48 V-os csatlakozók választása közepes feszültségű gépjárműipari rendszerekhez

A kisebb CO₂-kibocsátásra vonatkozó kormányzati előírások és a járműelektronika iránti fogyasztói kereslet a 12 V-os gépjárműipari rendszerekről a hatékonyabb 48 V-os architektúrákra való áttérést eredményezte. Ezek a közepes feszültségű rendszerek nagyobb teljesítményt és könnyebb, olcsóbb kábelkötegeket kínálnak.

A tervezők számára a problémát annak biztosítása jelenti, hogy a csatlakozók megfeleljenek a 48 V-os rendszerek szigorú villamossági, biztonsági, megbízhatósági és fizikai követelményeinek és egyúttal a költségkorlátoknak és piacra kerülési időre vonatkozó határidőknek is. A megoldás abban rejlik, hogy mielőtt a megfelelő beszállítói kínálatból választanánk, meg kell érteni a közepes feszültségű gépjárműipari rendszerek működési, szabályozási és biztonsági követelményeit.

Ez a cikk áttekinti a 48 V-os rendszerek előnyeit, és felvázolja a megfelelő csatlakozók kiválasztásának nehézségeit. Ezt követően bemutatja a Molex néhány megfelelő csatlakozóját, és ismerteti, hogy ezek hogyan használhatóak a való életben.

A 48 V-os gépjárműipari rendszerek előnyei

A gépjárműgyártók a közepes feszültségű rendszerekre való áttéréssel olyan lágy hibrid rendszereket valósíthatnak meg, amelyek fékezés és kigurulás közben visszatáplálják az energiát. Olyan továbbfejlesztett motorindító-leállító (start-stop) rendszereket is beépíthetnek, amelyek csökkentik a tüzelőanyag-fogyasztást városi vezetés közben és dugókban. Emellett, mivel a nagyobb feszültség lehetővé teszi a könnyebb, kisebb átmérőjű vezetékek használatát, mivel ugyanazt a teljesítményt kisebb áramerősséggel lehet elérni, a 48 V-os rendszerek csökkentik a jármű tömegét. Mindezek a tényezők jelentős tüzelőanyag-megtakarítást eredményeznek, különösen a kisebb járművek esetében.

Szükség van azonban nagyobb áramerősségre méretezett kábelkötegekre is az olyan berendezések árammal való ellátásához, mint a szervokormány, a légkondicionáló, valamint a fejlett vezetőtámogató rendszerek (ADAS, advanced driver assistance system), például az alkalmazkodó sebességtartó automatika (ACC, adaptive cruise control) és a sávtartó segéd (LKA, lane-keeping assistant). A 48 V-os rendszerre való áttéréssel a teljesen hibrid villanyjárművekben (HEV, hybrid electric vehicle) és az akkumulátoros villanyjárművekben (BEV, battery electric vehicle) használt nagyfeszültségű (azaz 400 V-os és annál nagyobb) rendszerek költségei és bonyolultsága nélkül lehet megfelelni ennek az igénynek.

A 48 V-os rendszer egyben hídként is szolgál a járművek nagyobb mértékű villamosítása felé, lehetővé téve a hibrid technikák fokozatos beépítését a villamos rendszer teljes átalakítása nélkül. Ezek a közepes feszültségű rendszerek még a teljesen villamos villanyjárművekben is értékesek maradnak, amint azt a Cybertruckhoz hasonló járművekbe való beépítésük is bizonyítja.

A 48 V-os csatlakozókkal kapcsolatos költségszempontok

A kérdésre, hogy milyen villamos csatlakozórendszert kell használni a 48 V-os rendszerekhez, a nagyobb feszültségből eredő műszaki szempontokat megvizsgálva lehet választ adni.

A villany- és hibrid járművekhez kifejlesztett nagyfeszültségű csatlakozók használata műszakilag megoldható, de a költségek és a méretek miatt nem célszerű. Ezzel szemben a 12 V-os csatlakozók átalakítása a közepes feszültségű rendszerekhez vonzó költség- és méretbeli lehetőségnek tűnik.

Érdemes megjegyezni azt is, hogy nem minden járműrendszer áll át 48 V-ra. Néhány kisebb méretű és fogyasztású eszköz 12 V-on marad. Azért hasznos, ha a 12 V-os és 48 V-os rendszerekben egységes csatlakozókat használunk, mert egyszerűsíthetjük a szükséges szerszámkészletet és a szerelők képzését.

A Molex közepes feszültségű MX150 csatlakozórendszere (1. ábra) remek példa ezekre a tervezési elvekre. Ezeknek a csatlakozóknak a mérete azonos a jól bevált MX150-es kisfeszültségű csatlakozókéval. A 12 V-os csatlakozórendszerrel megegyező méretű és kialakítású közepes feszültségű MX150 csatlakozók egyszerű továbbfejlesztést tesznek lehetővé a 48 V-os kábelezési rendszerre, minimális tervezési munkával.

