48 V:n liittimien valinta ajoneuvojen keskijännitearkkitehtuureihin

Valtioiden asettamat määräykset hiilidioksidipäästöjen vähentämisestä ja kuluttajien ajoneuvoelektroniikan kysyntä ovat johtaneet siirtymiseen 12 V:n ajoneuvojärjestelmistä tehokkaampiin 48 V:n arkkitehtuureihin. Nämä keskijännitearkkitehtuurit tarjoavat korkeamman tehonjakelun sekä kevyemmät ja edullisemmat johdinsarjat.

Suunnittelijoiden ongelmana on varmistaa, että liittimet täyttävät 48 V:n järjestelmien haastavat sähköiset, turvallisuus-, luotettavuus- ja fyysiset vaatimukset sekä samalla kustannus- ja markkinoilletuontirajoitukset. Ratkaisu on oppia ymmärtämään ajoneuvojen keskijännitearkkitehtuurien toiminta-, sääntely- ja turvallisuusvaatimuksia ennen sopivan toimittajan valintaa.

Tässä artikkelissa tarkastellaan 48 V:n arkkitehtuurien etuja ja tuodaan esiin sopivien liittimien valintaan liittyviä haasteita. Sen jälkeen siinä esitellään Molexin tarjoamia sopivia ratkaisuja ja kuvataan, miten näitä ratkaisuja voidaan soveltaa käytännön skenaarioihin.

48 V:n ajoneuvoarkkitehtuurien edut

Autonvalmistajat voivat keskijännitearkkitehtuurien käyttöön siirtymällä toteuttaa kevyitä hybridijärjestelmiä, jotka ottavat energiaa talteen jarrutuksen ja rullauksen aikana. Niissä voidaan myös käyttää parannettuja sammutus-käynnistysjärjestelmiä, jotka vähentävät polttoaineen kulutusta kaupunkiajossa ja ruuhkissa. Koska korkeampi jännite mahdollistaa kevyempien ja ohuempien johdinten käytön saman tehon siirtämiseen pienemmällä virralla, 48 V:n järjestelmät vähentävät lisäksi ajoneuvon painoa. Kaikki nämä tekijät johtavat merkittäviin polttoainesäästöihin erityisesti pienemmissä ajoneuvoissa.

Korkeatehoisia johdinsarjoja tarvitaan myös sellaisten komponenttien kuten ohjaustehostimen ja ilmastoinnin sähköistämiseen sekä kehittyneiden kuljettajan apujärjestelmien (ADAS) mahdollistamiseen, esimerkkeinä mukautuvat vakionopeudensäätimet ja kaistanpitoavustimet. Siirtyminen 48 V:n arkkitehtuuriin täyttää tämän tarpeen ilman täyshybridisähköautoissa (HEV) ja akkusähköautoissa (BEV) käytettäviin korkeajännitejärjestelmiin (400 V ja sitä korkeammat jännitteet) liittyviä kustannuksia ja kompleksisuutta.

48 V:n arkkitehtuuri toimii myös siltana ajoneuvojen laajemmalle sähköistämiselle, sillä se mahdollistaa hybriditekniikoiden asteittaisen integroinnin ilman sähköjärjestelmien täydellistä uudistamista. Nämä keskijännitejärjestelmät ovat hyödyllisiä jopa täyssähköajoneuvoissa, kuten niiden integrointi Cybertruckin kaltaisiin ratkaisuihin osoittaa.

Näkökohtia 48 V:n liittimien kustannuksiin

Kysymykseen siitä, mitä sähköliitäntäjärjestelmää 48 V:n arkkitehtuureissa tulisi käyttää, voidaan vastata tarkastelemalla korkeampaan jännitteeseen liittyviä teknisiä haasteita.

Sähkö- ja hybridiajoneuvoihin kehitettyjen korkeajänniteliittimien käyttö olisi kyllä teknisesti mahdollista, mutta se ei ole kustannus- ja tilasyistä suositeltavaa. Sitä vastoin 12 voltin liittimien mukauttaminen keskijännitearkkitehtuureihin tarjoaa houkuttelevan kustannus- ja kokoedun.

On syytä huomata, että kaikkia ajoneuvojärjestelmiä ei muuteta 48 voltin jännitteelle. Jotkin pienemmät laitteet, jotka kuluttavat vain vähän virtaa, käyttävät edelleen 12 voltin jännitettä. Siksi 12 V:n ja 48 V:n järjestelmissä on järkevää käyttää yhdenmukaisia liittimiä työkalujen ja teknikkojen koulutuksen yksinkertaistamiseksi.

Molexin MX150-keskijänniteliitinjärjestelmä (kuva 1) on esimerkki näistä suunnitteluperiaatteista. Nämä liittimet ovat kooltaan samanlaisia kuin luotettavat MX150-pienjänniteliittimet. Koska MX150-keskijänniteliittimissä käytetään samaa kotelokokoa ja -rakennetta kuin 12 V:n liitinjärjestelmässä, ne mahdollistavat helpon päivityksen 48 V:n johdotusarkkitehtuuriin minimaalisella suunnittelutyöllä.

