Dobór złączy 48V do architektury motoryzacyjnej średniego napięcia

Problemem dla projektantów jest zadbanie o to, aby złącza spełniały surowe wymagania pod względem elektrycznym, bezpieczeństwa, niezawodności i właściwości fizycznych instalacji 48V, przy jednoczesnym uwzględnieniu ograniczeń dotyczących kosztów i czasu wprowadzenia produktu na rynek. Rozwiązanie wymaga zrozumienia wymagań operacyjnych, regulacyjnych i bezpieczeństwa architektur motoryzacyjnych średniego napięcia przed dokonaniem wyboru odpowiedniego dostawcy.

W niniejszym artykule omówiono zalety architektur 48V i przedstawiono wyzwania związane z doborem odpowiednich złączy. Następnie przedstawiono odpowiednie rozwiązania firmy Molex® i opisano, w jaki sposób można je zastosować w praktyce.

Zalety architektur motoryzacyjnych 48V

Przechodząc na architektury średniego napięcia, producenci samochodów mogą wdrażać instalacje tzw. „miękkich hybryd”, które odzyskują energię podczas hamowania i jazdy na luzie. Mogą również wdrażać udoskonalone systemy start-stop, które zmniejszają zużycie paliwa podczas jazdy po mieście i w korkach. Ponadto wyższe napięcie pozwala na użycie lżejszych przewodów o mniejszym przekroju, dostarczając tą samą moc przy niższym prądzie, dlatego instalacje 48V zmniejszają wagę pojazdu. Wszystkie te czynniki przekładają się na znaczne oszczędności paliwa, szczególnie w mniejszych pojazdach.

Wiązki przewodów wyższej mocy są również potrzebne do elektryfikacji takich komponentów jak wspomaganie układu kierowniczego, klimatyzacja, a także do wdrożenia zaawansowanych systemów wspomagania kierowcy (ADAS), takich jak tempomat adaptacyjny i asystent utrzymania pasa ruchu. Przejście na architekturę 48V zaspokaja tę potrzebę bez kosztów i złożoności związanych z układami wysokiego napięcia (tj. 400V i wyższych), stosowanymi w całkowicie hybrydowych pojazdach elektrycznych (HEV) i bateryjnych pojazdach elektrycznych (BEV).

Architektura 48V służy również jako pomost dla szerszej elektryfikacji pojazdu, umożliwiając stopniową integrację technologii hybrydowych bez całkowitej modernizacji elektrycznej. Wspomniane układy średniego napięcia nadal będą użyteczne nawet w całkowicie elektrycznych pojazdach, o czym świadczy ich włączenie do projektów takich jak Cybertruck.

Zagadnienia dotyczące kosztów złączy 48V

Odpowiedź na pytanie, jaki system połączeń elektrycznych należy zastosować w przypadku architektur 48V, można znaleźć analizując wyzwania techniczne wynikające ze zwiększonego napięcia. Zastosowanie złączy wysokonapięciowych opracowanych do użytku w pojazdach elektrycznych i hybrydowych jest technicznie wykonalne, ale nie jest wskazane ze względu na koszty i wielkość obudów. Natomiast atrakcyjną propozycją pod względem kosztów i rozmiarów jest dostosowanie złączy 12V do architektur średniego napięcia. Warto zauważyć, że nie wszystkie układy w pojazdach przejdą na napięcie 48V. Niektóre mniejsze urządzenia, które zużywają mniej energii, pozostaną na poziomie 12V. W związku z tym przydatne jest posiadanie jednakowych złączy w układach 12V i 48V, aby skrócić listę potrzebnych narzędzi i uprościć szkolenie techników.

System złączy średniego napięcia MX150 firmy Molex® (ilustracja 1) wykorzystuje te zasady projektowania. Złącza te mają ten sam kształt co sprawdzone złącza niskiego napięcia MX150. Dzięki zastosowaniu tych samych i konstrukcji obudów, co w systemie złączy 12V, złącza średniego napięcia MX150 pozwalają na łatwą modernizację architektury oprzewodowania 48V przy minimalnych nakładach ze strony projektantów. System złączy średniego napięcia MX150 dostępny jest obecnie w pięciu różnych konfiguracjach, które wyszczególniono w tabeli 1. Należą do nich dwurzędowe złącza nożowe 33482 i odpowiadające im gniazda dwurzędowe 300361, a także złącza jednorzędowe 300363.