1. ábra: A közepes feszültségű Molex MX150 csatlakozórendszer csatlakozóinak a kialakítása ugyanolyan, mint a jól bevált kisfeszültségű MX150 csatlakozóké (kép: Molex)

A közepes feszültségű MX150 csatlakozórendszer jelenleg öt különböző kialakítású csatlakozópárból áll, amint azt az 1. táblázat részletezi. Ezek közé tartoznak a kétsoros 33482 késélcsatlakozós dugók és ellenpárjaik, a kétsoros 300361 aljzatok, valamint az egysoros 300363 dugók.

1. táblázat: A közepes feszültségű MX150 csatlakozórendszer legfontosabb műszaki jellemzői (táblázat: Molex, módosította: Kenton Williston)

A 48 V-os csatlakozók biztonsági szempontjai

Bár a 12 V jó kiindulópont a közepes feszültségű csatlakozókhoz, a 48 V-ra való áttérés jelentette feladatok nem elhanyagolhatóak. Különös aggodalomra ad okot az ívképződés.

A 12 V-os rendszerekben a kis ívek általában gyorsan elhalnak, amikor az áramkörök megszakadnak. 48 V-on azonban az ívek hosszabb ideig fennmaradhatnak, ami súlyosan károsíthatja az érintkezőket és a csatlakozóházakat. Ennek a kockázatnak a csökkentése érdekében a csatlakozókat olyan távolságra kell elhelyezni egymástól, hogy megfeleljenek a kisfeszültségű rendszerekben lévő berendezések szigetelési jellemzőit szabályozó DIN EN 60664-1 szabvány kúszóáramutakra és a légközökre vonatkozó követelményeinek.

A kúszóáramút a két vezető pont közötti legrövidebb utat jeleni a szigetelőanyag felületén át, míg a légköz a vezetők között a levegőben mérhető legrövidebb távolság neve. Ezek a jellemzők kiemelt fontosságúak a 60 V-ig, a túlfeszültség-tartomány felső határáig tartó védelem biztosításához.

Az érintkezőknek a házban való hatékony rögzítése szintén alapvető fontosságú az érintkezők kinyomódásának (TPO, terminal push out) megelőzése érdekében, amely az áramút lassú vagy időszakos megszakadásait okozhatná. Az ilyen megszakadások miatt mikroívek keletkezhetnek, amelyek károsíthatják a bevonatot vagy rongálhatják az érintkező alapfémjét, ami megnövekedett ellenálláshoz vagy az érintkezők összeolvadásához vezet.

A csatlakozók tömítése is rendkívül nagy figyelmet érdemel. Ha egy 48 V-os csatlakozót olyan elektrolitnak teszünk ki, mint a sós víz, az agresszív elektrokémiai reakciót válthat ki, még inkább, mint 12 V-on. Az ilyen károsodások és rövidzárlatok megelőzése érdekében elengedhetetlen, hogy olyan csatlakozókat használjunk, amelyek képesek a vonatkozó szennyezettségi fokozatot biztosító tömítésre. Ez jellemzően az USCAR-2 szabvány 2. tömítési osztálya vagy annál magasabb.

A 2. ábra azt szemlélteti, hogyan valósítják meg ezeket a tervezési elveket a 3003610011, egy húszérintkezős, kétsoros, közepes feszültségű csatlakozóaljzat esetében. A hozzá illeszkedő csatlakozódugó a 0334822423 jelű.

2. ábra: A közepes feszültségű MX150 csatlakozórendszernek számos olyan jellemzője van, amely biztosítja a biztonságos és megbízható csatlakozást. Az ábrán a 3003610011 kétsoros, 20 érintkezős csatlakozóaljzat látható (ábra: Molex)

Az MX150 csatlakozók gyárilag össze vannak szerelve, a helyükön vannak a csatlakozóházak, tömítések és az érintkezőhelyzet-beállító (TPA, terminal position assurance) alkatrészek, ami egyszerűsíti a szerelést és a karbantartást. A 2. ábrán látható csatlakozó főbb jellemzői a következők:

• Egy érintkezőhelyzet-beállító alkatrész, amely biztonságosan rögzíti az érintkezőt a házban, megakadályozva az elmozdulását.
• Egy másodlagos érintkezőhelyzet-rögzítő (CPA, connector position assurance), amely a biztonságos csatlakozást garantálja, és megakadályozza a csatlakozó véletlen szétcsúszását erős rázkódás vagy ütés hatására
• Beépített szőnyeg- (mat seal) és gyűrűs (ring seal) tömítések, amelyek még a csatlakozót víz alá merítve is garantálják a megbízható teljesítményt, így nincs szükség külön kábeltömítésekre.
• A tömítősapka (grommet cap) növeli a szőnyegtömítés nyújtotta védelmet, és biztosítja az érintkezők helyes beállítását, fenntartva a csatlakozások stabilitását.

