Auswahl von 48-V-Steckverbindern für Mittelspannungs-Automobilarchitekturen

Staatliche Vorgaben für geringere CO₂-Emissionen und die Nachfrage der Verbraucher nach Fahrzeugelektronik haben zu einem Übergang von 12-Volt-Automobiltechnik zu effizienteren 48-Volt-Architekturen geführt. Diese Mittelspannungsarchitekturen bieten eine höhere Leistungsabgabe und leichtere, kostengünstigere Kabelbäume.

Das Problem besteht darin, sicherzustellen, dass die Steckverbinder die anspruchsvollen elektrischen, sicherheitstechnischen, zuverlässigen und physikalischen Anforderungen von 48-V-Systemen erfüllen und gleichzeitig den Kosten- und Zeitvorgaben für die Markteinführung entsprechen. Die Lösung liegt in der Entwicklung eines Verständnisses für die betrieblichen, regulatorischen und sicherheitstechnischen Anforderungen von Mittelspannungs-Automobilarchitekturen, bevor man sich für einen geeigneten Lieferanten entscheidet.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über die Vorteile von 48-V-Architekturen und beschreibt die Herausforderungen bei der Auswahl geeigneter Steckverbinder. Anschließend werden geeignete Lösungen von Molex vorgestellt und beschrieben, wie diese Lösungen in der Praxis angewendet werden können.

Die Vorteile von 48-V-Automobilarchitekturen

Automobilhersteller können milde Hybrid-Systeme, die beim Bremsen und Ausrollen Energie zurückgewinnen, durch den Wechsel zu Mittelspannungsarchitekturen realisieren. Sie können auch verbesserte Start-Stopp-Systeme einsetzen, die den Kraftstoffverbrauch im Stadtverkehr und im Stau senken. Da die höhere Spannung die Verwendung von leichteren Kabeln mit geringerem Querschnitt ermöglicht, um die gleiche Leistung bei geringerem Strom zu liefern, reduzieren 48-V-Systeme außerdem das Fahrzeuggewicht. All diese Faktoren führen zu erheblichen Kraftstoffeinsparungen, insbesondere bei kleineren Fahrzeugen.

Kabelbäume mit höherer Leistung werden auch benötigt, um die Elektrifizierung von Komponenten wie Servolenkung und Klimaanlage sowie die Einführung fortschrittlicher Fahrerassistenzsysteme (ADAS) wie adaptiver Tempomat und Spurhalteassistent zu ermöglichen. Der Übergang zu einer 48-V-Architektur erfüllt diesen Bedarf ohne die Kosten und die Komplexität, die mit den Hochspannungssystemen (d. h. 400 V und mehr) verbunden sind, die in Vollhybrid-Elektrofahrzeugen (HEVs) und Batterie-Elektrofahrzeugen (BEVs) verwendet werden.

Die 48-Volt-Architektur dient auch als Brücke zu einer stärkeren Elektrifizierung des Fahrzeugs und ermöglicht die schrittweise Integration von Hybridtechnologien, ohne dass die Elektrik komplett überholt werden muss. Diese Mittelspannungssysteme werden auch in vollelektrischen Fahrzeugen von Nutzen sein, wie ihr Einbau in Konstruktionen wie dem Cybertruck beweist.

Kostenüberlegungen für 48-V-Steckverbinder

Die Frage, welches elektrische Anschlusssystem für 48-V-Architekturen verwendet werden sollte, lässt sich durch einen Blick auf die technischen Herausforderungen beantworten, die sich aus der erhöhten Spannung ergeben.

Die Verwendung von Hochspannungssteckern, die für den Einsatz in Elektro- und Hybridfahrzeugen entwickelt wurden, ist technisch machbar, aber aus Kosten- und Platzgründen nicht ratsam. Im Gegensatz dazu ist die Anpassung von 12-V-Steckverbindern für Mittelspannungsarchitekturen ein attraktiver Kosten- und Größenvorteil.

Es ist zu beachten, dass nicht alle Fahrzeugsysteme auf 48 V umgestellt werden können. Einige kleinere Geräte, die weniger Strom verbrauchen, bleiben bei 12 V. Daher ist es sinnvoll, einheitliche Steckverbinder für 12-V- und 48-V-Systeme zu verwenden, um die Werkzeugausstattung und die Schulung der Techniker zu vereinfachen.

Das Mittelspannungs-Steckverbindersystem MX150 von Molex (Abbildung 1) ist ein Beispiel für diese Konstruktionsprinzipien. Diese Steckverbinder haben den gleichen Formfaktor wie die bewährten MX150-Niederspannungssteckverbinder. Durch die Verwendung der gleichen Gehäusegröße und des gleichen Gehäusedesigns wie das 12-V-Steckverbindersystem bieten die MX150-Mittelspannungssteckverbinder ein einfaches Upgrade auf eine 48-V-Verdrahtungsarchitektur mit minimalem Konstruktionsaufwand.

