會被簡化或取消，以降低系統(tǒng)總成本。

圖1 屏幕換擋

三、系統(tǒng)架構(gòu)

在電子換擋系統(tǒng)中，檔位的信號輸入首先由旋鈕等物理換擋器提供，接著換擋控制單元（可能獨立或被集成）通過接收該輸入的電信號，并將該信號以報文形式發(fā)送給變速箱控制單元（TCU），TCU接收來自換擋控制單元的指令，并根據(jù)車輛狀態(tài)、駕駛模式和駕駛請求等信息，控制變速箱內(nèi)部的換擋執(zhí)行器，執(zhí)行器按照TCU的指令，去控制離合器、換擋撥叉等機械部件，以完成檔位切換工作。

而在屏幕換擋的應用中，用于提供檔位輸入的旋鈕等物理換擋器將不再需要，而是通過屏幕內(nèi)的虛擬按鍵實現(xiàn)，此時換擋控制單元將被屏幕控制單元或中央信息娛樂系統(tǒng)所替代，而與換擋直接物理相關(guān)的變速箱、TCU等組件則依然保持（盡管無級變速器（CVT）和單速變速箱雖然在某些電動車中應用，但它們并未完全取代傳統(tǒng)變速箱在多場景下的優(yōu)勢），其系統(tǒng)架構(gòu)如下：

圖2 新能源汽車常規(guī)換擋基本系統(tǒng)架構(gòu)

四、自動換擋

目前在國內(nèi)汽車市場中，車輛的換擋方式以電子換擋為主，屏幕換擋還未應用，自動換擋更是未有推出者。但作為新能源汽車的領(lǐng)路者，特斯拉汽車正嘗試通過自動換擋方式以進一步簡化駕駛體驗，尤其是配合其全自動駕駛（Full Self-Driving， FSD）套件。

該自動換擋功能的實現(xiàn)是利用車輛的感知系統(tǒng)、地圖數(shù)據(jù)和AI算法等技術(shù)。首先通過先進的環(huán)境感知系統(tǒng)去識別道路狀況、交通標志、其他車輛和行人等信息，并通過分析收集到的信息對周圍環(huán)境進行判斷，以為車輛是否需要進行前進、倒退或保持空擋狀態(tài)提供決策依據(jù)（如在車輛前方或后方有障礙物或其他車輛時，踩下加速踏板系統(tǒng)將進行自動換擋），從而實現(xiàn)無需駕駛員手動操作換擋的目的。在理想情況下，自動換擋能夠無縫地在不同檔位之間自由切換，為駕駛員提供了流暢的駕駛體驗。

圖3 特斯拉的自動換擋

五、場景應用

當駕駛員進入車輛并啟動后，系統(tǒng)開始檢測周圍環(huán)境，在確認安全后自動將檔位從P檔切換到N檔，在駕駛員松開剎車并輕踩加速踏板后，若系統(tǒng)確認前方無障礙物，此時自動換擋系統(tǒng)會將檔位從N檔切換到D檔，并實現(xiàn)車輛平穩(wěn)起步（車輛召喚功能，即從停車位自動行駛至駕駛員位置的功能，在許多新能源汽車上已被應用。此過程中，車輛換擋系統(tǒng)已實現(xiàn)從P檔-N檔-D檔-N（P）檔的自動切換）。

當車輛行駛在道路上，在接近有紅燈的十字路口時，駕駛員制動車輛以降低車速直至減速，當系統(tǒng)檢測到車輛停止，會自動將檔位由D檔切換至N檔或P檔，并保持車輛穩(wěn)定。在信號燈變?yōu)榫G色后，駕駛員輕踩加速踏板，此時檔位將自動切換回D檔，并平穩(wěn)加速以通過路口。當車輛感知系統(tǒng)檢測到前方有慢行車輛時，若駕駛員未對車輛進行減速，那么自動駕駛系統(tǒng)將自動控制車輛減速并保持安全距離。若此時前方車輛始終處于低速行駛狀態(tài)，系統(tǒng)將保持D檔，通過調(diào)節(jié)動力輸出來控制車輛跟車行駛。

當駕駛員到達停車場后，環(huán)境感知系統(tǒng)將通過超聲波傳感器和攝像頭輔助駕駛員尋找合適的停車位。當識別到停車位后，駕駛員確認停車指令，自動換擋系統(tǒng)將D檔切換到R檔，并利用周圍環(huán)境感知和倒車影像，自動控制倒車速度和角度以完成精準停車（自動倒車/泊車功能在目前新能源汽車上已實現(xiàn)，此過程中檔位的切換已實現(xiàn)從P檔-N檔-D（R）檔-P檔的自動自由切換）。

圖4 感知系統(tǒng)輔助尋找停車位

當車輛停穩(wěn)后，系統(tǒng)自動檢測車輛已完全靜止，此時將自動從D（R）檔切換到P檔，確保車輛安全鎖定。在駕駛員離開車輛前，無需手動切換檔位，車輛會自動進入P檔，確保溜車等異常不會發(fā)生。

當下，特斯拉在其部分車型上已經(jīng)部署了自動換擋功能，尤其是在FSD Beta版本中，該功能允許車輛在特定條件下自動選擇合適的檔位。但基于該技術(shù)的應用尚處于發(fā)展階段，為了確保應用的安全性，該自動換擋系統(tǒng)設計有冗余機制，如在系統(tǒng)故障時，駕駛員仍然可通過屏幕或其他方式手動控制檔位。此自動換擋功能的應用，再次簡化了換擋系統(tǒng)的電氣架構(gòu)，示意如下：

圖5 自動換擋基本電氣架構(gòu)

在此架構(gòu)中，自動駕駛系統(tǒng)負責環(huán)境感知、決策規(guī)劃和控制執(zhí)行。它將根據(jù)車輛周圍環(huán)境、行駛路線、交通規(guī)則等信息，自主地決定何時以及如何切換到何種檔位上，并將該檔位信息通過總線發(fā)送至TCU，從而完成檔位的切換流程。在此架構(gòu)中，傳統(tǒng)的物理換擋器、換擋控制單元（如果是獨立的）或者是屏幕控制方式中的虛擬按鍵等此時將不再需要，而自動駕駛系統(tǒng)可憑借其高算力、高性能的特點更出色的完成相關(guān)任務，從而實現(xiàn)對這些組件或功能的取代。當無人駕駛技術(shù)趨向成熟后，在部分車型及應用領(lǐng)域中，原本用于安全冗余的相關(guān)物理組件及界面元素或也將被省略，以進一步減少成本和系統(tǒng)復雜性。