Cum să selectați conectori de 48 V pentru arhitecturi auto de tensiune medie

Mandatele guvernamentale pentru reducerea emisiilor de CO₂ și cererea consumatorilor de electronice pentru vehicule au dus la o tranziție de la sistemele auto de 12 V la arhitecturi mai eficiente de 48 V. Aceste arhitecturi de tensiune medie oferă o putere mai mare și cablaje mai ușoare, cu costuri reduse.

Proiectanții trebuie să se asigure că proiectează conectori care îndeplinesc cerințele electrice, de siguranță, de fiabilitate și fizice exigente ale sistemelor de 48 V, respectând în același timp constrângerile legate de cost și de timpul de lansare pe piață. Soluția constă în dezvoltarea unei înțelegeri a cerințelor operaționale, de reglementare și de siguranță ale arhitecturilor auto de tensiune medie înainte de a alege piese din gama unui furnizor adecvat.

Acest articol analizează avantajele arhitecturilor de 48 V și prezintă provocările legate de selectarea conectorilor adecvați. Apoi, prezintă soluții adecvate de la Molex și descrie modul în care aceste soluții pot fi aplicate în scenarii practice.

Beneficiile arhitecturilor auto de 48 V

Producătorii de automobile pot implementa sisteme hibride medii care recuperează energia în timpul frânării și al mersului în marșarier prin trecerea la arhitecturi de tensiune medie. De asemenea, pot implementa sisteme start-stop îmbunătățite care reduc consumul de combustibil în timpul condusului urban și în ambuteiaje. În plus, deoarece tensiunea mai mare permite utilizarea unor cabluri mai ușoare, de calibru mai mic, pentru a furniza aceeași putere la un curent mai mic, sistemele de 48 V reduc greutatea vehiculului. Toți acești factori se traduc prin economii semnificative de combustibil, în special în cazul vehiculelor mai mici.

De asemenea, sunt necesare cablaje de putere mai mare pentru a permite electrificarea unor componente precum servodirecția, aerul condiționat și adoptarea sistemelor avansate de asistență a șoferului (ADAS), cum ar fi controlul adaptiv al vitezei de croazieră și asistența la menținerea benzii de circulație. Trecerea la o arhitectură de 48 V satisface această nevoie fără costurile și complexitățile asociate cu sistemele de înaltă tensiune (de exemplu, 400 V și peste) utilizate în vehiculele electrice hibride complete (HEV) și în vehiculele electrice cu baterie (BEV).

De asemenea, arhitectura de 48 V funcționează ca o punte către o mai mare electrificare a vehiculelor, permițând integrarea treptată a tehnologiilor hibride fără o revizuire electrică completă. Aceste sisteme de tensiune medie vor rămâne valoroase chiar și în cazul vehiculelor complet electrice, după cum o demonstrează încorporarea lor în modele precum Cybertruck.

Considerente privind costurile pentru conectori de 48 V

Pentru a afla ce sistem de conectare electrică ar trebui utilizat pentru arhitecturile de 48 V, trebuie analizate provocările tehnice generate de creșterea tensiunii.

Adoptarea conectorilor de înaltă tensiune dezvoltați pentru vehiculele electrice și hibride este fezabilă din punct de vedere tehnic, dar nu este recomandată din cauza costurilor și spațiului ocupat de capsulă. În schimb, adaptarea conectorilor de 12 V pentru arhitecturile de tensiune medie reprezintă o propunere atractivă din punctul de vedere al costurilor și al dimensiunilor.

Merită remarcat faptul că nu toate sistemele vehiculelor vor trece la 48 V. Unele dispozitive mai mici care consumă mai puțină energie vor rămâne la 12 V. Prin urmare, este util să existe conectori consecvenți pentru sistemele de 12 V și 48 V pentru a simplifica instrumentele necesare și formarea tehnicienilor.

Sistemul de conectori de tensiune medie MX150 de la Molex (Figura 1) exemplifică aceste principii de proiectare. Acești conectori își împart factorii de formă cu conectorii MX150 de joasă tensiune, dovediți pe teren. Utilizând aceeași dimensiune a capsulei și același design al carcasei ca și sistemul de conectori de 12 V, conectorii de tensiune medie MX150 oferă un upgrade direct la arhitectura de cablare de 48 V cu o inginerie de proiectare minimă.

