Så här väljer du 48 V-kontaktdon för fordon med mellanspänningsarkitekturer

Myndighetskrav på lägre utsläpp av CO₂ och konsumenters efterfrågan på fordonselektronik har lett till en övergång från 12 V-system till mer effektiva 48 V-arkitekturer. Arkitekturer för mellanspänning har högre effekt och lättare, billigare kabelstammar.

Svårigheten för konstruktörer ligger i att säkerställa att kontaktdonen uppfyller höga elektricitets-, säkerhets- och tillförlitlighetskrav samt fysiska krav för 48 V-system, samtidigt som de uppfyller kraven på kostnad och tid till marknaden. Lösningen ligger i att skapa en förståelse för driftkrav, bestämmelser och säkerhetsmässiga kraven på arkitekturer för mellanspänning i fordonsindustrin innan man gör ett val från en lämplig leverantörs sortiment.

Artikeln går igenom de fördelar som 48 V-arkitekturer har och beskriver utmaningarna vid val av lämpliga kontaktdon. Därefter presenteras lämpliga lösningar från Molex med en beskrivning om hur lösningarna kan tillämpas i praktiska scenarier.

Fördelarna för fordonsindustrin med 48 V-arkitekturer

Fordonstillverkare kan implementera mildhybridsystem som återvinner energi vid inbromsning och frirullning genom att gå från arkitekturer med låg spänning till arkitekturer med mellanspänning. De kan också använda förbättrade start- och stoppsystem som minskar bränsleförbrukningen vid stadskörning och i trafikstockning. Eftersom den högre spänningen gör det möjligt att använda lättare kablage med mindre dimensioner för att leverera samma effekt vid lägre strömstyrka, minskar 48 V-system dessutom fordonets vikt. Samtliga faktorer leder till betydande bränslebesparingar, särskilt i mindre fordon.

Det behövs även kabelstammar som tål mer effekt för att klara elektrifieringen av komponenter som t.ex. servostyrning, luftkonditionering och införandet av avancerade system för förarassistans (ADAS), som t.ex. adaptiv farthållare och körfältsassistans. Omställningen till en 48 V-arkitektur uppfyller detta behov utan de kostnader och den komplexitet som är förknippad med högpänningssystem (dvs. 400 V eller mer) som används i hybridfordon och batteridrivna elfordon.

48 V-arkitekturen fungerar även som en övergång till en ökad elektrifiering av fordon, vilket möjliggör en gradvis integrering av hybridteknologin utan en fullständig omarbetning av den elektriska utrustningen. System för mellanspänning kommer att förbli värdefulla även i helt elektriska fordon, vilket framgår av att de ingår i konstruktioner som t.ex. Cybertruck.

Kostnadsöverväganden för 48 V-anslutningar

Frågan om vilket elektriskt anslutningssystem som bör användas för 48 V-arkitekturer kan besvaras genom att titta på de tekniska utmaningar som uppstår till följd av den ökade spänningen.

Det är tekniskt möjligt att använda de kontaktdon som utvecklats för högspänning för el- och hybridfordon, men av kostnads- och utrymmesskäl är det olämpligt. Att anpassa 12 V-kontaktdon för arkitekturer med mellanspänning är däremot ett attraktivt förslag avseende kostnad och storlek.

Det är värt att notera att inte alla fordonssystem kommer att byta till 48 V. Några mindre enheter som förbrukar mindre ström kommer att stanna på 12 V. Därför är det bra att ha enhetliga anslutningar för 12- och 48 V-system för att förenkla verktygshantering och utbildning av tekniker.

Kontaktdonsystemet MX150 för mellanspänning från Molex (figur 1) är ett exempel på dessa konstruktionsprinciper. Kontaktdonen har samma format som de beprövade kontaktdonen MX150 för lågspänning. Genom att använda samma storlek på kapslingen och utformning av höljet som kontaktsystemet för 12 V är kontaktdonen MX150 för mellanspänning enkla att uppgradera, med minimalt konstruktionsarbete, för en ledararkitektur på 48 V.

