Come selezionare i connettori a 48 V per le architetture automotive a media tensione

I mandati governativi per la riduzione delle emissioni di CO₂ e la domanda dei consumatori di più elettronica nei veicoli hanno portato a una transizione dai sistemi automotive a 12 V alle architetture a 48 V più efficienti. Queste architetture a media tensione offrono una maggiore distribuzione dell'energia elettrica e cablaggi più leggeri e a costo ridotto.

Il problema per i progettisti è garantire che i connettori soddisfino gli esigenti requisiti elettrici, di sicurezza, di affidabilità e fisici dei sistemi a 48 V, rispettando al contempo i vincoli di costo e di time-to-market. La soluzione risiede nella definizione dei requisiti operativi, normativi e di sicurezza delle architetture automotive a media tensione prima di scegliere tra i vari fornitori.

Questo articolo esamina i vantaggi delle architetture a 48 V e illustra le sfide legate alla scelta dei connettori appropriati. Presenta quindi soluzioni ideali di Molex e descrive come applicarli in alcuni scenari pratici.

I vantaggi delle architetture automotive a 48 V

Le case automobilistiche possono implementare sistemi ibridi leggeri che recuperano l'energia in fase di frenata e di decelerazione passando ad architetture a media tensione. Possono anche implementare sistemi start-stop avanzati che riducono il consumo di carburante durante la guida in città e negli ingorghi. Inoltre, poiché la tensione più elevata consente di utilizzare fili più leggeri e di calibro inferiore per erogare la stessa potenza a una corrente minore, i sistemi a 48 V riducono il peso del veicolo. Tutti questi fattori si traducono in un significativo risparmio di carburante, soprattutto per i veicoli più piccoli.

Cablaggi di maggiore potenza sono necessari anche per l'elettrificazione di componenti come il servosterzo, il climatizzatore e l'adozione di sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS), come il controllo di crociera adattivo e l'assistenza al mantenimento in corsia. Il passaggio a un'architettura a 48 V soddisfa questa esigenza senza i costi e le complessità associate ai sistemi ad alta tensione (cioè 400 V e oltre) utilizzati nei veicoli elettrici ibridi (HEV) e nei veicoli elettrici a batteria (BEV).

L'architettura a 48 V funge anche da ponte verso una maggiore elettrificazione dei veicoli, consentendo l'integrazione graduale delle tecnologie ibride senza una revisione completa dell'impianto elettrico. Questi sistemi a media tensione rimarranno utili anche nei veicoli completamente elettrici, come dimostra la loro integrazione in progetti come il Cybertruck.

Considerazioni sui costi per i connettori a 48 V

La domanda su quale sistema di connessione elettrica debba essere utilizzato per le architetture a 48 V può essere risolta esaminando le sfide tecniche derivanti dall'aumento della tensione.

L'adozione dei connettori ad alta tensione sviluppati per l'uso nei veicoli elettrici e ibridi è tecnicamente possibile, ma considerazioni di costo e di spazio ne rendono sconsigliabile l'adozione. Per contro, l'adattamento di connettori a 12 V per architetture a media tensione è una proposta interessante in termini di costi e dimensioni.

Vale la pena di notare che non tutti i sistemi di un veicolo passeranno a 48 V, alcuni dispositivi più piccoli, che consumano meno energia, resteranno a 12 V. Pertanto, è utile disporre di connettori coerenti tra i sistemi a 12 V e 48 V per semplificare l'attrezzaggio e la formazione dei tecnici.

Il sistema di connettori a media tensione MX150 di Molex (Figura 1) esemplifica questi principi di progettazione. Questi connettori condividono il fattore di forma con i collaudati connettori MX150 a bassa tensione. Con un contenitore di uguali dimensioni e lo stesso design dell'alloggiamento del sistema di connettori a 12 V, i connettori a media tensione MX150 offrono un semplice aggiornamento all'architettura di cablaggio a 48 V con una progettazione minima.

