Sélectionner des connecteurs 48 V pour les architectures automobiles moyenne tension

Les mandats gouvernementaux visant à réduire les émissions de CO₂ et la demande des consommateurs en matière d'électronique automobile ont entraîné une transition des systèmes automobiles de 12 V vers des architectures de 48 V plus efficaces. Ces architectures moyenne tension offrent une distribution de puissance plus élevée et des faisceaux de câbles plus légers et plus économiques.

Le défi pour les concepteurs est de garantir que les connecteurs répondent aux exigences électriques, physiques, de sécurité et de fiabilité des systèmes 48 V tout en respectant les contraintes de coût et de délai de mise sur le marché. La solution consiste à comprendre les exigences opérationnelles, réglementaires et de sécurité des architectures automobiles moyenne tension avant de choisir un fournisseur approprié.

Cet article passe en revue les avantages des architectures 48 V et décrit les défis liés à la sélection des connecteurs appropriés. Il présente ensuite des solutions adaptées de Molex et montre comment ces solutions peuvent être appliquées dans des scénarios pratiques.

Avantages des architectures automobiles 48 V

Les constructeurs automobiles peuvent mettre en œuvre des systèmes semi-hybrides qui récupèrent de l'énergie pendant le freinage et la marche en roue libre en adoptant des architectures moyenne tension. Ils peuvent également déployer des systèmes start-stop améliorés qui réduisent la consommation de carburant en ville et dans les embouteillages. De plus, comme la tension plus élevée permet d'utiliser des fils plus légers à plus petit calibre pour fournir la même puissance à un courant plus faible, les systèmes 48 V réduisent le poids du véhicule. Tous ces facteurs se traduisent par des économies de carburant significatives, en particulier dans les véhicules plus petits.

Des faisceaux de câbles de plus haute puissance sont également nécessaires pour permettre l'électrification de composants tels que la direction assistée, la climatisation, et l'adoption de systèmes avancés d'aide à la conduite (ADAS), comme le régulateur de vitesse adaptatif et l'assistance au maintien de la trajectoire. La transition vers une architecture 48 V répond à ce besoin sans les coûts et les complexités associés aux systèmes haute tension (c'est-à-dire 400 V et au-delà) utilisés dans les véhicules électriques hybrides (HEV) et les véhicules électriques à batterie (BEV).

L'architecture 48 V sert également de passerelle vers une plus grande électrification des véhicules, en permettant l'intégration progressive des technologies hybrides sans révision complète du système électrique. Ces systèmes moyenne tension restent utiles même dans les véhicules entièrement électriques, comme en témoigne leur intégration dans des modèles tels que le Cybertruck.

Considérations de coût pour les connecteurs 48 V

La question de savoir quel système de connexion électrique utiliser pour les architectures 48 V peut être résolue en examinant les défis techniques liés à l'augmentation de la tension.

L'adoption de connecteurs haute tension développés pour une utilisation dans les véhicules électriques et hybrides est techniquement possible, mais elle est déconseillée pour des raisons de coût et d'encombrement. En revanche, l'adaptation de connecteurs 12 V pour des architectures moyenne tension est une proposition intéressante en termes de coût et de taille.

Il convient de noter que tous les systèmes du véhicule ne passeront pas à 48 V. Certains dispositifs plus petits qui consomment moins d'énergie resteront à 12 V. Par conséquent, il est utile de disposer de connecteurs cohérents sur les systèmes 12 V et 48 V pour simplifier l'outillage et la formation des techniciens.

Le système de connexion moyenne tension MX150 de Molex (Figure 1) illustre ces principes de conception. Ces connecteurs partagent leur facteur de forme avec les connecteurs MX150 basse tension éprouvés sur le terrain. En utilisant le même format et la même conception de boîtier que le système de connexion 12 V, les connecteurs moyenne tension MX150 offrent une mise à niveau simple vers une architecture de câblage 48 V avec une ingénierie de conception minimale.