Figura 1: Conectorii din sistemul de conectori de tensiune medie MX150 au același factor de formă ca și conectorii MX150 de tensiune joasă, testați pe teren. (Sursă imagine: Molex)

Sistemul de conectori de tensiune medie MX150 cuprinde în prezent cinci configurații diferite, după cum se detaliază în Tabelul 1. Acestea includ conectorii tip lamă cu două rânduri 33482 și soclurile corespunzătoare cu două rânduri 300361, precum și cele cu un singur rând 300363.

Tabelul 1: Principalele specificații ale sistemului de conectori de tensiune medie MX150. (Sursa tabelului: Molex, modificat de Kenton Williston)

Considerente de siguranță pentru conectorii de 48 V

Deși 12 V este un punct de plecare bun pentru conectorii de tensiune medie, provocările legate de trecerea la 48 V nu sunt simple. Arcul electric este deosebit de îngrijorător.

În sistemele de 12 V, arcurile electrice mici se sting rapid atunci când circuitele sunt întrerupte. Cu toate acestea, la 48 V, arcul poate persista mai mult, putând provoca deteriorări grave ale terminalelor și carcaselor. Pentru a reduce acest risc, terminalele trebuie să fie distanțate corect pentru a îndeplini cerințele privind linia de fugă și spațiul liber, așa cum sunt descrise în DIN EN 60664-1, care reglementează coordonarea izolației pentru echipamentele din cadrul sistemelor de joasă tensiune.

Linia de fugă se referă la calea cea mai scurtă între două puncte conductoare de-a lungul unei suprafețe izolante, în timp ce spațiul liber reprezintă calea cea mai scurtă în aer între conductori. Aceste specificații sunt esențiale pentru a asigura protecția până la 60 V, limita superioară a domeniului de supratensiune.

Blocarea secundară eficientă a terminalelor este, de asemenea, esențială pentru a preveni „împingerea” terminalelor (TPO), care poate cauza deconectări lente sau intermitente ale alimentării. Astfel de deconectări pot declanșa micro-arcuri electrice, deteriorând placarea sau compromițând metalul de bază al terminalului, conducând la o rezistență ridicată sau la o conexiune sudată.

De asemenea, etanșarea conectorului merită o atenție deosebită. Expunerea unui conector de 48 V la un electrolit precum apa sărată poate declanșa o reacție electrochimică agresivă, mai mult decât la 12 V. Pentru a preveni astfel de deteriorări și scurtcircuite, este esențial să utilizați conectori care îndeplinesc gradul corespunzător de poluare, de obicei USCAR-2 Clasa de etanșare 2 sau mai mare.

Figura 2 ilustrează modul în care aceste principii de proiectare sunt implementate în 3003610011, un soclu mamă cu două rânduri, de tensiune medie, cu douăzeci de circuite. Conectorul tată corespunzător este 0334822423.

Figura 2: Sistemul de conectori de tensiune medie MX150 încorporează mai multe caracteristici pentru a oferi o conexiune sigură și fiabilă. Este prezentat soclul mamă cu două rânduri 3003610011 cu 20 de circuite. (Sursă imagine: Molex)

Conectorii MX150 sunt pre-asamblați cu carcasele, garniturile și componentele pentru asigurarea poziției terminalelor (TPA) conectorilor deja fixate, simplificând instalarea și întreținerea. Caracteristicile principale ale conectorului ilustrat în Figura 2 includ:

• Un sistem TPA care blochează ferm terminalele în carcasele lor, împiedicând deplasarea
• O blocare secundară de asigurare a poziției conectorului (CPA) care oferă o conexiune sigură și previne decuplarea accidentală în condiții de vibrații sau șocuri puternice
• Garnituri de etanșare integrate tip bloc și inelar care asigură performanțe sigure chiar și atunci când sunt scufundate, eliminând nevoia de garnituri individuale pentru cabluri
• Un capac cu garnitură care îmbunătățește protecția blocului de etanșare și asigură alinierea corectă a terminalelor, menținând integritatea conexiunilor

Considerente privind proiectarea cu tensiune mixtă

În sistemele de tensiune mixtă este esențial să se ia măsuri speciale de precauție pentru a preveni trecerea curentului între circuitele de tensiune medie și cele de joasă tensiune. Cea mai eficientă strategie este de a utiliza conectori separați pentru fiecare nivel de tensiune, evitând integrarea ambelor tensiuni în același conector. În plus, industria auto a adoptat un cod de culoare albastru deschis pentru conectorii de 48 V pentru a-i diferenția clar de conectorii de 12 V.

