Výběr 48V konektorů pro středněnapěťové automobilové architektury

Státní požadavky na snížení emisí CO₂ a poptávka spotřebitelů po elektronice ve vozidlech vedly k přechodu od 12V automobilových systémů k účinnější 48V architektuře. Tyto středněnapěťové architektury nabízejí vyšší výkon a lehčí kabelové svazky za nižší cenu.

Problémem pro konstruktéry je zajistit, aby konektory splňovaly náročné elektrické, bezpečnostní, spolehlivostní a fyzické požadavky 48V systémů a zároveň dostály cenovým a časovým omezením pro uvedení na trh. Řešení spočívá v rozvoji znalostí provozních, regulačních a bezpečnostních požadavků na středněnapěťové automobilové architektury před výběrem z nabídky vhodných dodavatelů.

V tomto článku jsou shrnuty výhody 48V architektur a nastíněny výzvy spojené s výběrem vhodných konektorů. Následně jsou zde uvedena vhodná řešení od společnosti Molex a popsáno, jak lze tato řešení použít v praktických scénářích.

Výhody 48V automobilové architektury

Přechodem na středněnapěťové architektury mohou výrobci automobilů zavádět mild-hybridní systémy, které při brzdění a zpomalování rekuperují energii. Mohou také nasadit vylepšené systémy start-stop, které snižují spotřebu paliva při jízdě ve městě a v dopravních zácpách. Vzhledem k tomu, že vyšší napětí umožňuje k dodání stejného výkonu při nižším proudu použít lehčí vodiče s menším průřezem, 48V systémy kromě toho snižují hmotnost vozidla. Všechny tyto faktory se promítají do významných úspor paliva, zejména u menších vozidel.

Kabelové svazky s vyšším výkonem jsou potřebné také pro přizpůsobení elektrifikaci součástí, jako je posilovač řízení, klimatizace, a zavádění pokročilých asistenčních systémů řidiče („advanced driver assistance systems“, ADAS), jako je adaptivní tempomat a asistent pro jízdu v jízdním pruhu. Přechod na 48V architekturu splňuje tuto potřebu bez nákladů a složitostí spojených s vysokonapěťovými systémy (tj. 400V a vícevoltovými) používanými v plně hybridních elektromobilech („hybrid electric vehicles“, HEV) a bateriových elektromobilech („battery electric vehicles“, BEV).

48V architektura slouží také jako most k větší elektrifikaci vozidel, což umožňuje postupnou integraci hybridních technologií bez kompletní přestavby elektrické instalace. Tyto středněnapěťové systémy zůstanou cenné i v plně elektrických vozidlech, jak dokazuje jejich začlenění do konstrukcí, jako je například Cybertruck.

Aspekty týkající se ceny 48V konektorů

Na otázku, jaký systém elektrického připojení by měl být pro 48V architektury použit, lze zodpovědět pohledem na technické problémy vyplývající z vyššího napětí.

Zavedení vysokonapěťových konektorů vyvinutých pro použití v elektrických a hybridních vozidlech je technicky proveditelné, ale vzhledem k nákladům a velikosti pouzder se nedoporučuje. Naproti tomu přizpůsobení 12V konektorů pro středněnapěťové architektury je atraktivní cenou i velikostí.

Stojí za zmínku, že ne všechny systémy vozidel budou přecházet na 48V napětí. Některá menší zařízení, která spotřebovávají méně energie, zůstanou na 12 V. Proto je užitečné mít pro 12V a 48V systémy konzistentní konektory, aby se zjednodušilo nářadí a školení techniků.

Příkladem těchto konstrukčních zásad je systém středněnapěťových konektorů MX150 (obrázek 1) společnosti Molex. Tyto konektory mají stejný tvarový faktor jako nízkonapěťové konektory MX150 osvědčené v provozu. Použitím stejné velikosti pouzdra a konstrukce krytu jako u 12V systému konektorů poskytují středněnapěťové konektory MX150 přímý upgrade na 48V architekturu zapojení s minimálními nároky na konstrukci.