Figur 1: Kontaktdonsystemet MX150 för mellanspänning har samma format som de beprövade kontaktdonen MX150 för lågspänning. (Bildkälla: Molex)

Kontaktdonsystemet MX150 för mellanspänning omfattar för närvarande fem olika konfigurationer, som beskrivs i tabell 1. Dessa inkluderar kontaktdonen 33482 med dubbla rader och motsvarande uttag 300361 med dubbla rader samt 300363 med en rad.

Tabell 1: Viktiga specifikationer för kontaktdonsystemet MX150 för mellanspänning. (Tabellkälla: Molex, modifierad av Kenton Williston)

Säkerhetsöverväganden för 48 V-anslutningar

Även om 12 V är en bra utgångspunkt för kontaktdon för mellanspänning är utmaningarna med att byta till 48 V inte enkla. Ljusbågar är särskilt oroande.

I 12 V-system slocknar små ljusbågar vanligtvis snabbt när kretsarna bryts. I 48 V-system däremot kan ljusbågar kvarstå längre och potentiellt orsaka allvarliga skador på anslutningar och höljen. För att minska denna risk måste anslutningarna placeras tillräckligt långt ifrån varandra för att uppfylla kraven för krypningsavstånd och frigång enligt DIN EN 60664-1, som reglerar isoleringskoordinering för utrustning i lågspänningssystem.

Krypning avser den kortaste vägen mellan två ledande punkter längs en isolerande yta, medan frigång avser den kortaste luftvägen mellan ledarna. Specifikationerna är avgörande för att säkerställa skydd för upp till 60 V, den övre gränsen för överspänningsområdet.

Effektiv sekundär låsning av anslutningen är även viktigt för att förhindra att anslutningarna trycks ut vilket kan orsaka långsamma eller intermittenta strömavbrott. Sådana frånkopplingar kan leda till små ljusbågar, skada pläteringen eller äventyra anslutningssockelns metall, vilket leder till hög resistans eller en hopsvetsad anslutning.

Även kontaktdonens tätning kräver särskild uppmärksamhet. Om ett 48 V-kontaktdon utsätts för en elektrolyt, som t.ex. saltvatten, kan det utlösa en aggressiv elektrokemisk reaktion, som är kraftigare än vid 12 V. För att förhindra sådana skador och kortslutningar är det viktigt att använda kontaktdon som uppfyller lämplig föroreningsgrad, vanligtvis USCAR-2 tätningsklass 2 eller högre.

Figur 2 visar hur konstruktionsprinciperna har implementerats i 3003610011, ett honuttag med två rader och 20 kretsar för mellanspänning. Motsvarande hankontaktdon är 0334822423.

Figur 2: Kontaktdonsystemet MX150 för mellanspänning har flera funktioner för att säkerställa en säker och tillförlitlig anslutning. På bilden visas honuttaget 3003610011 med dubbla rader och 20 kretsar. (Bildkälla: Molex)

Kontaktdonen MX150 är förmonterade med kontaktdonens höljen, tätningar och säkert anslutningsläge (TPA) på plats, vilket effektiviserar installation och underhåll. Viktiga egenskaper hos det kontaktdon som illustreras i figur 2 är bl.a:

• Ett säkert anslutningsläge som låser fast anslutningarna i höljena på ett säkert sätt och förhindrar att de lossnar
• Ett sekundärt lås för kontaktdonets läge som garanterar en säker anslutning och förhindrar oavsiktlig frånkoppling vid kraftiga vibrationer eller stötar
• Integrerade matt- och ringtätningar som garanterar säker prestanda även under vatten, vilket eliminerar behovet av individuella kabeltätningar
• Ett genomföringslock som förbättrar skyddet av mattätningen och garanterar korrekt läge för anslutningarna, vilket bibehåller anslutningarnas integritet

Konstruktionsöverväganden för blandade spänningar

Särskilda försiktighetsåtgärder är nödvändiga i system med blandad spänning för att förhindra att ström flyter mellan kretsarna för mellan- och lågspänning. Den mest effektiva strategin är att använda separata kontaktdon för respektive spänningsnivå och undvika att integrera båda spänningarna i samma kontaktdon. Dessutom har fordonsindustrin infört en ljusblå färgkodning för 48 V-kontaktdon för att tydligt särskilja dem från kontaktdon för 12 V.

