48 V 低壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 

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低壓系統(tǒng)的發(fā)展

 

 1918 年開始，第一批大規(guī)模生產(chǎn)的汽車使用 6V架構(gòu)。到了 1950 年代，美國的大排量發(fā)動機(jī)讓 6V 電壓系統(tǒng)無法滿足用電需要，因此汽車企業(yè)開始串聯(lián)兩個(gè) 6V 電池，形成12V低壓系統(tǒng)架構(gòu)。

 

 到 20 世紀(jì) 60 年代末，幾乎所有汽車都使用 12V 電壓系統(tǒng)，電動車窗、室內(nèi)照明、點(diǎn)煙器、剎車燈、點(diǎn)火火花、電池等電氣系統(tǒng)和組件，都圍繞 12V 通用電壓標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了統(tǒng)一。近 60 年來，這種情況并沒有太大變化。 

 

 在傳統(tǒng)的 12V 系統(tǒng)中，汽車的空調(diào)、駕駛輔助系統(tǒng)和信息娛樂系統(tǒng)等控制單元的每個(gè)組件都需要一套單獨(dú)的電線供電。隨著汽車集成了越來越多的電氣組件，車輛布線變得越來越復(fù)雜而低效，越來越不適應(yīng)電氣化和智能化的發(fā)展。 

 

 而擁有強(qiáng)大自動駕駛功能的智能電動汽車，比如自動輔助駕駛感知系統(tǒng)和計(jì)算系統(tǒng)，自動輔助駕駛執(zhí)行部件，線控轉(zhuǎn)向和線控制動、4G/5G 信息的高速傳輸?shù)鹊?，都對電力供?yīng)提出了更高的要求。 

 

 2011 年，奧迪、寶馬、戴姆勒、保時(shí)捷和大眾聯(lián)合推出了 48V 系統(tǒng)，以滿足日益增長的車載負(fù)載需求，以及更嚴(yán)格的排放法規(guī)。 

 

 以德國車企為主的 48V 系統(tǒng)推動者，一方面通過 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，將 48 V 系統(tǒng)集成在原有 12V 系統(tǒng)上；同時(shí)推出了利用 DC/DC 轉(zhuǎn)換裝置，將來自動力電池的高壓電轉(zhuǎn)化 12V和 48V 的兩種電壓，分別驅(qū)動不同的元件。雖然這些只是對 12V 系統(tǒng)的改進(jìn)，但采用更高電壓的電氣系統(tǒng)，緩解在 12V 架構(gòu)面臨的巨大挑戰(zhàn)，一直是汽車制造商的努力方向。而 Cybertruck 是特斯拉首款在整個(gè)車輛中使用 48V 電氣系統(tǒng)的電動汽車。

 

 

/// 02

48 V 系統(tǒng)有什么優(yōu)勢 

 

 車載用電器的功率越來越大，如果不提高電壓，就只有增大電流了，但增大電流會讓電路的發(fā)熱量劇增，線纜橫截面也增大變粗，帶來車身重量和耗電量大增，從而減少續(xù)航里程。將電壓提高至 48V 以上，它既能保證車用電器所需的高功率，又可以減少電路上的能量損耗及發(fā)熱問題，相比 12V 系統(tǒng)有著明顯的優(yōu)勢。 

 

 首先，48V 系統(tǒng)能夠提供更高的電力負(fù)載，使汽車能夠?qū)崿F(xiàn)更多的、更耗電的功能。在相同電流條件下，48V 系統(tǒng)能比 12V 系統(tǒng)輸出更高功率；而在相同輸出功率情況下，48V系統(tǒng)則能實(shí)現(xiàn)更低電流，進(jìn)而降低功率損耗。 

 

 特斯拉在 CyberTruck 上取消了 12V 電池，僅保留 48V 電池，提高工作電壓以降低電流；而且特斯拉在 ECU 設(shè)計(jì)變電模塊，實(shí)現(xiàn)自由選擇 12V 或 5V 電壓。 

 

 其次，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，48 V 系統(tǒng)工作效率更高，降低了功率損耗，耐用性和安全性更好。CyberTruck 的 48 V 系統(tǒng)能夠讓電壓提高 4 倍，所需電流減少到原來的 1/4，因此損失的能量更少，線束產(chǎn)生的熱量也會降低，可以增加線束的使用壽命和安全性，而且允許電氣組件響應(yīng)更快。 