A vegyes feszültségű eszközökkel kapcsolatos szempontok

A vegyes feszültségű rendszerekben különleges óvintézkedések szükségesek annak megakadályozására, hogy áram folyjon a közepes feszültségű és a kisfeszültségű áramkörök között. A leghatékonyabb módszer az, ha az egyes feszültségszintekhez külön csatlakozókat használunk, elkerülve a kétféle feszültség egyazon csatlakozón belüli előfordulását. Ezenkívül a gépjárműiparban a 48 V-os csatlakozókra világoskék színkódolást használnak, hogy egyértelműen megkülönböztessék őket a 12 V-os csatlakozóktól.

A színkódolás eredete a villamos targoncákra vezethető vissza, amelyek már régóta használnak különböző feszültségű akkumulátorokat. A hibák elkerülése érdekében színkódokat alakítottak ki, ami a különböző iparágakban használt 48 V-os csatlakozók esetében a kék szín széles körű elterjedéséhez vezetett.

Ezt a rendszert a nagyfeszültségű rendszerek jelzésére már bevett narancssárga csatlakozókkal és vezetékekkel együtt használják. Ez a színkódolás egyértelműen jelzi azokat az alkatrészeket, amelyek különleges óvintézkedéseket igényelnek, biztosítva, hogy megfelelő munkavédelmi oktatás és egyéni védőfelszerelés nélkül senki ne nyúljon ezekhez.

Gyártási és karbantarthatósági szempontok

A közepes feszültségű csatlakozókat az ívképződés veszélye miatt megbízható gyártásúra és szervizelésűre kell tervezni. Ezzel a követelménnyel az USCAR-21 szabvány foglalkozik, amely előírja a gépjárműipari berendezésekben használt érintkezők kábelekre való rápréselésének vizsgálati módszereit és feltételeit.

Az USCAR-21 egyik legfontosabb eleme a húzószilárdság-vizsgálat, amelynek során a húzószilárdság ellenőrzése érdekében a préselt csatlakozásokra egyenletes húzóerőt fejtenek ki. Ez a vizsgálat garantálja, hogy a préselt csatlakozás elviseli azokat a mechanikai igénybevételeket, amelyeknek az élettartama során ki lesz téve. A szabvány felhívja a figyelmet a rápréselés során használt pontos szerszámok és folyamatbeállítások szükségességére.

Ezen túlmenően célszerű a General Motors által kidolgozott átfogó szabvány, a GMW3191 szerint tanúsított csatlakozókat keresni. Ez a szabvány a gépjárművek villamos csatlakozóinak vizsgálati és hitelesítési követelményeit határozza meg, igazolva ezen csatlakozók megbízhatóságát és tartósságát magas követelményeket támasztó körülmények között.

A Molex MX150 csatlakozók összeszerelési és szervizelési szempontjai

A csatlakozó használhatóvá tételéhez előbb csatlakoztatni kell a vezetékeket a csatlakozó érintkezőihez. Az MX150 csatlakozódugói esetében például a kábelköteg vezetékeit a 330000001 jelű késélérintkezőkhöz kell csatlakoztatni. A csatlakozóaljzat esetében ehhez hasonlóan a vezetékeket a 33001 vagy 33012 sorozatú négyszögletes csatlakozóérintkezőhöz kell kötni.

A csatlakoztatott vezetékkel ellátott érintkezőket mindkét esetben a csatlakozóba kell tolni, amíg a helyükre nem rögzülnek. Ha egy érintkezőhelyet üresen kell hagyni, a hézagot a csatlakozódugóban a 343450001 jelű vakdugóval kell kitölteni.

A csatlakoztatási folyamat segítésére a Molex a 0638115900 jelű kézi préselőszerszámot kínálja (3. ábra). Ez az eszköz biztonságos kapcsolatot hoz létre a vezeték és a késélérintkező vagy a négyszögletes érintkező között.

3. ábra: A 0638115900 jelű kézi préselőszerszám biztonságos kapcsolatot hoz létre a vezeték és késélérintkező vagy a négyszögletes érintkező között (kép: Molex)

A csatlakozók szervizeléséhez célszerszámok is kaphatóak. A 0638131500 jelű kihúzószerszám (4. ábra) lehetővé teszi a technikusok számára, hogy a szerelvény többi részének megzavarása nélkül távolítsák el a csatlakozóból az egyes érintkezőket.

4. ábra: A 0638131500 jelű kihúzószerszám lehetővé teszi bármely érintkező eltávolítását a csatlakozóból a szerelvény többi részének megzavarása nélkül (kép: Molex)

Összegzés

A közepes feszültségű rendszerekre való áttérés során az autógyártók és beszállítóik számára előnyös lehet a kisfeszültségű technikán alapuló alkatrészek használata. A 48 V-ra való áttérés új biztonsági és megbízhatósági problémákat vet fel, de ezek az aggályok könnyen kezelhetők a szabványok gondos betartásával, valamint strapabíró rögzítő- és tömítőmechanizmusokat tartalmazó csatlakozórendszert választva. A 48 V-os csatlakozórendszer választása esetén célszerű olyan beszállítót keresni, amelynek átfogó termékválasztéka van, bizonyítottan megvan a szükséges tapasztalata, és a termékekhez kapcsolódó szerszámokat is kínál.