Abbildung 1: Die Steckverbinder des Mittelspannungs-Steckverbindersystems MX150 haben den gleichen Formfaktor wie die bewährten Niederspannungs-Steckverbinder MX150. (Bildquelle: Molex)

Das Mittelspannungs-Steckverbindersystem MX150 umfasst derzeit fünf verschiedene Konfigurationen, die in Tabelle 1 aufgeführt sind. Dazu gehören die zweireihigen Flachstecker 33482 und die entsprechenden zweireihigen Buchsen 300361 sowie die einreihigen 300363.

Tabelle 1: Die wichtigsten Spezifikationen des Steckverbindersystems MX150 für mittlere Spannungen. (Quelle der Tabelle: Molex, geändert von Kenton Williston)

Sicherheitserwägungen für 48-V-Steckverbinder

Obwohl 12 V ein guter Ausgangspunkt für Mittelspannungsstecker sind, sind die Herausforderungen beim Übergang zu 48 V nicht trivial. Lichtbogenbildung ist besonders besorgniserregend.

In 12-V-Systemen erlöschen kleine Lichtbögen normalerweise schnell, wenn Stromkreise unterbrochen werden. Bei 48 V können die Lichtbögen jedoch länger anhalten, was zu schweren Schäden an den Klemmen und Gehäusen führen kann. Um dieses Risiko zu minimieren, müssen die Klemmen in ausreichenden Abständen angeordnet werden, um die Kriech- und Luftstrecken gemäß DIN EN 60664-1 einzuhalten, die die Isolationskoordination für Geräte in Niederspannungsanlagen regelt.

Unter Kriechstrecke versteht man den kürzesten Weg zwischen zwei leitenden Punkten entlang einer isolierenden Oberfläche, während die Luftstrecke den kürzesten Luftweg zwischen Leitern bezeichnet. Diese Spezifikationen sind ausschlaggebend für den Schutz bis zu 60 V, der oberen Grenze des Überspannungsbereichs.

Zudem ist eine wirksame sekundäre Verriegelung der Klemmen wichtig, um ein Herausgleiten von Verbindungen (TPOs) zu verhindern, die zu einer langsamen Trennung der Stromversorgung oder einer intermittierenden Stromversorgung führen können. Solche Unterbrechungen können zu mikroskopischen Überschlägen führen, die die Beschichtung beschädigen oder das Grundmetall der Klemme beeinträchtigen, was zu einem hohen Widerstand oder einer geschweißten Verbindung führt.

Auch die Abdichtung der Steckverbinder verdient besondere Aufmerksamkeit. Wenn ein 48-V-Stecker einem Elektrolyt wie Salzwasser ausgesetzt wird, kann dies eine aggressive elektrochemische Reaktion auslösen, und zwar stärker als bei 12 V. Um solche Schäden und Kurzschlüsse zu vermeiden, müssen unbedingt Steckverbinder verwendet werden, die dem entsprechenden Verschmutzungsgrad entsprechen, in der Regel USCAR-2 Dichtigkeitsklasse 2 oder höher.

Abbildung 2 zeigt, wie diese Konstruktionsprinzipien in der 3003610011, einer zweireihigen Buchse mit zwanzig Kontakten für mittlere Spannungen, umgesetzt werden. Der entsprechende Stecker ist der 0334822423.

Abbildung 2: Das Mittelspannungs-Steckverbindersystem MX150 verfügt über mehrere Merkmale, die eine sichere und zuverlässige Verbindung gewährleisten. Abgebildet ist die zweireihige Buchse 3003610011 mit 20 Kontakten. (Bildquelle: Molex)

Die MX150-Steckverbinder sind mit Steckverbindergehäusen, Dichtungen und TPA-Komponenten (Terminal Position Assurance = Kontaktlagesicherung) vormontiert, was die Installation und Wartung vereinfacht. Zu den wichtigsten Merkmalen des in Abbildung 2 dargestellten Steckverbinders gehören:

• Ein TPA, der die Terminals sicher in ihren Gehäusen verriegelt und so ein Verrutschen verhindert
• Eine sekundäre CPA-Verriegelung (Connector Position Assurance = Steckerlagesicherung), die eine sichere Verbindung gewährleistet und ein versehentliches Lösen bei starken Vibrationen oder Stößen verhindert
• Integrierte Matten- und Ringdichtungen, die auch unter Wasser eine sichere Funktion gewährleisten und die Notwendigkeit einzelner Kabeldichtungen überflüssig machen
• Eine Tüllenabdeckung, die den Schutz der Mattenabdichtung verbessert und die korrekte Ausrichtung der Klemmen gewährleistet, so dass die Integrität der Verbindungen erhalten bleibt

Überlegungen zum Design mit gemischten Spannungen

In Mischspannungssystemen sind besondere Vorsichtsmaßnahmen erforderlich, um zu verhindern, dass Strom zwischen Mittelspannungs- und Niederspannungskreisen fließt. Die effektivste Strategie ist die Verwendung separater Steckverbinder für jede Spannungsebene, um die Integration beider Spannungen in einem Steckverbinder zu vermeiden. Darüber hinaus hat die Automobilindustrie eine hellblaue Farbcodierung für 48-V-Steckverbinder eingeführt, um sie eindeutig von 12-V-Steckverbindern zu unterscheiden.