 

 第三，更低的電流意味著更輕的線纜，減少了線纜的尺寸和重量，可以節(jié)省成本，同時(shí)擁有更大的駕乘空間，裝備更多的電池。

 

 由于電流與銅材料成本相關(guān)，減少電流還意味著可以節(jié)省大量銅材料。CyberTruck 使用48 V 架構(gòu)幫助特斯拉將布線減少了 77%，銅需求減少了 50%。從而降低整體重量和更高的效率收益，每年能為特斯拉節(jié)省大約 100 億美元的成本。 

 

 第四，48 V 系統(tǒng)可以使整車結(jié)構(gòu)變得更加簡潔。比如特斯拉 CyberTruck 用高速數(shù)據(jù)總線（以太網(wǎng)）替代了 CAN 總線，可以用菊花鏈?zhǔn)椒绞剑B接遺留系統(tǒng)中需要點(diǎn)對點(diǎn)布線運(yùn)行的大多數(shù)組件。 

 

 可以說，轉(zhuǎn)向 48 伏電氣架構(gòu)，意味著汽車行業(yè)的游戲規(guī)則發(fā)生了改變。 

 

/// 03

48V架構(gòu)面臨的挑戰(zhàn) 

 

 雖然 48 V 系統(tǒng)擁有諸多優(yōu)勢，但它也帶來了新的挑戰(zhàn)。 

 

 首先，復(fù)雜性和安全性問題是亟需解決的關(guān)鍵問題。一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障或安全漏洞，可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。 

 

 其次，傳統(tǒng)制造商對于采用新系統(tǒng)的擔(dān)憂，也是制約其發(fā)展的因素之一。特斯拉的 48 V 低壓系統(tǒng)，可能不會立即用在任何其他汽車制造商的產(chǎn)品中，整個(gè)行業(yè)可能需要很長時(shí)間的過渡，才能實(shí)現(xiàn) 48 V 架構(gòu)的更新。 

 

 第三，供應(yīng)商生態(tài)系統(tǒng)面臨重新洗牌。系統(tǒng)電壓達(dá)到 48 V，意味著需要開發(fā)和制造以更高電壓運(yùn)行的新組件。這意味著汽車的供應(yīng)鏈生態(tài)將重新洗牌，將導(dǎo)致汽車制造商布線、配件和電氣工程方式的逐步改變。 

 

 如果汽車制造商決定轉(zhuǎn)向48 V架構(gòu)，那么它制造所有汽車都必須使用適配 48 V 系統(tǒng)的配件。但是，供應(yīng)商在沒有足夠需求的情況下，是沒有動力制造此類配件的。因?yàn)槿绻a(chǎn)量相對較小，這些 48 V 零件的單位成本可能大大高于其 12 V 產(chǎn)品。

 

 因此，依賴第三方供應(yīng)商的傳統(tǒng)汽車制造商在推行 48 伏系統(tǒng)方面進(jìn)展緩慢。許多汽車制造商將被迫在整個(gè)車輛陣容中緩慢向 48 V 系統(tǒng)過渡。 

 

 特斯拉 CyberTruck，將為 48 V 系統(tǒng)的先進(jìn)性樹立標(biāo)桿。隨著越來越多的汽車制造商認(rèn)識到 48 伏系統(tǒng)的好處，他們將被迫在必要技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施上投資，來進(jìn)行系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，否則可能會導(dǎo)致減少市場份額和盈利能力。 

 

/// 04

為什么共享48V架構(gòu) 

 

 特斯拉在向 48 V 過渡的時(shí)候，有兩個(gè)傳統(tǒng)汽車制造商沒有的明顯優(yōu)勢。 

 

 第一是特斯拉在制造汽車的方式上進(jìn)行了不同尋常的垂直整合——特斯拉幾乎所有的汽車系統(tǒng)都是自己設(shè)計(jì)的，即使這些系統(tǒng)可能是從第三方那里采購的。 

 