Figure 1 : Les connecteurs du système de connexion moyenne tension MX150 partagent leur facteur de forme avec les connecteurs MX150 basse tension éprouvés sur le terrain. (Source de l'image : Molex)

Le système de connexion moyenne tension MX150 comprend actuellement cinq configurations différentes, comme détaillé dans le Tableau 1. Ces configurations incluent les connecteurs à lame à double rangée 33482 et les prises à double rangée 300361 correspondantes, ainsi que les solutions à une rangée 300363.

Tableau 1 : Spécifications clés du système de connexion moyenne tension MX150. (Source du tableau : Molex, modifié par Kenton Williston)

Considérations de sécurité pour les connecteurs 48 V

Bien qu'une tension de 12 V soit un bon point de départ pour les connecteurs moyenne tension, les défis liés au passage à 48 V ne sont pas anodins. La formation d'arc est particulièrement préoccupante.

Dans les systèmes 12 V, les petits arcs s'éteignent généralement rapidement lorsque les circuits sont coupés. Cependant, à 48 V, les arcs peuvent persister plus longtemps, provoquant potentiellement de graves dommages aux bornes et aux boîtiers. Pour atténuer ce risque, les bornes doivent être suffisamment espacées pour répondre aux exigences de ligne de fuite et de dégagement telles que décrites dans la norme DIN EN 60664-1, qui régit la coordination de l'isolement des matériels dans les systèmes basse tension.

La ligne de fuite fait référence au chemin le plus court entre deux points conducteurs le long d'une surface isolante, tandis que le dégagement désigne le chemin d'air le plus court entre les conducteurs. Ces spécifications sont cruciales pour garantir une protection jusqu'à 60 V, la limite supérieure de la plage de surtension.

Un verrouillage secondaire efficace des bornes est également essentiel pour empêcher le débranchement des bornes (TPO), susceptible de provoquer des déconnexions lentes ou intermittentes. De telles déconnexions peuvent déclencher des micro-arcs, endommageant le placage ou compromettant le métal ordinaire de la borne, ce qui entraîne une résistance élevée ou une connexion soudée.

L'étanchéité des connecteurs mérite également une attention particulière. L'exposition d'un connecteur 48 V à un électrolyte tel que l'eau salée peut déclencher une réaction électrochimique agressive, plus encore qu'à 12 V. Pour éviter de tels dommages et courts-circuits, il est essentiel d'utiliser des connecteurs répondant au degré de pollution approprié, généralement une étanchéité USCAR-2 de classe 2 ou supérieure.

La Figure 2 illustre comment ces principes de conception sont mis en œuvre dans le 3003610011, une prise femelle moyenne tension à deux rangées avec vingt circuits. Le connecteur mâle correspondant est le 0334822423.

Figure 2 : Le système de connexion moyenne tension MX150 intègre plusieurs fonctionnalités pour garantir une connexion sûre et fiable. La prise femelle à double rangée 3003610011 avec 20 circuits est illustrée. (Source de l'image : Molex)

Les connecteurs MX150 sont pré-assemblés avec des boîtiers de connecteur, des joints et des composants de garantie de positionnement des bornes (TPA), rationalisant l'installation et la maintenance. Les principales caractéristiques du connecteur illustré à la Figure 2 incluent les suivantes :

• Composant TPA verrouillant solidement les bornes dans leur logement et empêchant tout déplacement
• Verrou secondaire de garantie de positionnement des connecteurs (CPA) fournissant une connexion sécurisée et empêchant un désengagement accidentel en conditions de vibrations ou de chocs importants
• Joints d'étanchéité intégrés garantissant des performances sûres même en cas d'immersion, et éliminant le recours à des joints de câble individuels
• Capuchon passe-fil améliorant la protection du joint d'étanchéité et garantissant l'alignement correct des bornes, maintenant l'intégrité des connexions

Considérations relatives à la conception à tensions mixtes

Des précautions particulières sont essentielles dans les systèmes à tensions mixtes pour empêcher le courant de circuler entre les circuits moyenne tension et basse tension. La stratégie la plus efficace consiste à utiliser des connecteurs séparés pour chaque niveau de tension, évitant ainsi l'intégration des deux tensions dans le même connecteur. De plus, l'industrie automobile a adopté un code couleur bleu clair pour les connecteurs 48 V afin de les différencier clairement des connecteurs 12 V.