Figura 1: I connettori del sistema a media tensione MX150 condividono il fattore di forma con i connettori a bassa tensione MX150, già collaudati sul campo. (Immagine per gentile concessione di Molex)

Il sistema di connettori a media tensione MX150 comprende attualmente cinque diverse configurazioni, come illustra la Tabella 1. Queste includono i connettori a lama su doppia fila 33482 e le corrispondenti prese su doppia fila 300361, nonché su fila singola 300363.

Tabella 1: Specifiche principali del sistema di connettori a media tensione MX150. (Tabella per gentile concessione di Molex, modificata da Kenton Williston)

Considerazioni sulla sicurezza dei connettori a 48 V

Sebbene 12 V sia un buon punto di partenza per i connettori a media tensione, le sfide per passare a 48 V non sono da sottovalutare. L'arco elettrico è particolarmente preoccupante.

Nei sistemi a 12 V, i piccoli archi in genere si spengono rapidamente quando si aprono i circuiti. Tuttavia, a 48 V, gli archi possono persistere più a lungo, causando potenziali gravi danni ai terminali e agli alloggiamenti. Per ridurre questo rischio, i terminali devono essere adeguatamente distanziati per soddisfare i requisiti di distanza di isolamento superficiale e distanza di isolamento in aria previsti dalla norma DIN EN 60664-1, che regola il coordinamento dell'isolamento delle apparecchiature nei sistemi a bassa tensione.

La distanza di isolamento superficiale si riferisce al percorso più breve tra due punti conduttori lungo una superficie isolante, mentre la distanza di isolamento in aria indica il percorso più breve in aria tra i conduttori. Queste specifiche sono fondamentali per garantire la protezione fino a 60 V, il limite superiore dell'intervallo di sovratensione.

L'efficace bloccaggio secondario dei terminali è essenziale anche per evitare la fuoriuscita dei terminali (TPO), che può causare disconnessioni di corrente lente o intermittenti. Tali disconnessioni possono innescare la formazione di micro-archi, danneggiando la placcatura o compromettendo il metallo di base del terminale, con conseguente elevata resistenza o connessione saldata.

Anche la sigillatura dei connettori merita un'attenzione particolare. L'esposizione di un connettore a 48 V a un elettrolita come l'acqua salata può innescare una reazione elettrochimica aggressiva, più di quanto non accada a 12 V. Per evitare tali danni e cortocircuiti, è fondamentale utilizzare connettori che soddisfino il grado di inquinamento appropriato, in genere USCAR-2 Classe di tenuta 2 o superiore.

La Figura 2 illustra come questi principi di progettazione sono stati implementati in 3003610011, una presa femmina su doppia fila a media tensione con venti circuiti. Il connettore maschio corrispondente è 0334822423.

Figura 2: Il sistema di connettori a media tensione MX150 incorpora diverse caratteristiche per garantire un collegamento sicuro e affidabile. In figura, la presa femmina su doppia fila 3003610011 con 20 circuiti. (Immagine per gentile concessione di Molex)

I connettori MX150 sono preassemblati con alloggiamenti, guarnizioni e componenti TPA (garanzia di posizione del terminale) montati, semplificando l'installazione e la manutenzione. Le caratteristiche principali del connettore illustrato nella Figura 2 comprendono:

• Un TPA che blocca saldamente i terminali nei loro alloggiamenti, impedendone lo smontaggio
• Un blocco secondario di garanzia di posizione del connettore (CPA) che garantisce una connessione sicura e impedisce lo sgancio accidentale in caso di vibrazioni o urti violenti
• Tenute a membrana e ad anello integrali che garantiscono prestazioni sicure anche in caso di immersione, eliminando la necessità di singole tenute per i cavi
• Un tappo passacavo che migliora la protezione della tenuta a membrana e garantisce il corretto allineamento dei terminali, mantenendo l'integrità dei collegamenti

Considerazioni sulla progettazione a tensione mista

Nei sistemi a tensione mista sono necessarie precauzioni speciali per evitare che la corrente scorra tra i circuiti a media tensione e quelli a bassa tensione. La strategia più efficace consiste nell'utilizzare connettori separati per ciascun livello di tensione, evitando di integrare entrambe le tensioni nello stesso connettore. Inoltre, il settore automotive ha adottato il colore azzurro per codificare i connettori a 48 V e differenziarli chiaramente da quelli a 12 V.