Kuva 1: Mx150-keskijänniteliitinjärjestelmän liittimet ovat saman kokoisia kuin luotettavat Mx150-pienjänniteliittimet. (Kuvan lähde: Molex)

MX150-keskijänniteliitinjärjestelmä sisältää tällä hetkellä viisi erilaista konfiguraatiota, jotka on esitetty taulukossa 1. Niihin kuuluvat kaksiriviset 33482-urosliittimet ja niitä vastaavat kaksiriviset 300361-naarasliittimet sekä yksirivinen 300363.

Taulukko 1: MX150-keskijänniteliitinjärjestelmän tärkeimmät tekniset spesifikaatiot. (Taulukon lähde: Molex, muokannut Kenton Williston)

48 V:n liittimiä koskevat turvallisuusnäkökohdat

Vaikka 12 V on hyvä lähtökohta keskijänniteliittimiin siirtymiseen, 48 volttiin siirtymisen haasteet eivät ole vähäisiä. Erityisesti valokaarien syntyminen voi olla yksi huolenaihe.

12 V:n järjestelmissä pienet valokaaret sammuvat yleensä nopeasti, kun piirit katkaistaan. 48 V:n jännitteellä valokaaret voivat kuitenkin kestää pidempään, mikä voi aiheuttaa vakavia vaurioita liittimille ja koteloille. Tämän riskin pienentämiseksi liittimet on sijoitettava riittävän etäälle toisistaan, jotta ne täyttävät laitteiden eristyskoordinaatiosta pienjännitejärjestelmissä säätävän DIN EN 60664-1 -standardin mukaiset pinta- ja ilmavälivaatimukset.

Pintaväli tarkoittaa kahden johtavan pisteen välistä lyhintä reittiä eristävällä pinnalla, kun taas ilmaväli merkitsee lyhintä johtimien välistä ilmareittiä. Nämä spesifikaatiot ovat ratkaisevia haluttaessa varmistaa että suojaus toimii ylijännitealueen ylärajaan 60 V:iin asti.

Liittimien tehokas lisälukitus on myös tärkeää. Sillä estetään liitinten liukuminen irti (TPO), mikä voi johtaa virransyötön hitaaseen katkeamiseen tai katkonaiseen virransyöttöön. Tällaiset virtakatkot voivat aiheuttaa mikrovalokaaria, vahingoittaa pinnoitetta ja heikentää liittimen perusmetallia johtaen korkeaan resistanssiin ja/tai liitoksen kiinnihitsautumiseen.

Myös liittimen tiivistäminen ansaitsee erityistä huomiota. Jos 48 V:n liitin altistuu elektrolyytille, kuten suolavedelle, se voi aiheuttaa aggressiivisen sähkökemiallisen reaktion – voimakkaamman kuin jännitteellä 12 V. Tällaisten vaurioiden ja oikosulkujen estämiseksi on välttämätöntä käyttää liittimiä, joilla on riittävä suojausluokitus, tyypillisesti USCAR-2 -tiivistysluokka 2 tai korkeampi.

Kuva 2 havainnollistaa, miten nämä suunnitteluperiaatteet on toteutettu kaksirivisessä keskisuurille jännitteille tarkoitetussa 3003610011-naarasliittimessä, joka tarjoaa kaksikymmentä piiriä. Vastaava urosliitin on 0334822423.

Kuva 2: Keskisuurille jännitteille tarkoitettu MX150-liitinjärjestelmä sisältää useita ominaisuuksia, jotka takaavat turvallisen ja luotettavan liitännän. Kuvassa on kaksirivinen 3003610011-naarasliitin, joka tarjoaa 20 piiriä. (Kuvan lähde: Molex)

MX150-liittimissä on valmiiksi kootut liitinkotelot, tiivisteet ja TPA (Terminal Position Assurance = liittimen asennon varmistus) -komponentit, mikä yksinkertaistaa asennusta ja huoltoa. Kuvassa 2 esitetyn liittimen tärkeimpiin ominaisuuksiin kuuluvat:

• TPA, joka lukitsee liittimet turvallisesti koteloihinsa ja estää niiden irtoamisen
• CPA (Connector Position Assurance) -lisälukitus, joka varmistaa luotettavan liitännän ja estää tahattoman irtoamisen voimakkaassa tärinässä tai iskujen vuoksi
• integroidut matto- ja rengastiivisteet, jotka takaavat turvallisen toiminnan myös veden alla ja poistavat yksittäisten kaapelitiivisteiden tarpeen
• läpivientikorkki, joka parantaa mattotiivisteen suojaa ja varmistaa liittimien oikean kohdistuksen säilyttäen liitäntöjen eheyden.