Tabela 1: Kluczowe specyfikacje systemu złączy średniego napięcia MX150. (Źródło tabeli: Molex, zmodyfikowane przez Kentona Willistona)

Zagadnienia dotyczące bezpieczeństwa złączy 48V

Chociaż napięcie 12V jest dobrym punktem wyjścia dla złączy średniego napięcia, przejście na napięcie 48V jest nie lada wyzwaniem. Szczególnym problemem są wyładowania łukowe.

W układach 12V niewielkie łuki zwykle gasną szybko po przerwaniu obwodów. Jednak przy napięciu 48V łuki mogą trwać dłużej, potencjalnie powodując poważne uszkodzenia zacisków i obudów. W celu zmniejszenia tego ryzyka, odstępy między zaciskami muszą być odpowiednie, aby spełnić wymagania dotyczące drogi upływu i odstępu izolacyjnego, zgodnie z normą DIN EN 60664-1, która reguluje koordynację izolacji urządzeń w układach niskiego napięcia.

Droga upływu odnosi się do najkrótszej drogi pomiędzy dwoma punktami przewodzącymi wzdłuż powierzchni izolacyjnej, natomiast odstęp izolacyjny oznacza najkrótszą drogę przepływu powietrza pomiędzy przewodami. Specyfikacje te są kluczowe dla zapewnienia ochrony przy napięciach dochodzących do 60V, czyli górnej granicy zakresu nadmiernego napięcia.

Skuteczna blokada wtórna zacisków jest również niezbędna, aby zapobiec wypychaniu zacisków (TPO), które może powodować powolne lub chwilowe odłączanie zasilania. Takie odłączanie może inicjować mikrołuki, w efekcie uszkadzając powłokę lub naruszając metal podstawy zacisku i prowadząc do wysokiej rezystancji lub zespawania połączenia.

Na szczególną uwagę zasługuje również uszczelnienie złącza. Narażenie złącza 48V na kontakt z elektrolitem, takim jak słona woda, może wywołać agresywną reakcję elektrochemiczną, w większym stopniu niż w przypadku złącza 12V. Aby zapobiec takim uszkodzeniom i zwarciom, kluczowe jest stosowanie złączy o odpowiednim stopniu zanieczyszczenia, zwykle klasy 2 uszczelnienia wg USCAR-2 lub wyższej.

Ilustracja 2 obrazuje sposób, w jaki te zasady projektowania są wdrażane w dwurzędowych gniazdach żeńskich średniego napięcia 3003610011 z dwudziestoma obwodami. Współpracują one ze złączami męskimi 0334822423.

Ilustracja 2: System złączy średniego napięcia MX150 zawiera szereg funkcji zapewniających bezpieczne i niezawodne połączenie. Na ilustracji przedstawiono dwurzędowe gniazdo żeńskie 3003610011 z 20 obwodami. (Źródło ilustracji: Molex)

Złącza MX150 są fabrycznie wyposażone w obudowy, uszczelnienia i komponenty zapewniające pozycję zacisków (TPA), co upraszcza instalację i konserwację. Kluczowe cechy złącza przedstawione na ilustracji 2 to m.in.:

• Komponenty zapewniające pozycję zacisków (TPA), które bezpiecznie blokują zaciski w obudowach, zapobiegając ich wysunięciu
• Wtórna blokada zapewnienia pozycji złącza (CPA), która zapewnia bezpieczne połączenie i zapobiega przypadkowemu rozłączeniu w warunkach silnych drgań lub wstrząsów
• Zintegrowane uszczelnienia w postaci wkładek uszczelniających i pierścieni, które zapewniają bezpieczne działanie nawet w przypadku zanurzenia, eliminując potrzebę stosowania indywidualnych uszczelnień kabla
• Kołpak przelotki, który zwiększa ochronę wkładki uszczelniającej i zapewnia prawidłowe wyrównanie zacisków, zachowując integralność połączeń

Zagadnienia projektowe dotyczące napięć mieszanych

Aby zapobiec przepływowi prądu pomiędzy obwodami średniego i niskiego napięcia, w układach o napięciu mieszanym konieczne są specjalne środki ostrożności. Najbardziej efektywną strategią jest użycie oddzielnych złączy dla poszczególnych poziomów napięcia, co pozwala uniknąć integracji obu napięć w tym samym złączu. Ponadto w branży motoryzacyjnej przyjęto jasnoniebieskie oznaczenia kolorystyczne złączy 48V, aby wyraźnie odróżnić je od złączy 12V.