Der Ursprung dieser Farbcodierung geht auf elektrische Gabelstapler zurück, die seit langem Batterien mit unterschiedlichen Spannungen verwenden. Um Fehler zu vermeiden, wurden Farbrichtlinien aufgestellt, die dazu führten, dass sich die Farbe Blau für 48-V-Steckverbinder in verschiedenen Branchen durchgesetzt hat.

Dieses System steht im Einklang mit der etablierten Verwendung von orangefarbenen Steckern und Kabeln, die Hochspannungssysteme kennzeichnen. Diese Farbcodierung weist eindeutig auf Komponenten hin, die besondere Sicherheitsvorkehrungen erfordern, um sicherzustellen, dass sie nicht ohne entsprechende Sicherheitsschulung und persönliche Schutzausrüstung (PSA) gehandhabt werden.

Überlegungen zu Herstellung und Gebrauchstauglichkeit

Die Gefahr von Lichtbögen in Mittelspannungssteckern macht es erforderlich, dass sie für eine zuverlässige Herstellung und Wartung ausgelegt sind. Diese Anforderung wird durch die USCAR-21 adressiert, die die Prüfverfahren und -kriterien für elektrische Crimpverbindungen zwischen Kabeln und Anschlüssen in der Automobilindustrie festlegt.

Ein wichtiger Aspekt der USCAR-21 ist die Zugprüfung, bei der eine gleichmäßige Zugkraft auf eine gecrimpte Verbindung ausgeübt wird, um ihre Zugfestigkeit zu bewerten. Durch diese Prüfung wird sichergestellt, dass der Crimp den mechanischen Belastungen während seiner Lebensdauer standhält. Die Spezifikation hebt auch die Notwendigkeit hervor, beim Crimpen präzise Werkzeuge und Prozesseinstellungen zu verwenden.

Darüber hinaus ist es ratsam, Steckverbinder zu wählen, die nach GMW3191 zertifiziert sind, einem umfassenden, von General Motors formulierten Standard. Diese Norm umreißt die Prüf- und Validierungsanforderungen für elektrische Steckverbinder für Kraftfahrzeuge und bestätigt deren Zuverlässigkeit und Haltbarkeit unter anspruchsvollen Bedingungen.

Montage- und Wartungshinweise für das System MX150 von Molex

Um eine Steckverbindung zu vervollständigen, muss die Verdrahtung zunächst terminiert werden. Bei der MX150-Steckerbaugruppe beispielsweise muss der Kabelbaum mit Flachkontakten des Typs 330000001 abgeschlossen werden. Ebenso muss die Verdrahtung für die Buchsen an rechteckigen Sockelkontakten der Serie 33001 oder 33012 abgeschlossen werden.

In beiden Fällen müssen die abgeschlossenen Drähte in den Verbinder geschoben werden, bis sie festsitzen. Wenn eine Schaltkreisposition leer bleiben muss, sollte die Lücke auf der Steckerseite mit dem Blindstift 343450001 gefüllt werden.

Zur Unterstützung dieses Anschlussverfahrens bietet Molex die manuelle Crimpzange 0638115900 an (Abbildung 3). Dieses Werkzeug gewährleistet eine sichere Verbindung zwischen dem Draht und dem Flachkontakt bzw. dem rechteckigen Kontaktsockel.

Abbildung 3: Die manuelle Crimpzange 0638115900 sorgt für eine sichere Verbindung zwischen Kabel und Flachkontakt bzw. dem rechteckigen Kontaktsockel. (Bildquelle: Molex)

Für die Wartung eines Steckverbinders stehen auch Spezialgeräte zur Verfügung. Mit dem Extraktionswerkzeug 0638131500 (Abbildung 4) können Drähte aus einem Steckverbinder entfernt werden, ohne den Rest der Baugruppe zu stören.

Abbildung 4: Das Extraktionswerkzeug 0638131500 ermöglicht das Entfernen eines beliebigen Kabels aus einem Steckverbinder, ohne den Rest der Baugruppe zu stören. (Bildquelle: Molex)

Fazit

Bei der Umstellung auf eine Mittelspannungsarchitektur können Automobilhersteller und ihre Zulieferer von der Verwendung von Komponenten profitieren, die auf Niederspannungstechnologie basieren. Die Umstellung auf 48 V bringt neue Sicherheits- und Zuverlässigkeitsbedenken mit sich, die jedoch durch sorgfältige Beachtung der Normen und die Wahl eines Steckverbindersystems mit robusten Verriegelungs- und Dichtungsmechanismen leicht ausgeräumt werden können. Bei der Auswahl eines 48-V-Steckverbindersystems ist es ratsam, einen Anbieter zu wählen, der über ein umfassendes Portfolio, nachweisliche Erfahrung und entsprechende Werkzeuge verfügt.