Originea acestui cod de culoare datează de la stivuitoarele electrice, care au folosit mult timp baterii de diferite tensiuni. S-au stabilit linii directoare privind culorile pentru prevenirea erorilor, ceea ce a condus la adoptarea pe scară largă a culorii albastre pentru conectorii de 48 V în diverse industrii.

Acest sistem funcționează în tandem cu utilizarea consacrată a conectorilor și cablurilor portocalii, care semnifică sisteme de înaltă tensiune. Acest cod de culoare indică în mod clar componentele care necesită precauții de siguranță specifice, asigurându-se că acestea nu sunt manipulate fără instruirea corespunzătoare în materie de siguranță și echipament de protecție individuală (EIP).

Considerente privind fabricarea și capacitatea de serviciu

Riscul de arc electric în conectorii de tensiune medie necesită ca aceștia să fie proiectați pentru fabricație și service fiabile. Această cerință este abordată de USCAR-21, care stipulează metodele și criteriile de testare pentru sertizările electrice de la cablu la terminal în aplicații auto.

Un aspect cheie al USCAR-21 este testarea prin tracțiune, care implică aplicarea unei rate de tracțiune constante la o conexiune sertizată pentru a evalua rezistența acesteia la tracțiune. Această testare garantează că sertizarea poate suporta solicitările mecanice cu care se va confrunta pe parcursul duratei sale de viață. De asemenea, specificația subliniază necesitatea de a utiliza setări precise pentru unelte și proces în timpul sertizării.

În plus, este recomandabil să căutați conectori certificați GMW3191, un standard cuprinzător formulat de General Motors. Acest standard prezintă cerințele de testare și validare pentru conectorii electrici auto, confirmând fiabilitatea și durabilitatea acestora în condiții solicitante.

Considerente privind asamblarea și întreținerea Molex MX150

Pentru a finaliza un ansamblu de conectori, cablurile trebuie mai întâi terminate. În cazul ansamblului de conectori tată MX150, de exemplu, cablajul trebuie să fie terminat într-o lamă 330000001. În mod similar, cablajul trebuie să fie terminat într-un contact de conector dreptunghiular din seria 33001 sau 33012 pentru soclul mamă.

În ambele cazuri, firele terminate trebuie să fie împinse în conector până când sunt fixate. Dacă o poziție de circuit trebuie lăsată goală, spațiul trebuie umplut pe partea tată cu dopul de orificii 343450001.

Pentru a ajuta în acest proces de terminare, Molex oferă instrumentul de sertizare manuală 0638115900 (Figura 3). Acest dispozitiv oferă o conexiune sigură între fir și contactul lamă sau dreptunghiular.

Figura 3: Instrumentul manual de sertizare 0638115900 asigură o conexiune fermă între fir și contactul tip lamă sau dreptunghiular. (Sursă imagine: Molex)

De asemenea, este disponibil echipament specializat pentru întreținerea unui conector. Instrumentul de extragere 0638131500 (Figura 4) permite tehnicienilor să îndepărteze firele de pe un conector fără a deranja restul ansamblului.

Figura 4: Instrumentul de extragere 0638131500 permite îndepărtarea oricărui fir dintr-un conector fără a deranja restul ansamblului. (Sursă imagine: Molex)

Concluzie

La trecerea către o arhitectură de tensiune medie, producătorii de automobile și furnizorii acestora pot beneficia de utilizarea componentelor bazate pe tehnologia de joasă tensiune. Trecerea la 48 V vine cu noi probleme legate de siguranță și fiabilitate, dar aceste probleme pot fi rezolvate cu ușurință prin acordarea unei atenții deosebite standardelor și prin alegerea unui sistem de conectori care încorporează mecanisme robuste de blocare și etanșare. Atunci când selectați un sistem de conectori de 48 V, este recomandabil să căutați un furnizor care are un portofoliu cuprinzător, experiență dovedită și instrumente asociate.