Sekajänniteratkaisuihin liittyviä näkökohtia

Sekajännitejärjestelmissä tarvitaan erityisiä varotoimenpiteitä, joilla estetään virran kulku keskijännite- ja pienjännitepiirien välillä. Kaikkein tehokkain strategia on käyttää erillisiä liittimiä kummallekin jännitetasolle, jolloin vältetään molempien jännitteiden integrointi samaan liittimeen. Lisäksi autoteollisuudessa on otettu käyttöön vaaleansininen värikoodaus 48 V:n liittimille, jotta ne voidaan erottaa selvästi 12 V:n liittimistä.

Tämä värikoodaus on peräisin sähkötrukeista, joissa on jo pitkään käytetty eri jännitteillä toimivia akkuja. Virheiden välttämiseksi on laadittu väriohjeet, jotka ovat johtaneet sinisen värin yleistymiseen 48 V:n liittimissä eri teollisuudenaloilla.

Tämä järjestelmä toimii rinnakkain oranssien liittimien ja johdinten kanssa, joita käytetään vakiintuneesti korkeajännitejärjestelmien merkintään. Tämä värikoodaus ilmaisee selkeästi erityisiä turvatoimia vaativat komponentit ja varmistaa, ettei niitä käsitellä ilman asianmukaista turvallisuuskoulutusta ja henkilönsuojaimia.

Valmistukseen ja huollettavuuteen liittyviä näkökohtia

Keskisuurille jännitteille tarkoitetut liittimet täytyy valokaaririskin vuoksi suunnitella luotettavaa valmistusta ja huoltoa silmällä pitäen. Tätä vaatimusta käsitellään USCAR-21-standardissa, joka määrittelee testausmenetelmät ja -kriteerit autoteollisuuden kaapeleiden ja liittimien välisille sähköisille puristusliitoksille.

Eräs USCAR-21-standardin tärkeä aspekti on vetokoe, jossa puristettuun liitokseen kohdistetaan tasainen vetovoima sen vetolujuuden mittaamiseksi. Tällä kokeella varmistetaan, että puristus kestää mekaaniset rasitukset, joita siihen kohdistuu sen käyttöiän aikana. Spesifikaatiossa korostetaan myös sitä, että puristamiseen on käytettävä tarkkoja työkaluja ja prosessiasetuksia.

Lisäksi on suositeltavaa valita liittimet, jotka on sertifioitu General Motorsin laatiman kattavan GMW3191-standardin mukaisesti. Tämä standardi määrittelee autojen sähköliittimien testaus- ja validointivaatimukset, joilla varmistetaan niiden luotettavuus ja kestävyys vaativissa olosuhteissa.

Molex MX150 -liittimien kokoonpanoon ja huoltoon liittyviä näkökohtia

Jotta liitäntä voidaan viimeistellä, johtimet on ensin terminoitava. Johdinsarja on esimerkiksi terminoitava MX150-urosliitinkokoonpanoa käytettäessä 330000001-liittimeen. Johtimet on vastaavasti terminoitava naarasliittimen 33001- tai 33012-sarjan suorakulmaiseen koskettimeen.

Kummassakin tapauksessa terminoitavat johtimet on työnnettävä liittimeen, kunnes ne ovat varmasti kiinni. Jos piirille varattu paikka on jätettävä tyhjäksi, aukko on suljettava urospuolelta 343450001-kaviteettitulpalla.

Molex tarjoaa tämän terminointiprosessin helpottamiseksi käsikäyttöisen puristustyökalun 0638115900 (kuva 3). Tämä työkalu varmistaa varman liitoksen luonnin johtimen ja liittimen tai suorakulmaisen koskettimen välille.

Kuva 3: Käsikäyttöinen puristustyökalu 0638115900 varmistaa luotettavan liitoksen luonnin johtimen ja liittimen tai suorakulmaisen koskettimen välille. (Kuvan lähde: Molex)

Liittimen huoltoa varten on saatavilla myös erikoislaitteita. Johtimet voidaan irrottaa liittimestä muuhun kokoonpanoon puuttumatta irrotustyökalun 0638131500 (kuva 4) avulla.

Kuva 4: 0638131500-irrotustyökalulla liittimestä voidaan irrottaa mikä tahansa johdin muuhun kokoonpanoon puuttumatta. (Kuvan lähde: Molex)

Yhteenveto

Siirryttäessä keskijännitearkkitehtuuriin autonvalmistajat ja niiden alihankkijat voivat hyötyä pienjänniteteknologiaan perustuvien komponenttien käytöstä. Siirtyminen 48 voltin jännitteeseen tuo mukanaan uusia turvallisuus- ja luotettavuusongelmia, mutta nämä ongelmat voidaan ratkaista helposti noudattamalla huolellisesti standardeja ja valitsemalla liitinjärjestelmä, johon on integroitu robustit lukitus- ja tiivistysmekanismit. 48 V:n liitinjärjestelmää valittaessa on suositeltavaa etsiä toimittaja, jolla on kattava valikoima, pitkäaikainen kokemus ja sopivat työkalut.