כיצד לבחור מחברי ‎48 V‏ עבור ארכיטקטורות רכב מתח-בינוני

מנדטים ממשלתיים לפליטות CO₂ נמוכות יותר וביקוש צרכני לאלקטרוניקה ברכב הביאו למעבר ממערכות רכב של ‎12 V לארכיטקטורות יעילות יותר של ‎48 V. ארכיטקטורות מתח-בינוני אלו מציעות אספקת הספק גבוה יותר וצמות חיווט קלות יותר, בעלות נמוכה יותר.

הבעיה עבור מתכננים היא להבטיח שהמחברים עומדים בדרישות הפיזיות, החשמליות, הבטיחות והאמינות התובעניות של‏ מערכות 48‎ V תוך כדי עמידה במגבלות עלות וזמן יציאה לשוק. הפתרון טמון בפיתוח הבנה של הדרישות התפעוליות, הרגולטוריות והבטיחותיות של ארכיטקטורות רכב מתח-בינוני לפני בחירה מתוך מבחר מתאים של ספקים.

מאמר זה סוקר את היתרונות של‏ ארכיטקטורות V‏ 48‏ ומתאר את האתגרים בבחירת מחברים מתאימים. אחר כך הוא מציג פתרונות מתאימים מבית Molex‏ ומתאר כיצד ניתן ליישם פתרונות אלה בתרחישים פרקטיים.

היתרונות של ארכיטקטורות רכב ‎48 V

יצרני מכוניות יכולים ליישם מערכות היברידיות קלות שמחזירים אנרגיה במהלך בלימה וגלישה על ידי מעבר לארכיטקטורות מתח-בינוני. הם יכולים גם לפרוס מערכות Start-Stop משופרות המפחיתות את צריכת הדלק במהלך נהיגה עירונית ובפקקי תנועה. נוסף לכך, מכיוון שהמתח הגבוה יותר מאפשר שימוש בחוטים קלים יותר, בעלי שטח חתך קטן יותר כדי לספק את אותו ההספק בזרם נמוך יותר, מערכות 48‎ V‏ מפחיתות את משקל הרכב. כל הגורמים האלה מיתרגמים לחיסכון משמעותי בדלק, במיוחד בכלי רכב קטנים יותר.

צמות חיווט בהספק גבוה יותר נחוצות גם כדי להתאים לחשמול של רכיבים כגון הגה-כוח, מיזוג אוויר, והאימוץ של מערכות סיוע מתקדמות לנהג (ADAS‏), כגון בקרת שיוט אדפטיבית וסיוע בשמירה על נתיב. מעבר לארכיטקטורת 48‎ V‏ עומד בצורך זה ללא העלויות והמורכבויות הנלוות למערכות מתח-גבוה (לדוגמה, ‎400 V‏ ויותר) המשמשות בכלי רכב חשמליים מלאים (HEVs) וכלי רכב חשמליים מונעי סוללה (BEVs).

ארכיטקטורת ה-‎48 V משמשת גם כגשר לחשמול גדול יותר של כלי רכב, מאפשרת שילוב הדרגתי של טכנולוגיות היברידיות ללא אוברול חשמלי מלא. מערכות מתח-בינוני אלו תישארנה בעלות ערך גם בכלי רכב חשמליים לחלוטין, כפי שמעיד שילובן בתכנים כמו ה-Cybertruck.

שיקולי עלויות של מחברי V‏ 48‏

על השאלה באיזו מערכת חיבור חשמלית יש להשתמש עבור ארכיטקטורות ‎48 V ניתן לענות על ידי התבוננות באתגרים הטכניים הנובעים מהמתח המוגדל.

אימוץ מחברי המתח הגבוה שפותחו לשימוש בכלי רכב חשמליים והיברידיים הוא בר-ביצוע מבחינה טכנית, אבל שיקולי עלות וגודל מארז הופכים אותו ללא מומלץ. לעומת זאת, אימוץ מחברי ‎12 V‏ עבור ארכיטקטורות מתח-בינוני הוא הצעת עלות וגודל אטרקטיבית.

ראוי לציין כי לא כל מערכות הרכב יעברו ל-‎48 V‏. חלק מההתקנים הקטנים יותר שצורכים פחות הספק יישארו במתח של ‎12 V. לכן, כדאי שיהיו מחברים עקביים במערכות של ‎12 V‏ ו-48‎ V‏ כדי לפשט את הכלים והכשרת טכנאים.

מערכת מחברי מתח-בינוני MX150 של Molex (איור 1‏) מדגימה עקרונות תכנון אלה. מחברים אלה חולקים את גורם הצורה שלהם עם מחברי המתח-הנמוך MX150 המוכחים-בשדה. על ידי שימוש באותו גודל מארז ועיצוב בית-מחבר כמו מערכת מחברי ה-‎12 V, מחברי המתח-הבינוני MX150 מספקים שדרוג פשוט לארכיטקטורת חיווט ‎48 V עם עבודת תכנון הנדסי מינימלית.

