Sådan vælger du 48 V-stik til automotive mellemspændingsarkitekturer

Myndighedernes krav om lavere CO₂-udledning og forbrugernes efterspørgsel efter automotiv elektronik har resulteret i en overgang fra 12 V-systemer til mere effektive 48 V-arkitekturer. Disse mellemspændingsarkitekturer giver højere effektlevering og lettere, billigere ledningsnet.

Problemet for designerne er at sikre, at konnektorerne opfylder de krævende elektriske, sikkerhedsmæssige, pålidelige og fysiske krav til 48 V-systemer, samtidig med at de opfylder kravene til omkostninger og time-to-market. Løsningen ligger i at udvikle en forståelse af de driftsmæssige, lovgivningsmæssige og sikkerhedsmæssige krav til automotive mellemspændingsarkitekturer, før man vælger fra en passende leverandørs udvalg.

Denne artikel gennemgår fordelene ved 48 V-arkitekturer og skitserer udfordringerne ved at vælge passende stik. Derefter præsenteres passende løsninger fra Molex, og det beskrives, hvordan disse løsninger kan anvendes i praktiske scenarier.

Fordelene ved 48 V automotive arkitekturer

Bilproducenter kan implementere milde hybridsystemer, der genvinder energi under opbremsning og friløb, ved at gå over til mellemspændingsarkitekturer. De kan også anvende forbedrede start-stop-systemer, der reducerer brændstofforbruget ved bykørsel og i trafikpropper. Og fordi den højere spænding gør det muligt at bruge lettere og mindre ledninger til at levere den samme effekt ved en lavere strømstyrke, reducerer 48 V-systemer køretøjets vægt. Alle disse faktorer giver betydelige brændstofbesparelser, især i mindre køretøjer.

Der er også brug for ledningsnet med højere effekt for at imødekomme elektrificeringen af komponenter som servostyring, klimaanlæg og indførelsen af avancerede førerassistentsystemer (ADAS) som f.eks. adaptiv fartpilot og vognbaneassistent. Overgangen til en 48 V-arkitektur opfylder dette behov uden de omkostninger og den kompleksitet, der er forbundet med de højspændingssystemer (dvs. 400 V og derover), der bruges i fuldhybridbiler (HEV'er) og batterielektriske biler (BEV'er).

48 V-arkitekturen fungerer også som en bro til større elektrificering af køretøjer, hvilket muliggør gradvis integration af hybridteknologier uden en komplet elektrisk omstrukturering. Disse mellemspændingssystemer vil forblive værdifulde selv i fuldt elektriske køretøjer, som det fremgår af deres indbygning i design som Cybertruck.

Omkostningsovervejelser for 48 V-stik

Spørgsmålet om, hvilket elektrisk tilslutningssystem der skal bruges til 48 V-arkitekturer, kan besvares ved at se på de tekniske udfordringer, der opstår som følge af den øgede spænding.

Det er teknisk muligt at anvende de højspændingsstik, der er udviklet til brug i el- og hybridbiler, men det er ikke tilrådeligt af hensyn til omkostningerne og pladsen. Derimod er tilpasning af 12 V-stik til mellemspændingsarkitekturer en attraktiv løsning i forhold til omkostninger og størrelse.

Det er værd at bemærke, at ikke alle køretøjssystemer vil skifte til 48 V. Nogle mindre enheder, der bruger mindre strøm, forbliver på 12 V. Derfor er det nyttigt at have ensartede stik på tværs af 12 V- og 48 V-systemer for at forenkle værktøj og uddannelse af teknikere.

Molex's MX150 mellemspændingsstiksystem (figur 1) er et eksempel på disse designprincipper. Disse stik deler formfaktor med de gennemprøvede MX150-lavspændingsstik. Ved at bruge samme pakkestørrelse og husdesign som 12 V-stiksystemet giver MX150 mellemspændingsstik en nem opgradering til 48 V-ledningsarkitektur med minimal designteknik.

