วิธีเลือกตัวเชื่อมต่อ 48 โวลต์สำหรับสถาปัตยกรรมยานยนต์แรงดันปานกลาง

รัฐบาลต้องการให้ลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจก CO₂ ลงและความต้องการของผู้บริโภคสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในรถยนต์ส่งผลให้มีการเปลี่ยนจากระบบยานยนต์ 12 โวลต์ไปเป็นสถาปัตยกรรม 48 โวลต์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น สถาปัตยกรรมแรงดันไฟฟ้าปานกลางเหล่านี้ให้มีการส่งกำลังที่สูงกว่าและชุดสายไฟที่เบากว่าและมีต้นทุนต่ำกว่า

ปัญหาสำหรับนักออกแบบคือการทำให้ตัวเชื่อมต่อเป็นไปตามข้อกำหนดทางไฟฟ้า, ความปลอดภัย, ความน่าเชื่อถือ และทางด้านกายภาพของระบบ 48 โวลต์ขณะเดียวกันก็เป็นไปตามข้อจำกัดด้านต้นทุนและเวลาในการนำออกสู่ตลาด โซลูชันอยู่ที่การพัฒนาความเข้าใจในข้อกำหนดด้านการปฏิบัติงาน กฎระเบียบ และความปลอดภัยของสถาปัตยกรรมยานยนต์แรงดันปานกลาง ก่อนที่จะเลือกจากการคัดเลือกซัพพลายเออร์ที่เหมาะสม

บทความนี้จะทบทวนประโยชน์ของสถาปัตยกรรม 48 โวลต์และสรุปความท้าทายในการเลือกตัวเชื่อมต่อที่เหมาะสม จากนั้นก็นำเสนอแนวทางแก้ไขที่เหมาะสมจาก Molex และอธิบายว่าแนวทางแก้ไขเหล่านี้อาจนำไปใช้ในสถานการณ์จริงได้อย่างไร

ประโยชน์ของสถาปัตยกรรมยานยนต์ 48 โวลต์

ผู้ผลิตรถยนต์สามารถใช้ระบบไมลด์ไฮบริดที่ช่วยฟื้นคืนพลังงานระหว่างการเบรกและการเคลื่อนตัวโดยการเปลี่ยนไปใช้สถาปัตยกรรมแรงดันไฟฟ้าระดับกลาง นอกจากนั้นยังสามารถใช้ระบบสตาร์ท-ดับเครื่องที่ได้รับการปรับปรุงซึ่งช่วยลดการสิ้นเปลืองน้ำมันเชื้อเพลิงขณะขับขี่ในเมืองและในการจราจรติดขัด นอกจากนี้ เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าทำให้สามารถใช้สายไฟขนาดเล็กที่เบากว่าเพื่อจ่ายพลังงานเท่าเดิมที่กระแสไฟต่ำกว่า ระบบ 48 โวลต์จึงลดน้ำหนักของยานพาหนะลง ปัจจัยทั้งหมดเหล่านี้ส่งผลให้สามารถประหยัดเชื้อเพลิงได้อย่างมาก โดยเฉพาะในยานพาหนะขนาดเล็ก

นอกจากนี้ จำเป็นต้องมีชุดสายไฟที่มีกำลังสูงกว่าเพื่อรองรับการใช้ไฟฟ้าของส่วนประกอบต่างๆ เช่น พวงมาลัยเพาเวอร์ เครื่องปรับอากาศ และการนำระบบช่วยเหลือผู้ขับขี่ขั้นสูง (ADAS) เช่น ระบบควบคุมความเร็วคงที่แบบปรับได้ และระบบช่วยรักษาช่องทางเดินรถ การเปลี่ยนไปใช้สถาปัตยกรรม 48 โวลต์ตอบสนองความต้องการนี้โดยไม่มีค่าใช้จ่ายและความซับซ้อนที่เกี่ยวข้องกับระบบไฟฟ้าแรงสูง (เช่น 400 โวลต์ขึ้นไป) ที่ใช้ในรถยนต์ไฟฟ้าไฮบริดเต็มรูปแบบ (HEV) และรถยนต์ไฟฟ้าจากแบตเตอรี่ (BEV)

