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汽车的48V低压系统设计

2023-12-15 10:12:25

48 V 低压系统设计

 

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低压系统的发展

 

 1918 年开始,第一批大规模生产的汽车使用 6V架构。到了 1950 年代,美国的大排量发动机让 6V 电压系统无法满足用电需要,因此汽车企业开始串联两个 6V 电池,形成12V低压系统架构。

 

 到 20 世纪 60 年代末,几乎所有汽车都使用 12V 电压系统,电动车窗、室内照明、点烟器、刹车灯、点火火花、电池等电气系统和组件,都围绕 12V 通用电压标准进行了统一。近 60 年来,这种情况并没有太大变化。 

 

 在传统的 12V 系统中,汽车的空调、驾驶辅助系统和信息娱乐系统等控制单元的每个组件都需要一套单独的电线供电。随着汽车集成了越来越多的电气组件,车辆布线变得越来越复杂而低效,越来越不适应电气化和智能化的发展。 

 

 而拥有强大自动驾驶功能的智能电动汽车,比如自动辅助驾驶感知系统和计算系统,自动辅助驾驶执行部件,线控转向和线控制动、4G/5G 信息的高速传输等等,都对电力供应提出了更高的要求。 

 

 2011 年,奥迪、宝马、戴姆勒、保时捷和大众联合推出了 48V 系统,以满足日益增长的车载负载需求,以及更严格的排放法规。 

 

 以德国车企为主的 48V 系统推动者,一方面通过 DC/DC 转换器,将 48 V 系统集成在原有 12V 系统上;同时推出了利用 DC/DC 转换装置,将来自动力电池的高压电转化 12V和 48V 的两种电压,分别驱动不同的元件。虽然这些只是对 12V 系统的改进,但采用更高电压的电气系统,缓解在 12V 架构面临的巨大挑战,一直是汽车制造商的努力方向。而 Cybertruck 是特斯拉首款在整个车辆中使用 48V 电气系统的电动汽车。

 

 

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48 V 系统有什么优势 

 

 车载用电器的功率越来越大,如果不提高电压,就只有增大电流了,但增大电流会让电路的发热量剧增,线缆横截面也增大变粗,带来车身重量和耗电量大增,从而减少续航里程。将电压提高至 48V 以上,它既能保证车用电器所需的高功率,又可以减少电路上的能量损耗及发热问题,相比 12V 系统有着明显的优势。 

 

 首先,48V 系统能够提供更高的电力负载,使汽车能够实现更多的、更耗电的功能。在相同电流条件下,48V 系统能比 12V 系统输出更高功率;而在相同输出功率情况下,48V系统则能实现更低电流,进而降低功率损耗。 

 

 特斯拉在 CyberTruck 上取消了 12V 电池,仅保留 48V 电池,提高工作电压以降低电流;而且特斯拉在 ECU 设计变电模块,实现自由选择 12V 或 5V 电压。 

 

 其次,与传统系统相比,48 V 系统工作效率更高,降低了功率损耗,耐用性和安全性更好。CyberTruck 的 48 V 系统能够让电压提高 4 倍,所需电流减少到原来的 1/4,因此损失的能量更少,线束产生的热量也会降低,可以增加线束的使用寿命和安全性,而且允许电气组件响应更快。 

 

 第三,更低的电流意味着更轻的线缆,减少了线缆的尺寸和重量,可以节省成本,同时拥有更大的驾乘空间,装备更多的电池。

 

 由于电流与铜材料成本相关,减少电流还意味着可以节省大量铜材料。CyberTruck 使用48 V 架构帮助特斯拉将布线减少了 77%,铜需求减少了 50%。从而降低整体重量和更高的效率收益,每年能为特斯拉节省大约 100 亿美元的成本。 

 

 第四,48 V 系统可以使整车结构变得更加简洁。比如特斯拉 CyberTruck 用高速数据总线(以太网)替代了 CAN 总线,可以用菊花链式方式,连接遗留系统中需要点对点布线运行的大多数组件。 

 

 可以说,转向 48 伏电气架构,意味着汽车行业的游戏规则发生了改变。 

 

 

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48V架构面临的挑战 

 

 虽然 48 V 系统拥有诸多优势,但它也带来了新的挑战。 

 

 首先,复杂性和安全性问题是亟需解决的关键问题。一旦系统出现故障或安全漏洞,可能导致严重的后果。 

 

 其次,传统制造商对于采用新系统的担忧,也是制约其发展的因素之一。特斯拉的 48 V 低压系统,可能不会立即用在任何其他汽车制造商的产品中,整个行业可能需要很长时间的过渡,才能实现 48 V 架构的更新。 