Ursprunget till denna färgkodning kommer från elektriska gaffeltruckar som länge har använt batterier med varierande spänning. Riktlinjerna för färgerna fastställdes för att förhindra fel, vilket ledde till att blå färg började användas för 48 V-kontaktdon i många olika branscher.

Systemet fungerar tillsammans med den etablerade användningen av orangea kontaktdon och kablar, som kännetecknar högspänningssystem. Färgkodningen visar tydligt vilka komponenter som kräver särskilda säkerhetsåtgärder och säkerställer att de inte hanteras utan lämplig säkerhetsutbildning eller personlig skyddsutrustning (PPE).

Överväganden gällande tillverkning och användbarhet

Risken för ljusbågar i kontaktdon för mellanspänning gör att de måste konstrueras för tillförlitlig tillverkning och service. Detta krav uppfylls genom USCAR-21 som fastställer testmetoder och kriterier för elektrisk kontaktpressning av kabel till anslutningar i fordonstillämpningar.

En viktig aspekt av USCAR-21 är dragprovning, vilket innebär att man tillämpar en konsekvent utmatningshastighet på en anslutning för att bedöma draghållfastheten. Provningen garanterar att pressningen av kontaktdonen klarar de mekaniska påfrestningar som de utsätts för under sin livslängd. Specifikationen belyser även nödvändigheten av att använda exakta verktygs- och processinställningar vid pressning av kontaktdon.

Det är dessutom lämpligt att välja kontaktdon som är klassificerade enligt GMW3191, en omfattande standard som utarbetats av General Motors. Standarden beskriver kraven för provning och validering av elektriska kontaktdon för fordon, vilket bekräftar deras tillförlitlighet och hållbarhet under krävande förhållanden.

Monterings- och servicehänsyn för MX150 från Molex

För att slutföra monteringen av kontaktdon måste ledningarna först anslutas. Med anslutningsenheten MX150 för hanen måste ledarna anslutas mot 330000001. På samma sätt måste ledarna för honkontakten anslutas i ett rektangulärt kontaktdon i serierna 33001 eller 33012.

I båda fallen måste de anslutna ledarna tryckas in i anslutningsdonet tills de sitter fast. Om en kretsposition ska lämnas tomt, ska mellanrummet på hansidan fyllas med hålrumspluggen 343450001.

För att underlätta denna anslutningsprocess har Molex pressverktyget 0638115900 för manuell pressning (figur 3). Anordningen säkerställer en säker anslutning mellan ledare och blad eller det rektangulära kontaktdonet.

Figur 3: Pressverktyget 0638115900 för manuell pressning garanterar en säker anslutning mellan ledare och blad eller det rektangulära kontaktdonet. (Bildkälla: Molex)

Det finns även särskild utrustning för att utföra service på ett kontaktdon. Med extraheringsverktyget 0638131500 (figur 4) kan tekniker avlägsna ledare ur ett kontaktdon utan att störa övrigt montage.

Figur 4: Extraheringsverktyget 0638131500 gör det möjligt att avlägsna valfri ledare ur ett kontaktdon utan att störa övrigt montage. (Bildkälla: Molex)

Sammanfattning

Vid övergången till en arkitektur för mellanspänningar kan fordonstillverkare och deras leverantörer dra nytta av att använda komponenter som bygger på lågspänningsteknik. Övergången till 48 V innebär nya betänkligheter gällande säkerhet och tillförlitlighet, och dessa kan lätt lösas genom att noga följa standarderna och välja ett anslutningssystem med robusta lås- och tätningsmekanismer. När du väljer ett kontaktdonsystem för 48 V är det lämpligt att hitta en leverantör med ett omfattande produktsortiment, beprövad erfarenhet och tillhörande verktyg.