Slik velger du 48-volts kontakter for kjøretøyarkitekturer med mellomspenning

Statlige mandater for lavere CO₂-utslipp og forbrukernes etterspørsel etter kjøretøyelektronikk har resultert i en overgang fra 12-volts kjøretøysystemer til mer effektive 48-volts arkitekturer. Disse mellomspenningsarkitekturene gir høyere nytteeffekt og lettere, mer prisgunstige ledningsnett.

Utfordringen for konstruktører er å sikre at kontaktene oppfyller de krevende kravene til elektrisitet, sikkerhet, pålitelighet og dimensjoner for 48-volts systemer, samtidig som de møter kostnadsbegrensninger og restriksjoner forbundet med å få ferdige produkter ut på markedet i tide. Løsningen ligger i å utvikle en forståelse av kravene rundt drift, forskrifter og sikkerhet for kjøretøyarkitekturer med mellomspenning (mid-voltage), før det velges fra sortimentet til en egnet leverandør.

Denne artikkelen gjennomgår fordelene til 48-volts arkitekturer og gir en oversikt over utfordringene forbundet med å velge riktige kontakter. Den presenterer deretter egnede løsninger fra Molex og beskriver hvordan disse løsningene kan brukes i praktiske scenarier.

Fordelene til 48-volts kjøretøyarkitekturer

Bilprodusenter kan implementere milde hybridsystemer som gjenvinner energi under bremsing og kjøring ved å gå over til mellomspenningsarkitekturer. De kan også implementere forbedrede start-stopp-systemer som reduserer drivstofforbruket under bykjøring og i trafikkork. Fordi den høyere spenningen gjør det mulig å bruke lettere ledninger med mindre tykkelse til å levere samme effekt ved lavere strøm, reduserer også 48-volts systemer kjøretøyets vekt. Alle disse faktorene fører til betydelige drivstoffbesparelser, spesielt i mindre kjøretøy.

Ledningsnett med høyere effekt er også nødvendig for å gi rom for elektrifisering av komponenter som servostyring, klimaanlegg og innføring av avanserte førerassistentsystemer (ADAS – advanced driver assistance systems), for eksempel adaptiv cruise-kontroll og assistent for holding av kjørefelt (lane-keeping assist). Overgangen til en 48-volts arkitektur oppfyller dette behovet, uten kostnadene og kompleksiteten forbundet med høyspenningssystemene (dvs. 400-volts og høyere) som brukes i fullhybride elektriske kjøretøy (HEV – hybrid electric vehicle) og batteridrevne elektriske kjøretøy (BEV – battery electric vehicle).

Arkitekturen på 48 V fungerer også som en bro til mer utbredt elektrifisering av kjøretøy, og muliggjør gradvis integrering av hybridteknologier uten noen fullstendig elektrisk overhaling. Disse mellomspenningssystemene vil fortsette å være verdifulle selv i helelektriske kjøretøy, noe som demonstreres av integreringen i kjøretøy som Cybertruck.

Kostnadsfaktorer for 48-volts kontakter

Spørsmålet om hvilket elektrisk tilkoblingssystem som bør brukes for 48-volts arkitekturer, kan besvares ved å se på de tekniske utfordringene som oppstår som følge av den økte spenningen.

Det er teknisk mulig å benytte høyspenningskontaktene som er utviklet for bruk i elektriske og hybride kjøretøy, men med faktorer som kostnader og pakkeplass, er det ikke anbefalt. Bruken av 12-volts-kontakter for mellomspenningsarkitekturer er derimot en attraktiv løsning når det gjelder kostnader og størrelse.

Det er verdt å merke seg at ikke alle kjøretøysystemer vil bytte til 48 V. Noen mindre enheter med lavere strømforbruk vil holde seg til 12 V. Derfor er det nyttig å ha konsekvente kontakter på tvers av 12- og 48-volts systemer for å forenkle verktøybruken og teknikeropplæringen.

Molex sitt MX150-kontaktsystem for mellomspenning (figur 1) belyser disse konstruksjonsprinsippene. Disse kontaktene deler formfaktorene sine med de lavspente MX150-kontaktene som har vist seg å være pålitelige ute i felten. Ved å bruke samme kapslingsstørrelse og husutforming som det 12-volts kontaktsystemet, gir MX150-kontaktene for mellomspenning en enkel oppgradering til 48-volts kablingsarkitektur med minimal konstruksjonsutvikling.