 

 第三,供应商生态系统面临重新洗牌。系统电压达到 48 V,意味着需要开发和制造以更高电压运行的新组件。这意味着汽车的供应链生态将重新洗牌,将导致汽车制造商布线、配件和电气工程方式的逐步改变。 

 

 如果汽车制造商决定转向48 V架构,那么它制造所有汽车都必须使用适配 48 V 系统的配件。但是,供应商在没有足够需求的情况下,是没有动力制造此类配件的。因为如果产量相对较小,这些 48 V 零件的单位成本可能大大高于其 12 V 产品。

 

 因此,依赖第三方供应商的传统汽车制造商在推行 48 伏系统方面进展缓慢。许多汽车制造商将被迫在整个车辆阵容中缓慢向 48 V 系统过渡。 

 

 特斯拉 CyberTruck,将为 48 V 系统的先进性树立标杆。随着越来越多的汽车制造商认识到 48 伏系统的好处,他们将被迫在必要技术和基础设施上投资,来进行系统转换,否则可能会导致减少市场份额和盈利能力。 

 

 

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为什么共享48V架构 

 

 特斯拉在向 48 V 过渡的时候,有两个传统汽车制造商没有的明显优势。 

 

 第一是特斯拉在制造汽车的方式上进行了不同寻常的垂直整合——特斯拉几乎所有的汽车系统都是自己设计的,即使这些系统可能是从第三方那里采购的。 

 

 第二,特斯拉在决定过渡电气架构时,没有很多传统汽车设计可以支持或参考。 特斯拉拥有自己的“秘密”配件团队,致力于开发专门针对 48 V 架构的产品,如照明、绞车和空气压缩机。而特斯拉的垂直集成、制造能力和公司结构提供了前所未有的灵活性,可以在内部设计和生产自己的高度集成组件,从而能够迅速过渡到 48V 系统。

 

 不过,特斯拉在采用 48V 电压后,需要重新设计车辆的整体电气系统;需要相应的充电设施来支持其充电需求;需要确保车辆在充电、行驶和停车等各个环节的安全性;还需要制定相应的标准和规范,以确保特斯拉车辆与其他车辆的兼容性和互操作性。

 

 坦率地说,特斯拉共享其 48V 架构,并不是出于纯粹的利他主义,而是一个战略举措。像当年推广电动汽车一样,特斯拉是想通过共享技术把盘子做大,共同推进汽车技术的变革,并在变革中赢得先发优势。

 

 特斯拉知道,对于传统汽车制造商来说,过渡到 48 V 系统将非常困难。即使是像福特3这样强大且资源充足的公司,也无法在一夜之间建成 48 V 零部件供应链,这种变化将产生非常大量的非经常性工程工作。 

 

 特斯拉发出技术文档可以说是一种姿态,向其他车企表达这样的意思:“我们将向你展示我们是如何做这件事的。这件事真的很复杂和困难,需要数年时间才能复制。你可以模仿我们。” 

 

 而通过公开其 48V 架构,让行业中更广泛的企业转向 48V汽车系统,对于特斯拉也是非常有好处的。 

 

 

 首先,通过共享 48 V 架构,特斯拉有可能像以前的电动汽车专利和充电接口共享一样,引领技术的同时,在制定标准的过程中占据主导地位,从中获益。 

 

 其次,促进供应链成本降低。全球车辆供应链中为 48 V 车辆系统设计的组件越多,随着时间的推移,通过数量、竞争性工程和提高可靠性,这些组件的成本将越低。 

 

 再次,促进相关技术人才的培养。该行业的工程师和其他熟练工人将围绕 48 V 系统凝聚他们的工作和知识,减少发生的冗余工作量,并扩展工程师之间的共享知识库,为进一步创新做出贡献。

 

 对于行业人士或设计车辆系统的工程师来说,很难看到此举的负面影响。很明显,供应商生态系统需要加快向 48 V 的过渡,这种过渡的好处非常巨大。

 

 对于特斯拉而言,转向 48V 系统,不仅为客户提供优质产品,还创造了新的收入来源,并加强了特斯拉作为创新和设计领导者的品牌形象。 

 

 特斯拉 CyberTruck 让其他汽车制造商看到了 48V 架构的优势,而特斯拉分享的技术文档,虽然很难估计特斯拉分享其 48V 设计的决定实际上会产生多大影响,但肯定会推动整个汽车行业转向 48V 低压系统的进程

 

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