48 V 低壓系統設計

 

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低壓系統的發展

 

 1918 年開始，第一批大規模生產的汽車使用 6V架構。到了 1950 年代，美國的大排量發動機讓 6V 電壓系統無法滿足用電需要，因此汽車企業開始串聯兩個 6V 電池，形成12V低壓系統架構。

 

 到 20 世紀 60 年代末，幾乎所有汽車都使用 12V 電壓系統，電動車窗、室內照明、點煙器、剎車燈、點火火花、電池等電氣系統和組件，都圍繞 12V 通用電壓標準進行了統一。近 60 年來，這種情況并沒有太大變化。 

 

 在傳統的 12V 系統中，汽車的空調、駕駛輔助系統和信息娛樂系統等控制單元的每個組件都需要一套單獨的電線供電。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雜而低效，越來越不適應電氣化和智能化的發展。 

 

 而擁有強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和計算系統，自動輔助駕駛執行部件，線控轉向和線控制動、4G/5G 信息的高速傳輸等等，都對電力供應提出了更高的要求。 

 

 2011 年，奧迪、寶馬、戴姆勒、保時捷和大眾聯合推出了 48V 系統，以滿足日益增長的車載負載需求，以及更嚴格的排放法規。 

 

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

 

 

/// 02

48 V 系統有什么優勢 

 

 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熱問題，相比 12V 系統有著明顯的優勢。 

 

 首先，48V 系統能夠提供更高的電力負載，使汽車能夠實現更多的、更耗電的功能。在相同電流條件下，48V 系統能比 12V 系統輸出更高功率；而在相同輸出功率情況下，48V系統則能實現更低電流，進而降低功率損耗。 

 

 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 設計變電模塊，實現自由選擇 12V 或 5V 電壓。 

 

 其次，與傳統系統相比，48 V 系統工作效率更高，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，可以節省成本，同時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，減少電流還意味著可以節省大量銅材料。CyberTruck 使用48 V 架構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，每年能為特斯拉節省大約 100 億美元的成本。 

 

 第四，48 V 系統可以使整車結構變得更加簡潔。比如特斯拉 CyberTruck 用高速數據總線（以太網）替代了 CAN 總線，可以用菊花鏈式方式，連接遺留系統中需要點對點布線運行的大多數組件。 

 

 可以說，轉向 48 伏電氣架構，意味著汽車行業的游戲規則發生了改變。 

 

/// 03

48V架構面臨的挑戰 

 

 雖然 48 V 系統擁有諸多優勢，但它也帶來了新的挑戰。 

 

 首先，復雜性和安全性問題是亟需解決的關鍵問題。一旦系統出現故障或安全漏洞，可能導致嚴重的后果。 

 

 其次，傳統制造商對于采用新系統的擔憂，也是制約其發展的因素之一。特斯拉的 48 V 低壓系統，可能不會立即用在任何其他汽車制造商的產品中，整個行業可能需要很長時間的過渡，才能實現 48 V 架構的更新。 

 

 第三，供應商生態系統面臨重新洗牌。系統電壓達到 48 V，意味著需要開發和制造以更高電壓運行的新組件。這意味著汽車的供應鏈生態將重新洗牌，將導致汽車制造商布線、配件和電氣工程方式的逐步改變。 

 

 如果汽車制造商決定轉向48 V架構，那么它制造所有汽車都必須使用適配 48 V 系統的配件。但是，供應商在沒有足夠需求的情況下，是沒有動力制造此類配件的。因為如果產量相對較小，這些 48 V 零件的單位成本可能大大高于其 12 V 產品。

 

 因此，依賴第三方供應商的傳統汽車制造商在推行 48 伏系統方面進展緩慢。許多汽車制造商將被迫在整個車輛陣容中緩慢向 48 V 系統過渡。 

 

 特斯拉 CyberTruck，將為 48 V 系統的先進性樹立標桿。隨著越來越多的汽車制造商認識到 48 伏系統的好處，他們將被迫在必要技術和基礎設施上投資，來進行系統轉換，否則可能會導致減少市場份額和盈利能力。 

 

/// 04

為什么共享48V架構 

 

 特斯拉在向 48 V 過渡的時候，有兩個傳統汽車制造商沒有的明顯優勢。 

 

 第一是特斯拉在制造汽車的方式上進行了不同尋常的垂直整合——特斯拉幾乎所有的汽車系統都是自己設計的，即使這些系統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時，沒有很多傳統汽車設計可以支持或參考。 特斯拉擁有自己的“秘密”配件團隊，致力于開發專門針對 48 V 架構的產品，如照明、絞車和空氣壓縮機。而特斯拉的垂直集成、制造能力和公司結構提供了前所未有的靈活性，可以在內部設計和生產自己的高度集成組件，從而能夠迅速過渡到 48V 系統。

 

 不過，特斯拉在采用 48V 電壓后，需要重新設計車輛的整體電氣系統；需要相應的充電設施來支持其充電需求；需要確保車輛在充電、行駛和停車等各個環節的安全性；還需要制定相應的標準和規范，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，并不是出于純粹的利他主義，而是一個戰略舉措。像當年推廣電動汽車一樣，特斯拉是想通過共享技術把盤子做大，共同推進汽車技術的變革，并在變革中贏得先發優勢。

 

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

 

 特斯拉發出技術文檔可以說是一種姿態，向其他車企表達這樣的意思:“我們將向你展示我們是如何做這件事的。這件事真的很復雜和困難，需要數年時間才能復制。你可以模仿我們。” 

 

 而通過公開其 48V 架構，讓行業中更廣泛的企業轉向 48V汽車系統，對于特斯拉也是非常有好處的。 

 

 首先，通過共享 48 V 架構，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，引領技術的同時，在制定標準的過程中占據主導地位，從中獲益。 

 

 其次，促進供應鏈成本降低。全球車輛供應鏈中為 48 V 車輛系統設計的組件越多，隨著時間的推移，通過數量、競爭性工程和提高可靠性，這些組件的成本將越低。 

 

 再次，促進相關技術人才的培養。該行業的工程師和其他熟練工人將圍繞 48 V 系統凝聚他們的工作和知識，減少發生的冗余工作量，并擴展工程師之間的共享知識庫，為進一步創新做出貢獻。

 

 對于行業人士或設計車輛系統的工程師來說，很難看到此舉的負面影響。很明顯，供應商生態系統需要加快向 48 V 的過渡，這種過渡的好處非常巨大。

 

 對于特斯拉而言，轉向 48V 系統，不僅為客戶提供優質產品，還創造了新的收入來源，并加強了特斯拉作為創新和設計領導者的品牌形象。 

 

 特斯拉 CyberTruck 讓其他汽車制造商看到了 48V 架構的優勢，而特斯拉分享的技術文檔，雖然很難估計特斯拉分享其 48V 設計的決定實際上會產生多大影響，但肯定會推動整個汽車行業轉向 48V 低壓系統的進程

 

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