L'origine de ce code couleur remonte aux chariots élévateurs électriques, qui utilisent depuis longtemps des batteries avec des tensions variables. Des directives de couleur ont été établies pour éviter les erreurs, ce qui a conduit à l'adoption généralisée du bleu pour les connecteurs 48 V dans diverses industries.

Ce système fonctionne en tandem avec l'utilisation établie de connecteurs et de fils orange, qui désignent les systèmes à haute tension. Ce code couleur indique clairement les composants qui nécessitent des précautions de sécurité spécifiques, garantissant qu'ils ne sont pas manipulés sans une formation de sécurité appropriée et un équipement de protection individuelle (EPI).

Considérations relatives à la fabrication et à l'entretien

Le risque de formation d'arc dans les connecteurs moyenne tension exige qu'ils soient conçus pour une fabrication et un entretien fiables. Cette exigence est prise en compte par la norme USCAR-21, qui stipule les méthodes et critères de test pour les sertissages électriques câble-à-borne dans les applications automobiles.

Un aspect clé de la norme USCAR-21 est le test de traction, qui consiste à appliquer un taux de traction constant à une connexion sertie pour évaluer sa résistance à la traction. Ce test garantit que le sertissage pourra supporter les contraintes mécaniques auxquelles il sera exposé au cours de sa durée de vie. La spécification souligne également la nécessité d'utiliser des outils et des réglages précis lors du sertissage.

De plus, il est conseillé de rechercher des connecteurs certifiés GMW3191, une norme complète formulée par General Motors. Cette norme décrit les exigences de test et de validation pour les connecteurs électriques automobiles, confirmant leur fiabilité et leur durabilité en conditions exigeantes.

Considérations relatives à l'assemblage et à l'entretien du MX150 de Molex

Pour finaliser un assemblage de connecteur, la terminaison des fils doit être effectuée. Avec l'assemblage de connecteur mâle MX150, par exemple, le faisceau de fils doit être connecté dans une lame 330000001. De même, les fils doivent être connectés dans un contact de connecteur rectangulaire série 33001 ou 33012 pour la prise femelle.

Dans les deux cas, les fils terminés doivent être poussés dans le connecteur jusqu'à ce qu'ils soient sécurisés. Si une position du circuit doit être laissée vide, l'espace doit être comblé du côté mâle avec un bouchon 343450001.

Pour faciliter ce processus de terminaison, Molex propose l'outil de sertissage manuel 0638115900 (Figure 3). Ce dispositif garantit une connexion sécurisée entre le fil et la lame ou le contact rectangulaire.

Figure 3 : L'outil de sertissage manuel 0638115900 garantit une connexion sécurisée entre le fil et la lame ou le contact rectangulaire. (Source de l'image : Molex)

Un équipement spécialisé est également disponible pour la réparation des connecteurs. L'outil d'extraction 0638131500 (Figure 4) permet aux techniciens de retirer les fils d'un connecteur sans interférer avec le reste de l'assemblage.

Figure 4 : L'outil d'extraction 0638131500 permet de retirer n'importe quel fil d'un connecteur sans interférer avec le reste de l'assemblage. (Source de l'image : Molex)

Conclusion

Lors de la transition vers une architecture moyenne tension, les constructeurs automobiles et leurs fournisseurs peuvent tirer profit de l'utilisation de composants basés sur la technologie basse tension. Le passage à 48 V pose de nouveaux problèmes de sécurité et de fiabilité, mais ces problèmes peuvent être facilement résolus en accordant une attention particulière aux normes et en choisissant un système de connexion intégrant des mécanismes de verrouillage et d'étanchéité robustes. Lors de la sélection d'un système de connexion 48 V, il est conseillé de se tourner vers un fournisseur offrant un portefeuille de produits étendu, l'outillage associé et une expérience éprouvée.