如何為汽車級中壓電源架構(gòu)選擇 48 V 連接器

作者：Kenton Williston

投稿人：DigiKey 北美編輯

2024-07-18

各國政府對降低 CO2 排放的要求以及消費(fèi)者對汽車電子產(chǎn)品的需求，促成了汽車系統(tǒng)從 12 V 電源架構(gòu)過渡到更高效的 48 V 架構(gòu)。這些中壓架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)更高的功率輸出以及質(zhì)量更輕、成本更低的線束。

設(shè)計(jì)人員面臨的問題是，滿足成本和上市時(shí)間限制的同時(shí)，確保連接器滿足 48 V 系統(tǒng)嚴(yán)苛的電氣、安全、可靠性和物理要求。為此，在選擇合適的供應(yīng)商之前，需要先了解汽車級中壓架構(gòu)的運(yùn)行、監(jiān)管和安全要求。

本文介紹 48 V 架構(gòu)的優(yōu)勢，并概述選擇適當(dāng)連接器時(shí)面臨的挑戰(zhàn)。然后介紹 [Molex] 提供的合適的解決方案，并說明如何在在實(shí)際場景中使用這些應(yīng)用。

汽車級 48 V 架構(gòu)的優(yōu)勢

汽車制造商可以通過采用中壓架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在制動和滑行過程中能夠回收能量的輕度混合動系統(tǒng)。汽車制造商們還可部署增強(qiáng)型啟停系統(tǒng)，以降低城市駕駛和交通擁堵時(shí)的油耗。此外，由于電壓較高，因此可以使用較輕、較小規(guī)格的導(dǎo)線，以較低的電流提供相同的功率，進(jìn)而通過 48 V 系統(tǒng)減小車重。所有這些因素都能節(jié)省大量燃油，對于小型車輛來說尤其如此。

此外，還需要功率更大的線束，以適應(yīng)諸如動力轉(zhuǎn)向、空調(diào)等部件的電氣化，以及采用諸如自適應(yīng)巡航控制和車道保持輔助等高級駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS)。將電源架構(gòu)過渡到 48 V 架構(gòu)可滿足這一要求，避免了與全混動電動汽車 (HEV) 和純電動車 (BEV) 所用的高壓系統(tǒng)（即 400 V 及以上電壓）相關(guān)的成本和復(fù)雜性。

48 V 電壓架構(gòu)也是實(shí)現(xiàn)更大程度汽車電氣化的橋梁，可逐步集成混合動力技術(shù)，而無需對電氣系統(tǒng)進(jìn)行全面改造。即使在純電動車中，這些中壓系統(tǒng)仍將發(fā)揮重要作用，Cybertruck 等設(shè)計(jì)中的應(yīng)用就證明了這一點(diǎn)。

48 V 連接器的成本考慮

關(guān)于 48 V 架構(gòu)采用哪種電氣連接系統(tǒng)的問題，可以從電壓升高帶來的技術(shù)挑戰(zhàn)中找到答案。

采用專為電動和混動汽車開發(fā)的高壓連接器在技術(shù)上是可行的，但鑒于其成本和封裝空間，這種做法并不可取。相比之下，將 12 V 連接器改造成中壓架構(gòu)，在成本和尺寸方面都很有吸引力。

值得注意的是，并非所有車輛系統(tǒng)都將過渡至 48 V 電壓。一些功耗較低的小型設(shè)備將保持 12 V 電壓。因此，使用在 12 V 和 48 V 系統(tǒng)中能夠保持一致的連接器非常重要，因?yàn)檫@樣可簡化工具和技術(shù)人員的培訓(xùn)。

Molex 的 [MX150 中壓連接器系統(tǒng)]（圖 1）體現(xiàn)了這些設(shè)計(jì)原則。這些連接器與經(jīng)過現(xiàn)場驗(yàn)證的低壓 MX150 連接器具有相同的外形尺寸。因?yàn)椴捎昧伺c 12 V 連接器系統(tǒng)相同的封裝尺寸和外殼設(shè)計(jì)，MX150 中壓連接器只需極少的設(shè)計(jì)工程即可直接升級到 48 V 接線架構(gòu)。