Obrázek 1: Konektory systému středněnapěťových konektorů MX150 mají stejný tvarový faktor jako nízkonapěťové konektory MX150 osvědčené v provozu. (Zdroj obrázku: společnost Molex)

Systém středněnapěťových konektorů MX150 zahrnuje v současnosti pět různých konfigurací, jak je podrobně uvedeno v tabulce 1. Patří mezi ně dvouřadé nožové konektory 33482 a odpovídající dvouřadé zásuvky 300361, stejně jako jednořadé modely 300363.

Tabulka 1: Klíčové specifikace systému středněnapěťových konektorů MX150. (Zdroj tabulky: společnost Molex, upraveno Kentonem Willistonem)

Aspekty týkající se bezpečnosti 48V konektorů

Ačkoli je 12 V dobrým výchozím bodem pro středněnapěťové konektory, problémy přechodu na 48 V nejsou triviální. Obzvláště znepokojivý je vznik elektrického oblouku.

Ve 12V systémech malé oblouky při přerušení obvodu obvykle rychle zhasnou. Při napětí 48 V však mohou oblouky přetrvávat déle, což může způsobit vážné poškození svorek a krytů. Ke zmírnění tohoto rizika musí být svorky dostatečně rozmístěny, aby splňovaly požadavky na povrchovou cestu a vzdušnou vzdálenost, jak je uvedeno v normě DIN EN 60664-1, která upravuje koordinaci izolace zařízení v nízkonapěťových systémech.

Povrchová cesta představuje nejkratší cestu mezi dvěma vodivými body podél izolačního povrchu, zatímco vzdušná vzdálenost označuje nejkratší vzdušnou cestu mezi vodiči. Tyto specifikace jsou klíčové pro zajištění ochrany až do 60 V, což je horní hranice rozsahu přepětí.

Účinné sekundární zajištění svorek je také nezbytné, aby se zabránilo vytlačení svorek („terminal push out“, TPO), které může způsobit pomalé nebo přerušované odpojování napájení. Taková odpojení mohou iniciovat mikrooblouky, poškodit pokovení nebo narušit základní kov svorky, což vede k vysokému odporu nebo ke svařenému spoji.

Pečlivou pozornost si zaslouží také těsnění konektorů. Vystavení 48V konektoru elektrolytu, jako je slaná voda, může vyvolat agresivní elektrochemickou reakci, větší než u 12V konektoru. K tomu, aby se takovému poškození a zkratům zabránilo, je nezbytné používat konektory, které splňují příslušný stupeň znečištění, obvykle třídu těsnění 2 dle normy USCAR-2 nebo vyšší.

Na obrázku 2 je ukázáno, jak jsou tyto konstrukční principy implementovány v dvouřadé středněnapěťové zásuvce s dvaceti obvody 3003610011. Odpovídající samčí konektor je 0334822423.

Obrázek 2: Systém středněnapěťových konektorů MX150 obsahuje několik funkcí k zajištění bezpečného a spolehlivého připojení. Na obrázku je dvouřadá zásuvka 3003610011 s 20 obvody. (Zdroj obrázku: společnost Molex)

Konektory MX150 jsou předem smontovány s kryty konektorů, těsněními a součástmi pro zajištění polohy svorek („Terminal Position Assurance“, TPA), což zjednodušuje instalaci a údržbu. Mezi klíčové vlastnosti konektoru uvedeného na obrázku 2 patří:

• TPA, které bezpečně uzamkne svorky v jejich pouzdrech a zabrání jejich vysunutí
• Sekundární zajištění polohy konektoru („Connector Position Assurance“, CPA), které zajišťuje bezpečné připojení a zabraňuje náhodnému rozpojení při silných vibracích nebo nárazech
• Integrované těsnění podložky a kroužku, které zajišťuje bezpečnou funkci i při ponoření a eliminuje potřebu samostatných kabelových těsnění
• Krytka průchodky, která zvyšuje ochranu těsnění podložky a zajišťuje správné zarovnání svorek, čímž zachovává integritu spojů

Aspekty týkající se návrhu se smíšeným napětím

V systémech se smíšeným napětím jsou nezbytná zvláštní opatření, aby se zabránilo toku proudu mezi obvody středního a nízkého napětí. Nejúčinnější strategií je použít samostatné konektory pro jednotlivé úrovně napětí, čímž se zabrání integraci obou napětí v rámci jednoho konektoru. Automobilový průmysl navíc pro 48V konektory přijal světle modré barevné značení, aby byly jasně odlišeny od 12V konektorů.