Figur 1: Stik fra MX150 mellemspændingsstiksystem deler formfaktor med de gennemprøvede MX150 lavspændingsstik. (Billedkilde: Molex)

MX150 mellemspændingsstiksystem omfatter i øjeblikket fem forskellige konfigurationer, som beskrevet i tabel 1. Disse omfatter dobbelt række 33482 bladstik og de tilsvarende dobbelt række 300361 koblingsstik, samt enkelt række 300363 stik.

Tabel 1: Nøglespecifikationer for MX150 mellemspændingsstiksystem. (Tabelkilde: Molex, modificeret af Kenton Williston)

Sikkerhedsovervejelser for 48 V-stik

Selvom 12 V er et godt udgangspunkt for mellemspændingsstik, er udfordringerne ved at gå over til 48 V ikke trivielle. Lysbuer giver anledning til særlig bekymring.

I 12 V-systemer slukkes små lysbuer typisk hurtigt, når kredsløbene afbrydes. Men ved 48 V kan lysbuer vare længere og potentielt forårsage alvorlige skader på klemmer og huse. For at mindske denne risiko skal klemmerne placeres med tilstrækkelig afstand til at opfylde kravene til krybeafstand og luftafstand som beskrevet i DIN EN 60664-1, der regulerer isolationskoordinering for udstyr i lavspændingssystemer.

Krybeafstand refererer til den korteste vej mellem to ledende punkter langs en isolerende overflade, mens luftafstand betegner den korteste luftvej mellem ledere. Disse specifikationer er afgørende for at sikre beskyttelse op til 60 V, den øvre grænse for overspændingsområdet.

Effektiv sekundær låsning af terminaler er også vigtig for at forhindre at terminaler falder ud, som kan forårsage langsomme eller periodiske strømafbrydelser. Sådanne afbrydelser kan medføre mikro-buedannelse, beskadige pletteringen eller kompromittere terminalens grundmetal, hvilket fører til høj modstand eller en svejset forbindelse.

Forsegling af stik fortjener også omhyggelig opmærksomhed. Hvis et 48 V-stik udsættes for en elektrolyt som f.eks. saltvand, kan det udløse en aggressiv elektrokemisk reaktion, mere end ved 12 V. For at forhindre sådanne skader og kortslutninger er det afgørende at bruge stik, der opfylder den rette forureningsgrad, typisk USCAR-2 forseglingsklasse 2 eller højere.

Figur 2 illustrerer, hvordan disse designprincipper er implementeret i 3003610011, et dobbeltrækket mellemspændingskoblingsstik med tyve kredsløb. Det tilsvarende han-stik er 0334822423.

Figur 2: MX150 mellemspændingsstiksystem har flere funktioner, der sikrer en sikker og pålidelig forbindelse. På billedet ses 3003610011 dobbeltrækket koblingsstik med 20 kredsløb. (Billedkilde: Molex)

MX150-stikkene er formonterede med stikhuse, forseglinger og TPA-komponenter (Terminal Position Assurance) på plads, hvilket strømliner installation og vedligeholdelse. Nøglefunktionerne i stikket illustreret i figur 2 omfatter:

• En TPA, der låser terminalerne sikkert fast i deres huse og forhindrer dem i at løsne sig.
• En sekundær CPA-lås (Connector Position Assurance), der sikrer en sikker forbindelse og forhindrer utilsigtet frigørelse under kraftige vibrationer eller stød.
• Integrerede måtte- og ringforseglinger, der sørger for sikker ydeevne, selv når de er nedsænket, hvilket eliminerer behovet for individuelle kabeltætninger
• En gennemføringskappe, der forbedrer beskyttelsen af måtteforseglingen og sikrer korrekt justering af terminalerne, så forbindelsernes integritet bevares.