圖 1：MX150 中壓連接器系統(tǒng)的連接器與經(jīng)過現(xiàn)場驗(yàn)證的低壓 MX150 連接器具有相同的外形尺寸。（由 Molex 提供圖片）

MX150 中壓連接器系統(tǒng)目前分為五種不同的配置，詳見表 1。其中包括雙排 [33482]刀片連接器和相應(yīng)的雙排 [300361] 插座，以及單排 [300363] 連接器。

| | 技術(shù)規(guī)格 | 詳情 |
| -------------------- | ---------------------------- |
| 電路規(guī)格 | 單排：4
雙排：4、6、20 |
| 電壓（最大值） | 60V |
| 電流（最大值） | 22.0 A |
| 接觸電阻 | 8 mΩ |
| 行業(yè)合規(guī)性 | USCAR-2、USCAR-21、GMW3191 |
| 工作溫度 | -40°C 至 +125°C |
| 密封 | IP67 和 USCAR-2 2 級密封 |

表 1：MX150 中壓連接器系統(tǒng)的主要規(guī)格。（表格來源：Molex，修改 Kenton Williston）

48 V 連接器的安全注意事項(xiàng)

雖然 12 V 電壓是中壓連接器的一個(gè)良好起點(diǎn)，但向 48 V 過渡面臨巨大挑戰(zhàn)。電弧問題尤其令人擔(dān)憂。

在 12 V 系統(tǒng)中，當(dāng)電路斷開時(shí)，小電弧通常會迅速熄滅。然而，在 48 V 電壓下，電弧持續(xù)時(shí)間更長，可能會嚴(yán)重?fù)p壞端子和外殼。為了降低這種風(fēng)險(xiǎn)，端子的間距必須足夠大，以滿足 DIN EN 60664-1 中規(guī)定的爬電距離和間隙要求，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了低壓系統(tǒng)中設(shè)備的絕緣協(xié)調(diào)要求。

爬電距離是指兩個(gè)導(dǎo)電點(diǎn)之間沿著絕緣表面的最短路徑，而間隙則表示導(dǎo)體之間的最短空氣路徑。這些規(guī)格對于確保提供高達(dá) 60 V（過電壓范圍的上限）的保護(hù)至關(guān)重要。

有效的端子二次鎖定對于防止端子脫出 (TPO) 也是至關(guān)重要，端子脫出會導(dǎo)致緩慢或間歇性斷電。這種斷開連接可能會引起微燒蝕，損壞電鍍層或端子的基底金屬，從而導(dǎo)致高電阻或出現(xiàn)焊接連接。

連接器的密封也是值得關(guān)注的一個(gè)問題。48 V 連接器暴露在鹽水等電解質(zhì)中時(shí)會引發(fā)劇烈的電化學(xué)反應(yīng)，比 12 V 時(shí)的反應(yīng)更劇烈。為防止此類損壞和短路，必須使用符合相應(yīng)污染等級的連接器（通常為 USCAR-2 標(biāo)準(zhǔn)的 2 類密封或更高）。

圖 2 說明了 [3003610011] 是如何實(shí)現(xiàn)這些設(shè)計(jì)原則的，該連接器是一款雙排中壓母插座，有 20 個(gè)電路。相應(yīng)的公連接器是 [0334822423]。

圖 2：MX150 中電壓連接器系統(tǒng)集中了多種功能，可確保連接安全可靠。所示為具有 20 個(gè)電路的 3003610011 雙排母插座。（由 Molex 提供圖片）

MX150 連接器預(yù)裝有連接器外殼、密封件和端子位置保證 (TPA) 部件，從而簡化了安裝和維護(hù)。圖 2 所示連接器的主要特點(diǎn)包括：

• TPA 可將端子牢牢鎖入外殼，防止脫落
• 輔助連接器位置保證 (CPA) 鎖可確保連接可靠，防止在劇烈振動或沖擊下意外脫離
• 一體式墊圈和環(huán)形密封件，即使浸沒在水中也能確保性能安全，無需單獨(dú)采用電纜密封件
• 扣眼帽可加強(qiáng)密封墊保護(hù)，確保端子正確對齊，進(jìn)而保持連接完整性