L'origine di questa codifica a colori risale ai carrelli elevatori elettrici, che da tempo utilizzano batterie con tensioni diverse. Le linee guida sui colori sono state stabilite per evitare errori e hanno portato all'adozione diffusa del blu per i connettori a 48 V in diversi settori industriali.

Questo sistema si affianca all'uso consolidato di connettori e cablaggi arancioni, che indicano i sistemi ad alta tensione. Questa codifica a colori indica chiaramente i componenti che richiedono specifiche precauzioni di sicurezza, assicurando che non vengano maneggiati senza un'adeguata formazione sulla sicurezza e senza i dispositivi di protezione individuale (DPI).

Considerazioni sulla produzione e sulla manutenibilità

Il rischio di archi elettrici nei connettori a media tensione richiede che siano progettati per la produzione e la manutenzione affidabili. Questo requisito è affrontato dalla norma USCAR-21, che stabilisce i metodi e i criteri di prova per le crimpature elettriche da cavo a terminale nelle applicazioni automotive.

Un aspetto fondamentale della norma USCAR-21 è il test di trazione, che prevede l'applicazione di una velocità di trazione costante a una connessione crimpata per valutarne la resistenza alla trazione. Questo test assicura che la crimpatura sia in grado di sopportare le sollecitazioni meccaniche che dovrà affrontare durante la sua durata in servizio. La specifica sottolinea anche la necessità di ricorrere ad attrezzi precisi e impostazioni di processo durante la crimpatura.

Inoltre, è consigliabile cercare connettori certificati secondo GMW3191, uno standard completo formulato da General Motors. Questo standard definisce i requisiti di prova e convalida dei connettori elettrici per autoveicoli, confermandone l'affidabilità e la durata in condizioni difficili.

Considerazioni sull'assemblaggio e la manutenzione dei connettori MX150 di Molex

Per completare l'assemblaggio di un connettore, il cablaggio deve essere prima terminato. Con il gruppo connettore maschio MX150, ad esempio, il cablaggio deve essere terminato in una lamella 330000001. Allo stesso modo, il cablaggio deve essere terminato in un contatto del connettore rettangolare della serie 33001 o 33012 per la presa femmina.

In entrambi i casi, i fili terminati devono essere introdotti nel connettore fino a bloccarli. Se una posizione del circuito deve rimanere vuota, lo spazio essere chiuso sul lato maschio con il tappo per cavità 343450001.

Per facilitare questo processo di terminazione, Molex offre la crimpatrice manuale 0638115900 (Figura 3). Questo dispositivo garantisce una connessione sicura tra il filo e la lamella o il contatto rettangolare.

Figura 3: La crimpatrice manuale 0638115900 assicura una connessione sicura tra il filo e la lamella o il contatto rettangolare. (Immagine per gentile concessione di Molex)

Per la manutenzione di un connettore sono disponibili anche apparecchiature specializzate. L'estrattore 0638131500 (Figura 4) consente ai tecnici di rimuovere i fili da un connettore senza disturbare il resto del gruppo.

Figura 4: L'estrattore 0638131500 consente di rimuovere qualsiasi filo da un connettore senza disturbare il resto del gruppo. (Immagine per gentile concessione di Molex)

Conclusione

Nel passaggio a un'architettura a media tensione, le case automobilistiche e i loro fornitori possono trarre vantaggio dall'utilizzo di componenti basati sulla tecnologia a bassa tensione. Il passaggio a 48 V pone nuovi problemi di sicurezza e affidabilità, che possono però essere facilmente risolti prestando attenzione agli standard e scegliendo un sistema di connettori che incorpori robusti meccanismi di bloccaggio e tenuta. Quando si sceglie un sistema di connettori a 48 V, è consigliabile rivolgersi a un fornitore con un portafoglio completo, un'esperienza comprovata e tutto l'attrezzaggio necessario.