איור 1: מחברים ממערכת מחברי המתח-הבינוני MX150 חולקים את גורם הצורה שלהם עם מחברי המתח-הנמוך MX150 המוכחים-בשדה. (מקור תמונה: Molex)

מערכת מחברי המתח-הבינוני MX150 כוללת כרגע חמש תצורות שונות, כמפורט בטבלה 1‏. התצורות כוללות את מחברי פיני הלהב שתי-שורות 33482 ואת מחברי בתי הקיבול שתי-שורות המתאימים 300361, כמו גם את מחברי שורה-אחת 300363.

טבלה 1: מפרטים עיקריים של מערכת מחברי המתח-הבינוני MX150. (מקור טבלה: Molex, מותאם על ידי Kenton Williston)

שיקולי בטיחות עבור מחברי 48‎ V

למרות ש-‎12 V היא נקודת התחלה טובה למחברי מתח-בינוני, האתגרים במעבר ל-48‎ V אינם פשוטים. קשת חשמלית מדאיגה במיוחד.

במערכות ‎12 V, קשתות חשמליות קטנות בדרך כלל נכבות במהירות כשמגעים מתנתקים. לעומת זאת, ב-‎48 V, קשתות חשמליות יכולות להימשך יותר זמן, פוטנציאלית יכולות לגרום לנזק חמור להדקי ולבתי המחבר. כדי להקטין סיכון זה, יש למקם הדקים במרווחים גדולים מספיק כך שיעמדו בדרישות מרחק בין הדקים (Clearance) ומרחק זחילת זרם (Creepage) כמצוין ב-DIN EN 60664-1, שמסדיר את תאום הבידוד של ציוד במערכות מתח-נמוך.

מרחק זחילת זרם (Creepage) מתייחס למסלול הקצר ביותר בין שתי נקודות מוליכות לאורך משטח מבודד,‏ בעוד Clearance מציין את המסלול האווירי הקצר ביותר בין מוליכים. מפרטים אלה הם חיוניים כדי להבטיח הגנה של עד V‏ 60‏, הגבול העליון של תחום מתח-היתר.

נעילה משנית יעילה של הדקים חיונית גם כן כדי למנוע דחיפה החוצה של הדקים (TPOs), שעלולה לגרום לניתוקי חשמל איטיים או לסירוגין. ניתוקים כאלה עלולים ליזום מיקרו-קשתות, לגרום נזק לציפוי או לפגוע במתכת הבסיסית של ההדק, להוביל להתנגדות גבוהה או לחיבור מרותך.

איטום מחברים ראוי גם כן לתשומת לב קפדנית. חשיפה של‏ מחבר ‎48 V‏ לאלקטרוליט כגון מי מלח יכולה לעורר ‏תגובה אלקטרוכימית אגרסיבית, יותר מאשר ב-‎12 V‏. כדי למנוע נזק כזה וקצרים, חיוני להשתמש במחברים העומדים בדרגת הזיהום המתאימה, בדרך כלל USCAR-2 איטום Class 2‏ או גבוהה יותר.

איור 2‏ ממחיש כיצד עקרונות תכנון אלה ממומשים ב-3003610011,‏ בית קיבול מחבר נקבי מתח-בינוני, שתי-שורות, עם עשרים מגעים. המחבר הזכרי המתאים הוא ה-0334822423.

איור 2‏: מערכת מחברי המתח-הבינוני MX150 כוללת מספר מאפיינים כדי להבטיח חיבור‏ בטוח ואמין. מוצג בית קיבול המחבר הנקבי מתח-בינוני 3003610011 עם ‏20‏ מגעים. (מקור תמונה: Molex)

מחברי ה-MX150‏ מורכבים-מראש עם בתי מחבר, אטמים, ורכיבי הבטחת מיקום הדקים (TPA) במקום, לפישוט התקנה ותחזוקה. מאפייני המפתח של המחבר המוצגים באיור 2 כוללים:

• TPA הנועל היטב את ההדקים בבתים שלהם, מונע את עקירתם
• סגר‏ הבטחת מיקום מחבר (CPA) שניוני המבטיח חיבור מאובטח ומונע התנתקות בשוגג תחת רעידות או זעזועים חזקים
• אטמי משטח וטבעת אינטגרליים המבטיחים ביצועים בטוחים אפילו כשהמחברים שקועים, מונעים את הצורך באטמי כבלים נפרדים
• פקק חבק (Grommet Cap) המשפר את ההגנה על אטם המשטח ומבטיח את היישור הנכון של הדקים, שומר על שלמות‏ החיבורים

שיקולי תכנון מתח-מעורב

אמצעי זהירות מיוחדים חיוניים במערכות מתח-מעורב כדי למנוע זרימת זרם בין מעגלי מתח-בינוני ומעגלי מתח-נמוך. האסטרטגיה היעילה ביותר היא להשתמש במחברים נפרדים עבור כל רמת מתח, להימנע משילוב שני המתחים בתוך אותו מחבר. נוסף לכך, תעשיית הרכב אימצה קידוד בצבע כחול בהיר עבור מחברי ‎ 48 V‏ כדי לבדל באופן ברור בינם לבין מחברי ‏‎12 V‏‏.