Oznaczenia kolorystyczne sięgają czasów elektrycznych wózków widłowych, które od dawna używają baterii o różnych napięciach. Ustalono wytyczne dotyczące kolorów, aby zapobiec błędom, co doprowadziło do powszechnego przyjęcia koloru niebieskiego dla złączy 48V w różnych branżach.

System ten działa w połączeniu z powszechnie stosowanym pomarańczowym oznaczeniem oprzewodowania złączy i przewodów układów wysokiego napięcia. Oznaczenia kolorystyczne wyraźnie wskazują komponenty, które wymagają szczególnych środków bezpieczeństwa, gwarantując, że nie będą obsługiwane bez odpowiedniego przeszkolenia w zakresie bezpieczeństwa oraz bez użycia środków ochrony osobistej (PPE).

Zagadnienia dotyczące produkcji i możliwości serwisowania

Ryzyko powstania wyładowań łukowych w złączach średniego napięcia wymaga zaprojektowania ich z myślą o niezawodnej produkcji i serwisowaniu. Wymóg ten jest zawarty w normie USCAR-21, która określa metody badań i kryteria zagniatania przewodów elektrycznych między kablami a zaciskami w zastosowaniach motoryzacyjnych.

Kluczowym aspektem normy USCAR-21 jest próba rozciągania, która polega na zastosowaniu jednakowego współczynnika rozciągania do połączenia zagniatanego w celu oceny jego wytrzymałości na rozciąganie. Testy te dają pewność, że zagniatane elementy wytrzymają obciążenia mechaniczne w całym okresie użytkowania. W specyfikacji podkreślono również konieczność użycia precyzyjnych narzędzi i ustawień technologicznych podczas zagniatania.

Ponadto zaleca się korzystanie ze złączy z certyfikatem GMW3191, zapewniającym zgodność z kompleksową normą opracowaną przez firmę General Motors. Norma ta określa wymagania dotyczące badań i walidacji dla motoryzacyjnych złączy elektrycznych, potwierdzając ich niezawodność i trwałość w trudnych warunkach.

Zagadnienia dotyczące montażu i obsługi systemu MX150 firmy Molex

Aby skompletować zespół złączowy, należy najpierw zakończyć okablowanie. Na przykład w przypadku męskiego zespołu złączowego MX150 wiązka przewodów musi być zakończona w złączu nożowym 330000001. Podobnie okablowanie musi być zakończone w styku złącza prostokątnego z serii 33001 lub 33012 dla gniazda żeńskiego.

W obu przypadkach zakończone przewody muszą zostać wciśnięte do złącza w celu zabezpieczenia. Jeśli któraś pozycja obwodu musi pozostać pusta, przerwę należy wypełnić po stronie męskiej za pomocą wtyczki wnękowej 343450001.

Aby ułatwić proces zakańczania, firma Molex oferuje ręczne narzędzie do zagniatania 0638115900 (ilustracja 3). Urządzenie to zapewnia bezpieczne połączenie pomiędzy przewodem i stykiem nożowym lub prostokątnym.

Dostępne są również specjalistyczne urządzenia do serwisowania złączy. Narzędzie do wyjmowania 0638131500 (ilustracja 4) pozwala technikom na odłączanie przewodów od złącza bez naruszania reszty zespołu.

Podsumowanie

Przechodząc na architekturę średniego napięcia, producenci samochodów i ich dostawcy mogą korzystać z komponentów opartych na technologii niskiego napięcia. Przejście na napięcie 48V wiąże się z nowymi problemami dotyczącymi bezpieczeństwa i niezawodności, jednak problemy te można łatwo rozwiązać, przestrzegając norm i wybierając system złączy zawierający solidne mechanizmy blokujące i uszczelniające. Wybierając system złączy 48V, zaleca się znalezienie dostawcy z bogatym portfolio, sprawdzonym doświadczeniem i odpowiednimi narzędziami.

Źródło: Dobór złączy 48V do architektury motoryzacyjnej średniego napięcia

Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl

Autor: Rolf Horn

Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.

Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.

Zapraszamy na TEK.day Gdańsk, 26 września 2024. Zapisz się już dziś!