 第二，特斯拉在決定過渡電氣架構(gòu)時(shí)，沒有很多傳統(tǒng)汽車設(shè)計(jì)可以支持或參考。 特斯拉擁有自己的“秘密”配件團(tuán)隊(duì)，致力于開發(fā)專門針對 48 V 架構(gòu)的產(chǎn)品，如照明、絞車和空氣壓縮機(jī)。而特斯拉的垂直集成、制造能力和公司結(jié)構(gòu)提供了前所未有的靈活性，可以在內(nèi)部設(shè)計(jì)和生產(chǎn)自己的高度集成組件，從而能夠迅速過渡到 48V 系統(tǒng)。

 

 不過，特斯拉在采用 48V 電壓后，需要重新設(shè)計(jì)車輛的整體電氣系統(tǒng)；需要相應(yīng)的充電設(shè)施來支持其充電需求；需要確保車輛在充電、行駛和停車等各個(gè)環(huán)節(jié)的安全性；還需要制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，以確保特斯拉車輛與其他車輛的兼容性和互操作性。

 

 坦率地說，特斯拉共享其 48V 架構(gòu)，并不是出于純粹的利他主義，而是一個(gè)戰(zhàn)略舉措。像當(dāng)年推廣電動汽車一樣，特斯拉是想通過共享技術(shù)把盤子做大，共同推進(jìn)汽車技術(shù)的變革，并在變革中贏得先發(fā)優(yōu)勢。

 

 特斯拉知道，對于傳統(tǒng)汽車制造商來說，過渡到 48 V 系統(tǒng)將非常困難。即使是像福特3這樣強(qiáng)大且資源充足的公司，也無法在一夜之間建成 48 V 零部件供應(yīng)鏈，這種變化將產(chǎn)生非常大量的非經(jīng)常性工程工作。 

 

 特斯拉發(fā)出技術(shù)文檔可以說是一種姿態(tài)，向其他車企表達(dá)這樣的意思:“我們將向你展示我們是如何做這件事的。這件事真的很復(fù)雜和困難，需要數(shù)年時(shí)間才能復(fù)制。你可以模仿我們。” 

 

 而通過公開其 48V 架構(gòu)，讓行業(yè)中更廣泛的企業(yè)轉(zhuǎn)向 48V汽車系統(tǒng)，對于特斯拉也是非常有好處的。 

 

 首先，通過共享 48 V 架構(gòu)，特斯拉有可能像以前的電動汽車專利和充電接口共享一樣，引領(lǐng)技術(shù)的同時(shí)，在制定標(biāo)準(zhǔn)的過程中占據(jù)主導(dǎo)地位，從中獲益。 

 

 其次，促進(jìn)供應(yīng)鏈成本降低。全球車輛供應(yīng)鏈中為 48 V 車輛系統(tǒng)設(shè)計(jì)的組件越多，隨著時(shí)間的推移，通過數(shù)量、競爭性工程和提高可靠性，這些組件的成本將越低。 

 

 再次，促進(jìn)相關(guān)技術(shù)人才的培養(yǎng)。該行業(yè)的工程師和其他熟練工人將圍繞 48 V 系統(tǒng)凝聚他們的工作和知識，減少發(fā)生的冗余工作量，并擴(kuò)展工程師之間的共享知識庫，為進(jìn)一步創(chuàng)新做出貢獻(xiàn)。

 

 對于行業(yè)人士或設(shè)計(jì)車輛系統(tǒng)的工程師來說，很難看到此舉的負(fù)面影響。很明顯，供應(yīng)商生態(tài)系統(tǒng)需要加快向 48 V 的過渡，這種過渡的好處非常巨大。

 

 對于特斯拉而言，轉(zhuǎn)向 48V 系統(tǒng)，不僅為客戶提供優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，還創(chuàng)造了新的收入來源，并加強(qiáng)了特斯拉作為創(chuàng)新和設(shè)計(jì)領(lǐng)導(dǎo)者的品牌形象。 

 

 特斯拉 CyberTruck 讓其他汽車制造商看到了 48V 架構(gòu)的優(yōu)勢，而特斯拉分享的技術(shù)文檔，雖然很難估計(jì)特斯拉分享其 48V 設(shè)計(jì)的決定實(shí)際上會產(chǎn)生多大影響，但肯定會推動整個(gè)汽車行業(yè)轉(zhuǎn)向 48V 低壓系統(tǒng)的進(jìn)程

 

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