Původ tohoto barevného značení sahá k elektrickým vysokozdvižným vozíkům, které používají baterie s různým napětím již dlouho. Pro barvy byly stanoveny směrnice, aby se zabránilo chybám, což v různých průmyslových odvětvích vedlo k širokému přijetí modré barvy pro 48V konektory.

Tento systém funguje společně se zavedeným používáním oranžových konektorů a kabeláže, které označují vysokonapěťové systémy. Toto barevné značení jasně označuje součásti, které vyžadují zvláštní bezpečnostní opatření, a zajišťuje, že se s nimi nebude manipulovat bez příslušného bezpečnostního školení a osobních ochranných prostředků (OOP).

Aspekty týkající se výroby a provozuschopnosti

Riziko vzniku elektrického oblouku u středněnapěťových konektorů vyžaduje, aby byly navrženy tak, aby se daly spolehlivě vyrábět a servisovat. Tento požadavek řeší norma USCAR-21, která stanovuje zkušební metody a kritéria pro elektrické krimpování kabelů a svorek v automobilových aplikacích.

Klíčovým aspektem normy USCAR-21 je zkouška tahem, která zahrnuje aplikaci konzistentní rychlosti tahu na krimpovaný spoj, aby bylo možné posoudit jeho pevnost v tahu. Tato zkouška zajišťuje, že krimpování vydrží mechanické namáhání, kterému bude spoj během své životnosti čelit. Specifikace také zdůrazňuje nutnost použití přesných nástrojů a nastavení procesu během krimpování.

Kromě toho je vhodné hledat konektory certifikované podle GMW3191, komplexního standardu formulovaného společností General Motors. V této normě jsou popsány požadavky na zkoušky a ověřování elektrických konektorů pro automobilový průmysl, čímž se potvrzuje jejich spolehlivost a životnost v náročných podmínkách.

Aspekty týkající se montáže a servisu konektorů MX150 společnosti Molex

K dokončení sestavy konektoru musí být nejprve zakončena kabeláž. Například u sestavy samčího konektoru MX150 musí být kabelový svazek zakončen do nože 330000001. Podobně musí být kabeláž pro zásuvku zakončena do kontaktu pravoúhlého konektoru řady 33001 nebo 33012.

V obou případech musí být zakončené vodiče zasunuty do konektoru, dokud se nezajistí. Pokud musí být pozice obvodu ponechána prázdná, měla by být mezera na samčí straně vyplněna zástrčkou s dutinkou 343450001.

Jako pomůcku pro tento proces zakončování nabízí společnost Molex ruční krimpovací nástroj 0638115900 (obrázek 3). Toto zařízení zajišťuje bezpečné spojení mezi vodičem a nožem nebo pravoúhlým kontaktem.

Obrázek 3: Ruční krimpovací nástroj 0638115900 zajišťuje bezpečné spojení mezi vodičem a nožem nebo pravoúhlým kontaktem. (Zdroj obrázku: společnost Molex)

K dispozici je také specializované vybavení pro servis konektoru. Extrakční nástroj 0638131500 (obrázek 4) umožňuje technikům vyjmout vodiče z konektoru, aniž by narušili zbytek sestavy.

Obrázek 4: Extrakční nástroj 0638131500 umožňuje vyjmout z konektoru jakýkoli vodič, aniž by byl narušen zbytek sestavy. (Zdroj obrázku: společnost Molex)

Závěr

Při přechodu na středněnapěťovou architekturu mohou výrobci automobilů a jejich dodavatelé těžit z používání součástek založených na nízkonapěťové technologii. Přechod na 48 V přináší nové problémy týkající se bezpečnosti a spolehlivosti, ale tyto obavy lze snadno vyřešit pečlivým dodržováním norem a výběrem konektorového systému obsahujícího robustní zajišťovací a těsnicí mechanismy. Při výběru 48V konektorového systému je vhodné vyhledat dodavatele s komplexním portfoliem, ověřenými zkušenostmi a souvisejícím nástrojovým vybavením.