Selecteren van 48V-connectoren voor mid-voltage-architecturen voor auto’s

Overheidsmandaten voor lagere CO₂-emissies en de vraag van consumenten naar voertuigelektronica hebben geleid tot een overgang van 12V-autosystemen naar efficiëntere 48V-architecturen. Deze mid-voltage-architecturen bieden een hogere vermogensafgifte en lichtere, goedkopere kabelbomen.

Het probleem voor ontwerpers is dat de connectoren moeten voldoen aan de veeleisende elektrische, veiligheids-, betrouwbaarheids- en fysieke vereisten van 48V-systemen en tegelijkertijd rendabel moeten zijn wat betreft kosten en tijd. De oplossing ligt in het bestuderen van de operationele, regelgevende en veiligheidsvereisten van mid-voltage-architecturen voor auto’s voordat een keuze wordt gemaakt uit het aanbod van een goede leverancier.

Dit artikel geeft allereerst een overzicht van de voordelen van 48V-architecturen en de uitdagingen bij het selecteren van geschikte connectoren. Daarna worden geschikte oplossingen van Molex gepresenteerd en wordt beschreven hoe deze oplossingen in praktische scenario’s kunnen worden toegepast.

De voordelen van 48V-autoarchitecturen

Autofabrikanten kunnen mild hybride systemen implementeren die energie terugwinnen door over te schakelen op mid-voltage-architecturen tijdens het remmen of het laten uitrollen van de auto. Ze kunnen ook verbeterde start-stopsystemen implementeren die het brandstofverbruik in de stad en in de file verminderen. Omdat de hogere spanning het gebruik van lichtere, dunnere draden mogelijk maakt om hetzelfde vermogen bij een lagere stroom te leveren, verlagen 48V-systemen bovendien het gewicht van het voertuig. Al deze factoren leiden tot aanzienlijke brandstofbesparingen, vooral bij kleinere voertuigen.

Kabelbomen met een groter vermogen zijn ook nodig voor de elektrificatie van componenten zoals stuurbekrachtiging, airconditioning en de toepassing van geavanceerde hulpsystemen voor de bestuurder (ADAS), zoals adaptieve cruisecontrol en rijbaanassistentie. De overgang naar een 48V-architectuur voldoet aan deze behoefte zonder de kosten en complexiteit die gepaard gaan met high-voltage-systemen (d.w.z. 400 V en hoger) die worden gebruikt in hybride elektrische voertuigen (HEV’s) en batterij-elektrische voertuigen (BEV’s).

De 48V-architectuur dient ook als brug naar een grotere elektrificatie van voertuigen, waardoor een geleidelijke integratie van hybride technologieën mogelijk wordt zonder een volledige elektrische revisie. Deze mid-voltage-systemen zullen zelfs in volledig elektrische voertuigen waardevol blijven, zoals blijkt uit hun integratie in ontwerpen zoals de Tesla Cybertruck.

Kostenoverwegingen voor 48V-connectoren

De vraag welk elektrisch verbindingssysteem moet worden gebruikt voor 48V-architecturen kan worden beantwoord door te kijken naar de technische uitdagingen die voortvloeien uit de verhoogde spanning.

Het gebruik van de high-voltage-connectoren die ontwikkeld zijn voor elektrische en hybride voertuigen is technisch haalbaar, maar omwille van de kosten en de beperkte ruimte zijn deze niet aan te raden. Het aanpassen van 12V-connectoren voor mid-voltage-architecturen is daarentegen aantrekkelijk qua kosten en afmetingen.

Merk op dat niet alle voertuigsystemen overschakelen naar 48 V. Sommige kleinere apparaten die minder stroom verbruiken, blijven op 12 V. Daarom is het handig om consistente connectoren te hebben voor 12V- en 48V-systemen om het gereedschap en de technische training te vereenvoudigen.

Het mid-voltage MX150-connectorsysteem van Molex (afbeelding 1) is een voorbeeld van deze ontwerpprincipes. Deze connectoren delen hun vormfactoren met de in de praktijk bewezen low-voltage MX150-connectoren. Door gebruik te maken van dezelfde pakketgrootte en hetzelfde behuizingsontwerp als het 12V-connectorsysteem, bieden de mid-voltage MX150-connectoren een eenvoudige upgrade naar een 48V-bedradingsarchitectuur met minimale ontwerpengineering.