สถาปัตยกรรม 48 โวลต์ยังทำหน้าที่เป็นสะพานเชื่อมไปสู่การใช้พลังงานไฟฟ้าของยานพาหนะมากขึ้น ช่วยให้สามารถบูรณาการเทคโนโลยีไฮบริดได้อย่างค่อยเป็นค่อยไปโดยไม่ต้องยกเครื่องระบบไฟฟ้าทั้งหมด ซึ่งระบบแรงดันไฟฟ้าระดับกลางเหล่านี้จะยังคงมีคุณค่าแม้ในรถยนต์ไฟฟ้าเต็มรูปแบบ โดยเห็นได้จากการนำระบบเหล่านี้ไปใช้ในการออกแบบอย่าง Cybertruck

ข้อควรพิจารณาด้านต้นทุนสำหรับตัวเชื่อมต่อ 48 โวลต์

คำถามที่ว่าควรใช้ระบบเชื่อมต่อไฟฟ้าแบบใดสำหรับสถาปัตยกรรม 48 โวลต์ สามารถตอบได้โดยพิจารณาจากความท้าทายทางเทคนิคที่เกิดจากแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น

การใช้ตัวเชื่อมต่อไฟฟ้าแรงสูงที่พัฒนาขึ้นเพื่อใช้ในรถยนต์ไฟฟ้าและไฮบริดนั้นมีความเป็นไปได้ในทางเทคนิค แต่การพิจารณาต้นทุนและพื้นที่บรรจุภัณฑ์ทำให้ไม่เหมาะสม ในทางตรงกันข้าม การปรับขั้วต่อ 12 โวลต์สำหรับสถาปัตยกรรมแรงดันไฟฟ้าปานกลางถือเป็นข้อเสนอด้านต้นทุนและขนาดที่น่าสนใจ

เป็นที่น่าสังเกตว่าไม่ใช่ทุกระบบของยานพาหนะที่จะเปลี่ยนเป็น 48 โวลต์ อุปกรณ์ขนาดเล็กบางเครื่องที่ใช้พลังงานน้อยกว่าจะอยู่ที่ 12 โวลต์ ดังนั้นจึงมีประโยชน์ที่จะมีตัวเชื่อมต่อที่สอดคล้องกันระหว่างระบบ 12 โวลต์และ 48 โวลต์ เพื่อลดความซับซ้อนของเครื่องมือและการฝึกอบรมช่างเทคนิค

ระบบเชื่อมต่อแรงดันไฟฟ้ากลาง MX150 ของ Molex (รูปที่ 1) เป็นตัวอย่างหลักการออกแบบเหล่านี้ ตัวเชื่อมต่อเหล่านี้ใช้ฟอร์มแฟคเตอร์ร่วมกันกับตัวเชื่อมต่อ MX150 แรงดันต่ำที่ได้รับการพิสูจน์แล้วในการใช้งานจริง ด้วยการใช้ขนาดบรรจุภัณฑ์และการออกแบบตัวเครื่องของอุปกรณ์แบบเดียวกันกับระบบตัวเชื่อมต่อ 12 โวลต์ ตัวเชื่อมต่อแรงดันระดับกลาง MX150 จึงอัปเกรดเป็นสถาปัตยกรรมการเดินสาย 48 โวลต์ ได้อย่างง่ายดายด้วยการออกแบบทางวิศวกรรมเพียงเล็กน้อย

รูปที่ 1: ตัวเชื่อมต่อจากระบบตัวเชื่อมต่อแรงดันไฟฟ้ากลาง MX150 ใช้ฟอร์มแฟคเตอร์ร่วมกันกับตัวเชื่อมต่อ MX150 แรงดันต่ำที่ได้รับการพิสูจน์แล้วในการใช้งานจริง (แหล่งที่มาภาพ: Molex)

ปัจจุบันระบบตัวเชื่อมต่อแรงดันไฟฟ้ากลาง MX150 มีการกำหนดค่าที่แตกต่างกันห้าแบบ ดังรายละเอียดในตารางที่ 1 ซึ่งประกอบไปด้วยตัวเชื่อมต่อเบลดแถวคู่ 33482 และเต้ารับแถวคู่ 300361 ที่สอดคล้องกันเช่นเดียวกับ 300363 แบบแถวเดียว

ตารางที่ 1: ข้อมูลจำเพาะที่สำคัญของระบบตัวเชื่อมต่อแรงดันไฟฟ้ากลาง MX150 (แหล่งที่มาตาราง: Molex ดัดแปลงโดย Kenton Williston)