混合電壓設(shè)計(jì)的考慮因素

在混合電壓系統(tǒng)中必須采取特別的預(yù)防措施，以防電流在中壓和低壓電路之間流動。最有效的策略是為每個(gè)電壓等級使用獨(dú)立的連接器，避免在同一連接器中出現(xiàn)兩種電壓。此外，汽車行業(yè)已對 48 V 連接器采用淺藍(lán)色編碼，以便與 12 V 連接器明確區(qū)分。

這種顏色編碼的起源可以追溯到電動叉車，因?yàn)殡妱硬孳囬L期以來一直使用不同電壓的電池。為防止出錯(cuò)，制定了顏色準(zhǔn)則，從而使 48 V 連接器在各行各業(yè)廣泛采用藍(lán)色。

該系統(tǒng)與標(biāo)志高壓系統(tǒng)的橙色連接器和電線的既定使用方法相輔相成。這種色碼清楚地標(biāo)明了需要采取特定安全預(yù)防措施的部件，確保在沒有經(jīng)過適當(dāng)安全培訓(xùn)，也沒有使用個(gè)人防護(hù)用品 (PPE) 的情況下，不得處理這些部件。

制造和適用性考慮因素

中壓連接器存在電弧風(fēng)險(xiǎn)，因此必須采用能確保制造和維修均可靠的設(shè)計(jì)。USCAR-21 規(guī)定了汽車應(yīng)用中“電纜到端子”的電氣壓接測試方法和測試標(biāo)準(zhǔn)。

USCAR-21 的一個(gè)重要方面是拉力測試，即對壓接連接施加一致的拉力，以評估其拉伸強(qiáng)度。這種測試可確保壓接件在使用壽命期間能夠承受機(jī)械應(yīng)力。該規(guī)范還強(qiáng)調(diào)了在壓接過程中使用精密工具和過程設(shè)置的必要性。

此外，最好采用通過 General Motors 制定的 GMW3191 綜合標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的連接器。該標(biāo)準(zhǔn)概述了汽車電氣連接器的測試和驗(yàn)證要求，以確認(rèn)連接器在苛刻條件下的可靠性和耐用性。

Molex MX150 的安裝和維護(hù)注意事項(xiàng)

要完成連接器安裝，首先必須進(jìn)行電線端接。例如，對于 MX150 公頭連接器組件，線束必須端接到 [330000001] 插片上。同樣，接線必須端接到母頭插座的 33001 或 33012 系列矩形連接器觸點(diǎn)上。

無論哪種情況，都必須將端接好的導(dǎo)線推入連接器中，直至固定。如果電路位置必須留空，則應(yīng)使用 [343450001] 型空腔插頭填滿公頭側(cè)的間隙。

為了幫助完成端接，Molex 提供 [0638115900]手動壓接工具（圖 3）。該工具可確保導(dǎo)線與插片或矩形觸點(diǎn)之間的安全連接。

圖 3：0638115900 手動壓接工具可確保導(dǎo)線與插片或矩形觸點(diǎn)之間的安全連接。（由 Molex 提供圖片）

此外，還可使用專用設(shè)備完成與連接器相關(guān)的工作。通過 [0638131500] 拆除工具（圖 4），技術(shù)人員可以在不影響組件其他部分的情況下從連接器上拆除導(dǎo)線。

圖 4：使用 0638131500 拆除工具可以從連接器上拔出任何導(dǎo)線，而不會影響組件的其他部分。（由 Molex 提供圖片）

結(jié)束語

在過渡到中壓電源架構(gòu)時(shí)，汽車制造商及其供應(yīng)商可以從使用基于低壓技術(shù)的組件中獲益。48 V 電壓的變化帶來了新的安全和可靠性問題，但只要認(rèn)真遵守標(biāo)準(zhǔn)，并選擇具有堅(jiān)固的鎖定和密封機(jī)制的連接器系統(tǒng)，就能輕松解決這些問題。選擇 48 V 連接器系統(tǒng)時(shí)，建議尋找產(chǎn)品組合全面、經(jīng)驗(yàn)成熟并能提供相關(guān)工具的供應(yīng)商。

審核編輯 黃宇