Directivele guvernamentale privind reducerea emisiilor de CO2 și pretențiile consumatorilor în ceea ce privește electronica auto au dus la o tranziție de la sistemele auto de 12 V la arhitecturi mai eficiente de 48 V. Aceste arhitecturi de medie tensiune oferă o putere mai mare și o cablare mai ușoară și mai ieftină.
Proiectanții trebuie să verifice dacă conectorii îndeplinesc cerințele electrice, de siguranță, de fiabilitate și de ordin fizic ale sistemelor de 48 V, respectând în același timp constrângerile legate de costuri și de termenul de lansare pe piață. Răspunsul se găsește în înțelegerea cerințelor operaționale, de conformitate și de siguranță ale arhitecturilor auto de voltaj mediu înainte de a opta pentru un furnizor potrivit.
Acest articol trece în revistă avantajele arhitecturilor de 48 V și subliniază provocările asociate procesului de selectare a conectorilor corespunzători. Apoi sunt prezentate cele mai potrivite soluții de la Molex și se descrie modul în care acestea pot fi aplicate în scenarii practice.
Avantajele arhitecturilor auto de 48 V
Producătorii de automobile pot implementa sisteme hibride ușoare, care recuperează energia în timpul frânării și al mersului în marșarier prin trecerea la arhitecturi de voltaj mediu. De asemenea, aceștia pot implementa sisteme start-stop îmbunătățite care reduc consumul de combustibil în timpul condusului urban și în blocajele din trafic. În plus, deoarece tensiunea mai mare permite utilizarea de 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.
Cablurile de putere mai mare sunt, de asemenea, necesare 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 răspunde acestei nevoi fără costurile și complexitățile asociate sistemelor de înaltă tensiune (de exemplu, 400 V și peste) utilizate în vehiculele electrice hibride (HEV – Hybrid Electric Vehicle) și în vehiculele electrice alimentate exclusiv de la baterie (BEV – Battery Electric Vehicle).
Arhitectura de 48 V servește, de asemenea, drept punte către o mai mare electrificare a vehiculelor, permițând integrarea treptată a tehnologiilor hibride fără o restructurare electrică completă. Aceste sisteme de medie tensiune vor rămâne valoroase chiar și în cazul vehiculelor complet electrice, după cum o demonstrează încorporarea lor în modele precum Cybertruck.
Considerații privind costurile conectorilor pentru tensiunea de 48 V
La întrebarea ce sistem de conectare electrică ar trebui utilizat pentru arhitecturile de 48 V se poate răspunde analizând provocările tehnice generate de creșterea tensiunii.
Figura 1: Conectorii MX150 de medie tensiune își împart factorii de formă cu conectorii MX150 de joasă tensiune testați în practică. (Sursa imaginii: Molex)
Adoptarea conectorilor de înaltă tensiune dezvoltați pentru vehiculele electrice și hibride este fezabilă din punct de vedere tehnic, dar nu este recomandabilă din rațiuni de cost și de spațiu. În schimb, adaptarea conectorilor de 12 V pentru arhitecturile de tensiune medie este o propunere atractivă din punct de vedere al costurilor și dimensiunilor.
Este important de remarcat că nu toate sistemele vehiculelor vor trece la 48 V. Dispozitivele mai mici care consumă mai puțină energie vor rămâne la 12 V. Prin urmare, este util să existe conectori similari pentru sistemele de 12 V și 48 V pentru a simplifica atât dotarea cu uneltele necesare, cât și formarea tehnicienilor.
Sistemul de conectori MX150 de tensiune medie de la Molex (figura 1) exemplifică aceste principii de proiectare. Factorii de formă ai acestor conectori sunt identici cu cei ai conectorilor MX150 de joasă tensiune, testați în practică. Datorită caracteristicilor constructive (design și dimensiunea carcasei) similare cu cele ale sistemului de conectori de 12 V, sistemul de conectori MX150 de medie tensiune oferă o trecere simplă la arhitectura de cablare de 48 V, cu un efort minim de proiectare.