ข้อควรพิจารณาด้านความปลอดภัยสำหรับตัวเชื่อมต่อ 48 โวลต์

แม้ว่า 12 V จะเป็นจุดเริ่มต้นที่ดีสำหรับขั้วต่อแรงดันไฟฟ้าระดับกลาง แต่ความท้าทายในการเปลี่ยนไปใช้ 48 โวลต์ ก็ไม่ใช่เรื่องเล็กน้อย การเกิดอาร์คเป็นเรื่องที่น่ากังวลเป็นพิเศษ

ในระบบ 12 โวลต์โดยทั่วไปอาร์คขนาดเล็กจะดับลงอย่างรวดเร็วเมื่อวงจรเสียหาย อย่างไรก็ตามอาร์คสามารถคงอยู่ได้นานขึ้นที่ 48 โวลต์ ซึ่งอาจก่อให้เกิดความเสียหายร้ายแรงต่อตัวเชื่อมต่อและตัวเครื่องได้ เพื่อลดความเสี่ยงนี้ ตัวเชื่อมต่อต้องมีระยะห่างเพียงพอเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดระยะห่างตามผิวฉนวนและระยะห่างตามที่ระบุไว้ใน DIN EN 60664-1 ซึ่งควบคุมการทำงานร่วมกันของฉนวนสำหรับอุปกรณ์ภายในระบบแรงดันไฟฟ้าต่ำ

ระยะคืบคลานหมายถึงเส้นทางที่สั้นที่สุดระหว่างจุดนำไฟฟ้าสองจุดตามพื้นผิวฉนวน ในขณะที่ระยะห่างหมายถึงเส้นทางอากาศที่สั้นที่สุดระหว่างตัวนำ ซึ่งข้อมูลจำเพาะเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการรับประกันการป้องกันสูงถึง 60 โวลต์ ซึ่งเป็นขีดจำกัดด้านบนของช่วงแรงดันไฟฟ้าเกิน

การล็อคขั้วต่อสำรองที่มีประสิทธิภาพยังถือเป็นสิ่งสำคัญเพื่อป้องกันการดันขั้วต่อ (TPO) ออกมา ซึ่งอาจทำให้ไฟฟ้าดับช้าหรือเป็นช่วงๆ การตัดการเชื่อมต่อดังกล่าวอาจทำให้เกิดอาร์คขนาดเล็ก ทำให้เกิดความเสียหายแก่การชุบหรือทำให้โลหะฐานขั้วต่อเสียหาย ทำให้เกิดความต้านทานสูงหรือเกิดรอยเชื่อม

การปิดผนึกตัวเชื่อมต่อยังควรได้รับความเอาใจใส่อย่างระมัดระวัง การที่ตัวเชื่อมต่อ 48 โวลต์สัมผัสกับอิเล็กโทรไลต์ เช่น น้ำเกลือ สามารถกระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าที่รุนแรงได้ มากกว่าที่ 12 โวลต์ เพื่อป้องกันความเสียหายและการลัดวงจรดังกล่าว จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องใช้ขั้วต่อที่มีระดับมลภาวะที่เหมาะสม โดยทั่วไปคือ USCAR-2 Sealing Class 2 หรือสูงกว่า

รูปที่ 2 แสดงวิธีการในการนำหลักการออกแบบเหล่านี้ไปใช้ในเต้ารับตัวเมียแรงดันกลาง 3003610011 แบบสองแถวที่มีวงจร 20 วงจร ตัวเชื่อมต่อตัวผู้ที่สอดคล้องกันคือ 0334822423 -

รูปที่ 2: ระบบตัวเชื่อมต่อแรงดันไฟฟ้ากลาง MX150 รวมคุณสมบัติหลายประการเพื่อให้แน่ใจว่ามีการเชื่อมต่อที่ปลอดภัยและเชื่อถือได้ ภาพที่แสดงคือเต้ารับแบบสองแถว 3003610011 ที่มี 20 วงจร (แหล่งที่มาภาพ: Molex)

ตัวเชื่อมต่อ MX150 ได้รับการประกอบไว้ล่วงหน้าโดยมีตัวเรือนตัวเชื่อมต่อ ซีล และส่วนประกอบ Terminal Position Assurance (TPA) อยู่แล้ว ทำให้การติดตั้งและบำรุงรักษามีความคล่องตัว คุณสมบัติที่สำคัญของตัวเชื่อมต่อที่แสดงในรูปที่ 2 ได้แก่:

• TPA ที่ล็อคขั้วต่อเข้ากับตัวเครื่องอย่างแน่นหนา ป้องกันการหลุดออก
• ล็อคการรับประกันตำแหน่งตัวเชื่อมต่อ (CPA) รองที่ช่วยให้มั่นใจในการเชื่อมต่อที่ปลอดภัยและป้องกันการหลุดออกโดยไม่ตั้งใจภายใต้การสั่นสะเทือนหรือการกระแทกอย่างรุนแรง
• แผ่นรองและซีลวงแหวนในตัวช่วยให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพที่ปลอดภัยแม้ในขณะที่จมอยู่ใต้น้ำ ช่วยลดความจำเป็นในการซีลสายเคเบิลแต่ละตัว
• ฝาครอบวงแหวนที่ช่วยเพิ่มการป้องกันของแมทซีลและรับประกันการตำแหน่งตัวเชื่อมต่อที่ถูกต้อง โดยรักษาความสมบูรณ์ของการเชื่อมต่อ

ข้อควรพิจารณาในการออกแบบแรงดันไฟฟ้าผสม

ข้อควรระวังพิเศษถือเป็นสิ่งสำคัญในระบบแรงดันไฟฟ้าผสมเพื่อป้องกันไม่ให้กระแสไหลระหว่างวงจรแรงดันกลางและแรงดันต่ำ แนวทางที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดคือการใช้ตัวเชื่อมต่อแยกกันสำหรับระดับแรงดันไฟฟ้าแต่ละระดับ โดยหลีกเลี่ยงการรวมแรงดันไฟฟ้าทั้งสองไว้ภายในตัวเชื่อมต่อเดียวกัน นอกจากนี้ อุตสาหกรรมยานยนต์ยังได้ใช้รหัสสีฟ้าอ่อนสำหรับตัวเชื่อมต่อ 48 โวลต์ เพื่อแยกความแตกต่างจากตัวเชื่อมต่อ 12 โวลต์อย่างชัดเจน

ต้นกำเนิดของรหัสสีนี้มีต้นกำเนิดมาจากรถยกไฟฟ้า ซึ่งใช้แบตเตอรี่ที่มีแรงดันไฟฟ้าต่างกันมายาวนาน แนวปฏิบัติด้านสีได้รับการกำหนดขึ้นเพื่อป้องกันข้อผิดพลาด ซึ่งนำไปสู่การใช้สีน้ำเงินสำหรับขั้วต่อ 48 ตัวเชื่อม ในอุตสาหกรรมต่างๆ อย่างกว้างขวาง

ระบบนี้ทำงานควบคู่กับการใช้ตัวเชื่อมต่อและสายไฟสีส้มที่กำหนดไว้ ซึ่งหมายถึงระบบไฟฟ้าแรงสูง รหัสสีนี้ระบุอย่างชัดเจนถึงส่วนประกอบที่จำเป็นต้องมีข้อควรระวังด้านความปลอดภัยโดยเฉพาะ เพื่อให้มั่นใจว่าอุปกรณ์จะไม่ได้รับการจัดการโดยที่ผู้ปฏิบัติงานไม่ได้รับการฝึกอบรมด้านความปลอดภัยและอุปกรณ์ป้องกันส่วนบุคคล (PPE) ที่เหมาะสม

ข้อพิจารณาด้านการผลิตและการบริการ

ความเสี่ยงของการเกิดประกายไฟในขั้วต่อแรงดันไฟฟ้าปานกลางจำเป็นต้องได้รับการออกแบบมาเพื่อการผลิตและการบริการที่เชื่อถือได้ ข้อกำหนดนี้ได้รับการแก้ไขโดย USCAR-21 ซึ่งกำหนดวิธีการทดสอบและเกณฑ์สำหรับการย้ำทางไฟฟ้าระหว่างสายเคเบิลกับขั้วต่อในการใช้งานในยานยนต์

ลักษณะสำคัญของ USCAR-21 คือการทดสอบแรงดึง ซึ่งเกี่ยวข้องกับการใช้อัตราการดึงที่สม่ำเสมอกับการเชื่อมต่อแบบย้ำเพื่อประเมินความต้านทานแรงดึง การทดสอบนี้ทำให้มั่นใจได้ว่าการย้ำหางปลาสามารถทนต่อแรงเค้นเชิงกลที่ต้องเผชิญตลอดอายุการใช้งานได้ ข้อมูลจำเพาะยังเน้นย้ำถึงความจำเป็นในการใช้เครื่องมือที่แม่นยำและการตั้งค่ากระบวนการระหว่างการย้ำ