מקורו של קידוד צבע זה הוא במלגזות חשמליות, שהשתמשו זה מכבר בסוללות במתחים משתנים. הנחיות צבע נקבעו כדי למנוע שגיאות, מה שהוביל לאימוץ נרחב של כחול עבור מחברי ‎48 V בתעשיות שונות.

מערכת זו פועלת בד בבד עם השימוש המבוסס על מחברים וחיווט כתומים, המציינים מערכות מתח-גבוה. קידוד צבע זה מציין בבירור רכיבים הדורשים אמצעי בטיחות ספציפיים, לוודא שהם לא מטופלים ללא הדרכת בטיחות מתאימה וציוד הגנה אישי (PPE).

שיקולי ייצור ויכולת שירות

הסיכון של קשת חשמלית במחברי מתח-בינוני מחייב שיהיו מתוכננים לייצור ושירות אמינים. דרישות אלו מטופלות על ידי USCAR-21, שקובע את שיטות הבדיקה והקריטריונים לכיווצים חשמליים כבל-להדק ביישומי רכב.

היבט מרכזי של USCAR-21 הוא בדיקת משיכה, שכרוכה בהחלת מידת משיכה עקבית לחיבור על ידי כווץ כדי להעריך את חוזק המתיחה שלו. בדיקה זו מבטיחה שהכיווץ יוכל לעמוד במאמצים המכניים שיתמודד איתם במהלך חיי השירות שלו. המפרט גם מדגיש את הצורך בשימוש בכלים מדויקים ובהגדרות תהליך במהלך כיווץ.

נוסף לכך, מומלץ לחפש מחברים המוסמכים GMW3191,‏ תקן מקיף שגובש על ידי ג'נרל מוטורס‏. תקן זה מתאר את דרישות הבדיקה והאימות עבור מחברים חשמליים לרכב, מאשר את אמינותם ועמידותם בתנאים תובעניים.

שיקולי הרכבה ושירות של Molex MX150

כדי להשלים הרכבת‏ מחבר, תחילה יש לחבר סיום לחיווט. לדוגמה, עם הרכבת המחבר הזכרי MX150‏, צמת החוטים חייבת לקבל סיום של פיני להב 330000001. באופן דומה, החיווט חייב לקבל סיום של מגע מלבני מסדרת 33001 או 33012 עבור בית קיבול המחבר הנקבי.

בשני המקרים, יש לדחוף את החוטים עם הסיום לתוך המחבר עד שהם מאובטחים. אם‏ מיקום מגע חייב להישאר ריק, בצד הזכרי יש למלא את הרווח עם התקע לחור 343450001.

כדי לסייע בתהליך חיבור סיום זה, Molex מציעה את כלי הכיווץ הידני 0638115900 (איור3). התקן זה מבטיח חיבור מאובטח בין החוטים ופיני הלהב או המגעים המלבניים.

איור 3: כלי הכיווץ הידני 0638115900 מבטיח חיבור מאובטח בין החוטים ומגעי פיני הלהב או המגעים המלבניים. (מקור תמונה: Molex)

ציוד מיוחד זמין גם לשירות מחבר. כלי החילוץ 0638131500 (איור 4‏) מאפשר לטכנאים להסיר חוטים ממחבר מבלי להפריע לשאר המכלול.

איור 4: כלי החילוץ 0638131500 מאפשר את ההסרה של כל חוט ממחבר מבלי להפריע לשאר המכלול. (מקור תמונה: Molex)

סיכום

בעת מעבר לארכיטקטורת מתח-בינוני, יצרני מכוניות והספקים שלהם יכולים להפיק תועלת משימוש ברכיבים המבוססים על טכנולוגיית מתח-נמוך. המעבר ל-48‎ V מציג חששות בטיחות ואמינות חדשים, אבל חששות אלה יכולים להיות מטופלים בקלות על ידי תשומת לב קפדנית לתקנים ובחירת מערכת מחברים המשלבת מנגנוני נעילה ואיטום איתנים. כשבוחרים מערכת מחברים ‎48 V, מומלץ לחפש ספק עם סל מוצרים מקיף, ניסיון מוכח וכלי עבודה נלווים.