| Specificații tehnice | Detalii |
| Configurație pini | Un singur rând: 4 contacte Două rânduri: 4, 6, 20 contacte |
| Tensiune (max) | 60 V |
| Curent (max) | 22.0 A |
| Rezistență de contact | 8 mΩ |
| Conformitate industrială | USCAR-2, USCAR-21, GMW3191 |
| Temperatură de operare | -40°C până la +125°C |
| Grad de etanșare | IP67 și Clasa 2 de etanșare USCAR-2 |
Tabelul 1: Principalele specificații ale sistemului de conectori de medie tensiune MX150. (Sursa tabelului: Molex, modificat de Kenton Williston)
Sistemul de conectori de medie tensiune MX150 cuprinde în prezent cinci configurații diferite, detaliate în tabelul 1. Acestea includ conectorii cu contacte pe două rânduri 33482 și mufele corespunzătoare pe două rânduri 300361, precum și mufele pe un singur rând 300363.
Considerații de siguranță referitoare la conectorii de 48 V
Deși 12 V este un punct de plecare bun pentru conectorii de medie tensiune, provocările trecerii la 48 V nu sunt chiar simple. Arcurile electrice reprezintă o preocupare deosebită.
În sistemele de 12 V, arcurile electrice mici dispar rapid atunci când circuitele sunt întrerupte. Cu toate acestea, la 48 V, arcul electric poate dura mai mult, putând provoca deteriorări grave ale terminalelor și carcaselor. Pentru a reduce acest risc, terminalele trebuie să fie distanțate corespunzător pentru a îndeplini cerințele privind distanțele de “creepage” și “clearance” descrise în DIN EN 60664-1, care reglementează coordonarea izolației pentru echipamentele din cadrul sistemelor de joasă tensiune.
“Creepage” se referă la calea cea mai scurtă dintre două puncte conductoare de-a lungul unei suprafețe izolatoare, în timp ce “clearance” denotă calea cea mai scurtă, în aer, dintre conductoare. Aceste specificații sunt esențiale pentru a asigura protecția până la 60 V, limita superioară a domeniului de supratensiune.
Figura 2: Sistemul de conectori de medie tensiune MX150 încorporează mai multe caracteristici pentru a asigura o conexiune sigură și fiabilă. Este prezentată mufa mamă cu două rânduri 3003610011 cu 20 de contacte. (Sursa imaginii: Molex)
O blocare secundară eficientă a terminalelor este, de asemenea, esențială pentru a preveni “împingerea” terminalelor (TPO), care poate provoca deconectări lente sau intermitente ale alimentării. Astfel de deconectări pot declanșa microsarcini, deteriorând stratul de acoperire sau compromițând metalul de bază al terminalului, ceea ce duce la o rezistență ridicată sau la o conexiune sudată.
Etanșarea conectorului merită, de asemenea, o atenție deosebită. Expunerea unui conector de 48 V la un electrolit, cum ar fi 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 se utilizeze conectori care îndeplinesc gradul de poluare corespunzător, de obicei USCAR-2 Sealing Class 2 sau mai mare.
Figura 2 ilustrează modul în care aceste principii de proiectare sunt implementate în 3003610011, o mufă mamă cu două rânduri, de medie tensiune, cu douăzeci de contacte. Conectorul tată corespondent este 0334822423.
Conectorii MX150 sunt gata de utilizare, cu toate componentele necesare deja asamblate (carcasele conectorilor, garniturile de etanșare și componentele TPA (Terminal Position Assurance), simplificând instalarea și întreținerea. Principalele caracteristici ale conectorului ilustrat în figura 2 includ:
- TPA, un mecanism care blochează în siguranță terminalele în carcasele lor, prevenind dezlocarea acestora
- Blocare secundară pentru asigurarea poziției conectorului (CPA – Connector Position Assurance) care garantează o conexiune sigură și previne decuplarea accidentală în condiții de vibrații sau șocuri puternice
- Garnituri de etanșare integrate plane (garnitură “mat”) și circulare care asigură performanțe sigure chiar și atunci când conectorii sunt imersați, eliminând nevoia de garnituri de etanșare individuale pentru cabluri
- Un capac grommet care sporește protecția etanșării cu garnitura plană și asigură alinierea corectă a terminalelor, menținând integritatea conexiunilor
Considerații privind proiectarea la tensiuni mixte
În sistemele cu tensiuni mixte sunt necesare măsuri de precauție speciale pentru a preveni trecerea curentului între circuitele de medie tensiune 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 culori provine de la stivuitoarele electrice, care au folosit mult timp baterii cu tensiuni diferite. Au fost stabilite coduri de culoare pentru a preveni erorile, 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 sistemele de înaltă tensiune. Codificarea prin culori marchează foarte clar componentele care necesită măsuri specifice de siguranță, asigurându-se că acestea nu sunt utilizate fără o pregătire corespunzătoare în domeniul siguranței și fără echipament de protecție personal (PPE – Personal Protection Equipment).