นอกจากนี้ ขอแนะนำให้ค้นหาตัวเชื่อมต่อที่ได้รับการรับรองตาม GMW3191 ซึ่งเป็นมาตรฐานที่ครอบคลุมซึ่งกำหนดโดย General Motors มาตรฐานนี้สรุปข้อกำหนดการทดสอบและการตรวจสอบความถูกต้องสำหรับขั้วต่อไฟฟ้าของยานยนต์ เพื่อยืนยันความน่าเชื่อถือและความทนทานในสภาวะที่เรียกร้อง

ข้อควรพิจารณาในการประกอบและบริการของ Molex MX150

หากต้องการประกอบตัวเชื่อมต่อให้เสร็จสมบูรณ์ จะต้องต่อสายไฟก่อน ตัวอย่างเช่น เมื่อใช้ชุดคอนเนคเตอร์ตัวผู้ MX150 ต้องต่อชุดสายไฟเข้ากับใบมีด 330000001 ในทำนองเดียวกัน การเดินสายไฟจะต้องต่อกับหน้าสัมผัสตัวเชื่อมต่อสี่เหลี่ยมซีรีส์ 33001 หรือ 33012 สำหรับเต้ารับตัวเมีย

ไม่ว่าในกรณีใด สายไฟที่ต่อปลายสายจะต้องถูกดันเข้าไปในขั้วต่อจนกว่าจะยึดแน่นดี หากต้องปล่อยตำแหน่งวงจรว่างไว้ ควรเติมช่องว่างด้านตัวผู้ด้วย 343450001

เพื่อช่วยในกระบวนการเข้าสายไฟนี้ Molex ขอเสนอ 0638115900 เครื่องมือย้ำสายไฟแบบแมนนวล (รูปที่ 3) อุปกรณ์นี้ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการเชื่อมต่อที่ปลอดภัยระหว่างสายไฟและใบมีดหรือหน้าสัมผัสสี่เหลี่ยม

รูปที่ 3: เครื่องมือย้ำสายไฟแบบแมนนวล 0638115900 ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการเชื่อมต่อที่ปลอดภัยระหว่างสายไฟและใบมีดหรือหน้าสัมผัสสี่เหลี่ยม (แหล่งที่มาภาพ: Molex)

นอกจากนี้ยังมีอุปกรณ์พิเศษเพื่อให้บริการตัวเชื่อมต่ออีกด้วย เครื่องมือสกัด 0638131500 (รูปที่ 4) ช่วยให้ช่างเทคนิคสามารถถอดสายไฟออกจากตัวเชื่อมต่อได้โดยไม่รบกวนส่วนที่เหลือของชุดประกอบ

รูปที่ 4: เครื่องมือสกัด 0638131500 ช่วยให้สามารถถอดสายไฟออกจากตัวเชื่อมต่อได้โดยไม่รบกวนส่วนที่เหลือของชุดประกอบ (แหล่งที่มาภาพ: Molex)

สรุป

เมื่อเปลี่ยนมาใช้สถาปัตยกรรมแรงดันไฟฟ้าปานกลาง ผู้ผลิตรถยนต์และซัพพลายเออร์จะได้รับประโยชน์จากการใช้ส่วนประกอบที่ใช้เทคโนโลยีแรงดันไฟฟ้าต่ำ การเปลี่ยนไปใช้ 48 โวลต์ทำให้เกิดข้อกังวลด้านความปลอดภัยและความน่าเชื่อถือใหม่ แต่ข้อกังวลเหล่านี้สามารถแก้ไขได้โดยทันทีด้วยการเอาใจใส่อย่างระมัดระวังต่อมาตรฐาน และการเลือกระบบตัวเชื่อมต่อที่มีกลไกการล็อคและการปิดผนึกที่แข็งแกร่ง เมื่อเลือกระบบตัวเชื่อมต่อ 48 โวลต์ขอแนะนำให้ค้นหาผู้จำหน่ายที่มีผลงานครอบคลุม ประสบการณ์ที่ได้รับการพิสูจน์แล้ว และเครื่องมือที่เกี่ยวข้อง