Afbeelding 1: Connectoren van het mid-voltage MX150-connectorsysteem delen de vormfactor met de in de praktijk bewezen low-voltage MX150-connectoren. (Bron afbeelding: Molex)

Het mid-voltage MX150-connectorsysteem omvat momenteel vijf verschillende configuraties, zoals weergegeven in tabel 1. Hiertoe behoren de 33482-bladconnectoren met een dubbele rij en de bijbehorende 300361-receptacles met een dubbele rij, evenals de 300363 met een enkele rij.

Tabel 1: Belangrijkste specificaties van het mid-voltage MX150-connectorsysteem. (Bron tabel: Molex, bewerkt door Kenton Williston)

Veiligheidsoverwegingen voor 48V-connectoren

Hoewel 12 V een goed uitgangspunt is voor mid-voltage-connectoren, zijn de uitdagingen bij de overgang naar 48 V niet triviaal. Boogvorming is bijzonder zorgwekkend.

In 12V-systemen doven kleine vlambogen meestal snel wanneer circuits worden verbroken. Bij 48 V kunnen vlambogen echter langer aanhouden, wat ernstige schade aan de klemmen en behuizingen kan veroorzaken. Om dit risico te beperken, moet de afstand tussen klemmen voldoen aan de kruipweg- en doorgangsvereisten zoals beschreven in DIN EN 60664-1, die de isolatiecoördinatie regelt voor apparatuur in laagspanningssystemen.

Kruip verwijst naar de kortste weg tussen twee geleidende punten langs een isolerend oppervlak, terwijl doorgang de kortste luchtweg tussen geleiders aanduidt. Deze specificaties zijn cruciaal om bescherming te garanderen tot 60 V, de bovengrens van het overspanningsbereik.

Doeltreffende secundaire vergrendeling van aansluitklemmen is ook essentieel om ‘terminal push outs’ (TPO’s) te voorkomen, die langzame of intermitterende stroomonderbrekingen kunnen veroorzaken. Dergelijke onderbrekingen kunnen microvlambogen veroorzaken, waardoor de plating beschadigd raakt of het basismetaal van het aansluitpunt wordt aangetast, wat leidt tot hoge weerstand of een gelaste verbinding.

Het afdichten van connectoren verdient ook zorgvuldige aandacht. Blootstelling van een 48V-connector aan een elektrolyt zoals zout water kan een agressieve elektrochemische reactie teweegbrengen, meer dan bij 12 V. Om dergelijke schade en kortsluiting te voorkomen, is het cruciaal om connectoren te gebruiken die voldoen aan de juiste vervuilingsgraad, meestal USCAR-2 afdichtingsklasse 2 of hoger.

Afbeelding 2 illustreert hoe deze ontwerpprincipes geïmplementeerd zijn in de 3003610011, een vrouwelijke mid-voltage-connector met twee rijen en twintig circuits. De bijbehorende mannelijke connector is de 0334822423.

Afbeelding 2: Het mid-voltage MX150-connectorsysteem heeft verschillende functies om een veilige en betrouwbare verbinding te garanderen. Afgebeeld is de 3003610011 vrouwelijke mid-voltage-connector met twee rijen en 20 circuits. (Bron afbeelding: Molex)

De MX150-connectoren zijn voorgemonteerd met connectorbehuizingen, afdichtingen en TPA-componenten (Terminal Position Assurance), wat de installatie en het onderhoud stroomlijnt. De belangrijkste kenmerken van de connector in afbeelding 2 zijn onder andere:

• Een TPA die terminals veilig in hun behuizing vergrendelt, zodat ze niet losraken
• Een secundaire CPA-vergrendeling (Connector Position Assurance) voor een veilige verbinding en om te voorkomen dat de verbinding per ongeluk wordt verbroken onder zware trillingen of schokken.
• Geïntegreerde mat- en ringafdichtingen die zorgen voor veilige prestaties, zelfs onder water, zodat er geen afzonderlijke kabelafdichtingen nodig zijn
• Een doorvoerdop die de bescherming van de matafdichting verbetert en zorgt voor de juiste uitlijning van de aansluitklemmen, zodat de integriteit van de verbindingen behouden blijft

Ontwerpoverwegingen voor gemengde spanningen

Speciale voorzorgsmaatregelen zijn essentieel in gemengde spanningssystemen om te voorkomen dat er stroom vloeit tussen mid-voltage- en low-voltage-circuits. De meest effectieve strategie is om aparte connectoren te gebruiken voor elk spanningsniveau, zodat de integratie van beide spanningen in dezelfde connector wordt vermeden. Daarnaast heeft de auto-industrie een lichtblauwe kleurcodering ingevoerd voor 48V-connectoren om ze duidelijk te onderscheiden van 12V-connectoren.