Considerații privind fabricarea și întreținerea conectorilor
Riscul de arc electric la conectorii de medie tensiune necesită ca aceștia să fie proiectați pentru o fabricare și o întreținere fiabile. Această cerință este prevăzută de USCAR-21, care stipulează metodele și criteriile de testare pentru sertizările electrice cablu-terminal în cazul aplicațiilor auto.
Un aspect esențial al USCAR-21 este testarea rezistenței la tracțiune, care înseamnă aplicarea unei forțe de tracțiune constantă unei conexiuni sertizate pentru a-i evalua rezistența la tracțiune. Această testare asigură că sertizarea poate suporta solicitările mecanice cu care se va confrunta conectorul pe parcursul duratei de viață. Specificația subliniază, de asemenea, necesitatea de a utiliza unelte și setări precise ale procesului în timpul sertizării (crimpării).
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.
Considerații privind asamblarea și service-ul conectorilor MX150 de la Molex
Figura 3: Instrumentul manual de sertizare 0638115900 asigură o conexiune sigură între fir și lamă sau între fir și un contact dreptunghiular. (Sursa imaginii: Molex)
Pentru a finaliza asamblarea unui conector, firele conductoare trebuie, mai întâi, să aibă fixate bornele lor de conectare. În cazul ansamblului de conectori tată MX150, de exemplu, cablajul trebuie să primească o terminație sub forma unei lame 330000001. Similar, firele conductoare trebuie să fie terminate printr-un contact de conector dreptunghiular din seria 33001 sau 33012 pentru mufa mamă.
În ambele cazuri, terminațiile firelor trebuie să fie împinse în conector până când sunt fixate. Dacă o poziție din interiorul conectorului trebuie să rămână liberă, golul trebuie umplut pe partea conectorului tată cu o fișă de protecție 343450001.
Figura 4: Instrumentul de extracție 0638131500 permite îndepărtarea oricărui fir dintr-un conector fără a perturba restul ansamblului. (Sursa imaginii: Molex)
Pentru a ajuta în procesul de realizare a conexiunilor, Molex oferă dispozitivul de sertizare 0638115900 (figura 3). Acesta asigură o conexiune sigură între fir și lamă sau între fir și contactul dreptunghiular.
De asemenea, sunt disponibile echipamente specializate pentru întreținerea unui conector. Instrumentul de extracție 0638131500 (figura 4) permite tehnicienilor să îndepărteze firele dintr-un conector fără a perturba restul ansamblului.
Concluzie
Atunci când trec la o arhitectură de medie tensiune, producătorii de automobile și furnizorii lor pot utiliza în mod avantajos componente bazate pe tehnologii de joasă tensiune. Trecerea la 48 V prezintă noi probleme de siguranță și fiabilitate, dar acestea pot fi rezolvate cu ușurință printr-o atenție deosebită acordată 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 cu un portofoliu cuprinzător, experiență dovedită și unelte asociate.
Autor: Rolf Horn – Inginer de aplicații
Rolf face parte din grupul European de Asistență Tehnică din 2014, având responsabilitatea principală de a răspunde la întrebările venite din partea clienților finali din EMEA referitoare la Dezvoltare și Inginerie. Înainte de DigiKey, el a lucrat la mai mulți producători din zona semiconductorilor, cu accent pe sistemele embedded ce conțin FPGA-uri, microcontrolere și procesoare pentru aplicații industriale și auto. Rolf este licențiat în inginerie electrică și electronică la Universitatea de Științe Aplicate din Munchen, Bavaria.
DigiKey | https://www.digikey.ro