Figur 1: Kontakter fra MX150-kontaktsystemet for mellomspenning deler formfaktorene sine med de lavspente MX150-kontaktene som har vist seg å være pålitelige ute i felten. (Bildekilde: Molex)

MX150-kontaktsystemet for mellomspenning omfatter for tiden fem forskjellige konfigurasjoner, som beskrevet i tabell 1. Disse inkluderer flatstiftkontaktene med to rader, 33482, og de korresponderende uttakene med to rader, 300361, samt uttakene med én rad, 300363.

Tabell 1: Viktige spesifikasjoner for MX150-kontaktsystemet for mellomspenning. (Tabellkilde: Molex, modifisert av Kenton Williston)

Sikkerhetsfaktorer for 48-volts kontakter

Selv om 12 V er et godt utgangspunkt for mellomspenningskontakter, er ikke utfordringene forbundet med å flytte over til 48 V trivielle. Lysbuedannelse er av spesiell bekymring.

I 12-volts systemer slukkes små lysbuer vanligvis raskt når kretser brytes. Ved 48 V kan imidlertid lysbuene vedvare lenger, noe som kan forårsake alvorlig skade på terminaler og hus. For å redusere denne risikoen må terminalene plasseres i tilstrekkelig avstand fra hverandre for å oppfylle kravene til krypstrømavstand og klaring, som beskrevet i DIN EN 60664-1, som omhandler isolasjonskoordinering for utstyr i lavspenningssystemer.

Krypstrøm refererer til den korteste banen mellom to ledende punkter langs en isolerende overflate, mens klaring angir den korteste luftbanen mellom ledere. Disse spesifikasjonene er avgjørende for å sikre beskyttelse opptil 60 V, den øvre grensen til overspenningsområdet.

Effektiv sekundærlåsing av tilkoblingspunktet er også viktig for å hindre utilsiktet terminalfrakobling (TPO – terminal push out), noe som kan føre til langsom eller periodisk frakobling av strømmen. Slike frakoblinger kan utløse mikrolysbuedannelse som kan føre til skade på pletteringen eller kompromittere terminalens grunnmetall, som igjen kan føre til høy motstand eller sammensveiset forbindelse.

Forseglingen til kontakten er også verdt nøye tilsyn. Eksponering av en 48-volts kontakt for en elektrolytt, for eksempel saltvann, kan utløse en mer aggressiv elektrokjemisk reaksjon enn ved 12 V. For å unngå slike skader og kortslutninger, er det svært viktig å bruke kontakter som oppfyller egnet forurensningsgrad, vanligvis USCAR-2 forseglingsklasse 2 eller høyere.

Figur 2 illustrerer hvordan disse konstruksjonsprinsippene implementeres i hunnkontakten 3003610011 for mellomspenning, med to rader og 20 kretser. Den korresponderende hannkoblingen, er 0334822423.

Figur 2: MX150-kontaktsystemet for mellomspenning har flere funksjoner for å gi sikker og pålitelig tilkobling. Her vises hunnkontakten 3003610011, som har to rader og 20 kretser. (Bildekilde: Molex)

MX150-kontaktene er forhåndsmontert med kontakthus, tetninger og TPA-komponenter (TPA – Terminal Position Assurance), noe som strømlinjeformer installasjon og vedlikehold. Viktige egenskaper til kontakten som vises i figur 2, omfatter følgende:

• En TPA som låser terminalene sikkert på plass i huset, og forhindrer at de løsner
• En sekundær CPA-lås (CPA – Connector Position Assurance) som sikrer sikker tilkobling og forhindrer utilsiktet frakobling under kraftige vibrasjoner eller slag
• Integrerte matte- og ringtetninger som gir sikker ytelse, selv når de er nedsenket, eliminerer behovet for individuelle kabeltetninger
• En gjennomføringshette som forbedrer beskyttelsen av mattetetningen og sikrer riktig innretting av terminalene, noe som opprettholder integriteten til tilkoblingene

Konstruksjonsfaktorer for blandede spenninger

Spesielle forholdsregler er viktig i systemer med blandede spenninger for å hindre at strøm flyter mellom mellomspennings- og lavspenningskretser. Den mest effektive strategien er å bruke separate kontakter for hvert spenningsnivå, noe som unngår at begge spenningene integreres i samme kontakt. I tillegg har bilindustrien tatt i bruk lyseblå fargekoding for 48-volts kontakter for å tydelig skille dem fra 12-volts kontakter.