De oorsprong van deze kleurcodering gaat terug tot elektrische vorkheftrucks, die al heel lang batterijen met verschillende voltages gebruiken. Er werden kleurrichtlijnen opgesteld om fouten te voorkomen, wat leidde tot de wijdverspreide toepassing van blauw voor 48V-connectoren in verschillende industrieën.

Dit systeem werkt samen met het gevestigde gebruik van oranje connectoren en bedrading, die high-voltage-systemen aanduiden. Deze kleurcodering geeft duidelijk aan welke onderdelen specifieke veiligheidsmaatregelen vereisen, zodat ze niet worden gehanteerd zonder de juiste veiligheidstraining en persoonlijke beschermingsmiddelen (PBM).

Productie- en onderhoudsoverwegingen

Vanwege het risico op vonken in mid-voltage-connectoren moeten ze worden ontworpen voor betrouwbare productie en onderhoud. Aan deze vereiste wordt voldaan in USCAR-21, waarin de testmethoden en criteria voor elektrische krimpen tussen de kabel en het aansluitpunt in automobieltoepassingen zijn vastgelegd.

Een belangrijk aspect van USCAR-21 zijn trektesten, waarbij een consistente treksnelheid wordt toegepast op een krimpverbinding om de treksterkte te beoordelen. Deze tests zorgen dat de krimp bestand is tegen de mechanische spanningen waaraan hij tijdens zijn levensduur zal worden blootgesteld. De specificatie benadrukt ook de noodzaak om nauwkeurig gereedschap en procesinstellingen te gebruiken tijdens het krimpen.

Daarnaast is het raadzaam om connectoren te zoeken die gecertificeerd zijn volgens GMW3191, een uitgebreide standaard die is opgesteld door General Motors. Deze norm beschrijft de test- en validatievereisten voor elektrische connectoren voor auto’s en bevestigt hun betrouwbaarheid en duurzaamheid in veeleisende omstandigheden.

Overwegingen wat betreft montage en service van de Molex MX150

Om een connectormontage te voltooien, moet de bedrading eerst worden aangesloten. Bij de mannelijke MX150-connector moet de kabelboom bijvoorbeeld worden aangesloten op een 330000001-bladcontact. De bedrading moet ook worden aangesloten op een rechthoekig connectorcontact uit de 33001- of 33012-serie voor de vrouwelijke aansluiting.

In beide gevallen moeten de aangesloten draden in de connector worden geduwd totdat ze vastzitten. Als een circuitpositie leeg moet blijven, moet de opening aan de mannelijke kant worden opgevuld met de 343450001-holtestekker.

Om te helpen bij dit aansluitproces biedt Molex de 0638115900-krimptang (afbeelding 3). Deze tang zorgt voor een veilige verbinding tussen de draad en het blad- of rechthoekige contact.

Afbeelding 3: De 0638115900-krimptang zorgt voor een stevige verbinding tussen de draad en het blad- of rechthoekige contact. (Bron afbeelding: Molex)

Er is ook speciaal gereedschap beschikbaar om een connector te onderhouden. Met de 0638131500-extractietool (afbeelding 4) kunnen technici draden uit een connector verwijderen zonder de rest van de assemblage te verstoren.

Afbeelding 4: Met de 0638131500-extractietool kan een draad uit een connector worden verwijderd zonder de rest van de assemblage te verstoren. (Bron afbeelding: Molex)

Conclusie

Bij de overgang naar een mid-voltage-architectuur kunnen autofabrikanten en hun leveranciers profiteren van het gebruik van componenten op basis van low-voltage-technologie. De overstap naar 48 V brengt nieuwe veiligheids- en betrouwbaarheidsproblemen met zich mee, maar deze kunnen eenvoudig worden opgelost door zorgvuldig aandacht te besteden aan de normen en door een connectorsysteem te kiezen met robuuste vergrendelings- en afdichtingsmechanismen. Bij het kiezen van een 48V-connectorsysteem is het raadzaam om een leverancier te zoeken met een uitgebreid portfolio, bewezen ervaring en bijbehorend gereedschap.