Overvejelser om design med blandet spænding

Der skal tages særlige forholdsregler i systemer med blandet spænding for at forhindre, at der løber strøm mellem mellemspændings- og lavspændingskredsløb. Den mest effektive strategi er at bruge separate stik til hvert spændingsniveau, så man undgår at integrere begge spændinger i samme stik. Derudover har den automotive industri indført lyseblå farvekodning for 48 V-stik for tydeligt at adskille dem fra 12 V-stik.

Oprindelsen til denne farvekodning går tilbage til elektriske gaffeltrucks, som længe har brugt batterier med forskellig spænding. Der blev udarbejdet retningslinjer for farver for at forhindre fejl, hvilket førte til en udbredt anvendelse af blå til 48 V-stik på tværs af forskellige brancher.

Dette system fungerer sammen med den etablerede brug af orange stik og ledninger, som signalerer højspændingssystemer. Denne farvekodning viser tydeligt, hvilke komponenter der kræver særlige sikkerhedsforanstaltninger, og sikrer, at de ikke håndteres uden passende sikkerhedstræning og personlige værnemidler (PPE).

Overvejelser om fremstilling og brugbarhed

Risikoen for lysbuer i mellemspændingsstik kræver, at de er designet til pålidelig fremstilling og service. Dette krav imødekommes af USCAR-21, som fastsætter testmetoder og kriterier for elektriske krympninger mellem kabler og terminaler i den automotive industri.

Et vigtigt aspekt af USCAR-21 er træktest, som indebærer, at man anvender en ensartet trækhastighed på en krympet forbindelse for at vurdere dens trækstyrke. Denne test sikrer, at krympningen kan modstå de mekaniske belastninger, den vil blive udsat for i løbet af sin levetid. Specifikationen fremhæver også nødvendigheden af at bruge præcise værktøjs- og procesindstillinger under krympningen.

Derudover er det tilrådeligt at søge stik, der er certificeret i henhold til GMW3191, en omfattende standard formuleret af General Motors. Denne standard beskriver test- og valideringskravene til elektriske stik til biler og bekræfter deres pålidelighed og holdbarhed under krævende forhold.

Overvejelser om montering og service af Molex MX150

For at færdiggøre en stiksamling skal ledningerne først afsluttes. Med MX150-hanstiksamlingen skal ledningsnettet f.eks. afsluttes i et 330000001-blad. På samme måde skal ledningerne afsluttes i en rektangulær kontakt i 33001- eller 33012-serien til hunstikket.

I begge tilfælde skal de afsluttede ledninger skubbes ind i forbindelsesstykket, indtil de sidder fast. Hvis en kredsløbsposition skal være tom, skal mellemrummet udfyldes på han-siden med hulproppen 343450001.

For at hjælpe med denne afslutningsproces tilbyder Molex det manuelle krympeværktøj 0638115900 (figur 3). Denne enhed skaber en sikker forbindelse mellem ledningen og bladet eller den rektangulære kontakt.

Figur 3: Det manuelle krympeværktøj 0638115900 giver en sikker forbindelse mellem ledningen og bladet eller den rektangulære kontakt. (Billedkilde: Molex)

Der findes også specialudstyr til at servicere et stik. Udtræksværktøjet 0638131500 (figur 4) gør det muligt for teknikere at fjerne ledninger fra et stik uden at forstyrre resten af samlingen.

Figur 4: Udtræksværktøjet 0638131500 gør det muligt at fjerne en hvilken som helst ledning fra et stik uden at forstyrre resten af samlingen. (Billedkilde: Molex)

Konklusion

Ved overgangen til en mellemspændingsarkitektur kan de automotive producenter og deres leverandører drage fordel af at bruge komponenter baseret på lavspændingsteknologi. Overgangen til 48 V giver nye problemer med sikkerhed og pålidelighed, men disse problemer kan let løses ved at være opmærksom på standarder og vælge et forbindelsessystem med robuste låse- og forseglingsmekanismer. Når man vælger et 48 V-stiksystem, er det tilrådeligt at søge en leverandør med en omfattende portefølje, dokumenteret erfaring og tilhørende værktøj.