Opprinnelsen til denne fargekodingen går tilbake til elektriske gaffeltrucker, som lenge har brukt batterier med varierende spenninger. Retningslinjer for farger ble etablert for å forhindre feil, noe som førte til utbredt bruk av blå for 48-volts kontakter i ulike industrier.

Dette systemet fungerer sammen med den etablerte bruken av oransje kontakter og ledninger, som kjennetegner høyspenningssystemer. Denne fargekodingen angir tydelig komponenter som krever spesifikke sikkerhetsforholdsregler, noe som sikrer at de ikke håndteres uten riktig sikkerhetsopplæring og personlig verneutstyr (PPE – personal protective equipment).

Faktorer forbundet med produksjon og driftsdyktighet

Risikoen for lysbuedannelse i mellomspenningskontakter krever at de er konstruert for pålitelig produksjon og service. Dette kravet håndteres av USCAR-21, som fastsetter testmetodene og kriteriene for elektriske kabel-til-terminal-krympinger i kjøretøyrelaterte utrustninger.

Et viktig aspekt av USCAR-21 er trekktesting, som innebærer å bruke en konsekvent trekkhastighet på en krympet tilkobling for å estimere strekkfastheten. Denne testen sikrer at krympingen kan tåle de mekaniske påkjenningene den vil stå overfor i løpet av levetiden. Spesifikasjonen fremhever også nødvendigheten av å bruke nøyaktige verktøy og prosessinnstillinger under krymping.

I tillegg er det tilrådelig å finne kontakter sertifisert i henhold til GMW3191, en omfattende standard formulert av General Motors. Denne standarden skisserer test- og valideringskravene for elektriske kontakter i bilindustrien, noe som bekrefter deres pålitelighet og holdbarhet under krevende forhold.

Monterings- og servicefaktorer for Molex MX150

For å fullføre en kontaktmodul, må ledningene først termineres. Med MX150-hannkontaktmodulen, for eksempel, må ledningsnettet termineres til en 330000001-knivkontakt. På samme måte må ledningene termineres til en rektangulær kontakt i 33001- eller 33012-serien for hunnuttaket.

I begge tilfeller må de terminerte ledningene skyves inn i kontakten helt til de er festet på plass. Hvis en kretsposisjon skal stå tom, må åpningen fylles på hannsiden med 343450001-hullpluggen.

For å hjelpe til med denne termineringsprosessen, tilbyr Molex 0638115900, et manuelt krympeverktøy (figur 3). Denne enheten gir en sikker tilkobling mellom ledningen og knivkontakten eller den rektangulære kontakten.

Figur 3: Det manuelle krympeverktøyet 0638115900 gir en sikker forbindelse mellom ledningen og knivkontakten eller den rektangulære kontakten. (Bildekilde: Molex)

Spesialutstyr er også tilgjengelig for å utføre service på en kontakt. Ekstraksjonsverktøyet 0638131500 (figur 4) gjør det mulig for teknikere å fjerne ledninger fra en kontakt uten å forstyrre resten av modulen.

Figur 4: Uttrekkingsverktøyet 0638131500 gjør det mulig å fjerne enhver ledning fra en kontakt uten å forstyrre resten av modulen. (Bildekilde: Molex)

Konklusjon

Ved overgangen til en mellomspenningsarkitektur kan bilprodusenter og deres tilknyttede leverandører dra nytte av å bruke komponenter basert på lavspenningsteknologi. Overgangen til 48 V gir nye sikkerhets- og pålitelighetsproblemer, men disse problemene kan lett løses ved å følge nøye med på standarder og velge et kontaktsystem med robuste låse- og forseglingsmekanismer. Når du velger et 48-volts kontaktsystem, er det lurt å finne en leverandør som har et omfattende sortiment, dokumentert erfaring og tilknyttede verktøy.