Como selecionar conectores de 48 V para arquiteturas automotivas de média tensão

As exigências governamentais para reduzir as emissões de CO₂ e a demanda dos consumidores por produtos eletrônicos para veículos resultaram em uma transição dos sistemas automotivos de 12 V para arquiteturas mais eficientes de 48 V. Essas arquiteturas de média tensão oferecem maior entrega de potência e chicotes de fiação mais leves e baratos.

O problema para os projetistas é garantir que os conectores atendam aos exigentes requisitos elétricos, de segurança, de confiabilidade e físicos dos sistemas de 48 V e, ao mesmo tempo, cumpram as restrições de custo e de tempo de colocação no mercado. A solução está no desenvolvimento de uma compreensão dos requisitos operacionais, regulamentares e de segurança das arquiteturas automotivas de média tensão antes de escolher a partir de uma seleção apropriada de fornecedores.

Este artigo analisa os benefícios das arquiteturas de 48 V e descreve os desafios de selecionar os conectores adequados. Em seguida, apresenta as soluções adequadas da Molex e descreve como essas soluções podem ser aplicadas em cenários práticos.

Os benefícios das arquiteturas automotivas de 48 V

Os fabricantes de automóveis podem implementar sistemas híbridos leves que recuperam energia durante a frenagem e a desaceleração, mudando para arquiteturas de média tensão. Eles também podem implantar sistemas start-stop aprimorados que reduzem o consumo de combustível ao dirigir na cidade e em congestionamentos. Além disso, como a tensão mais alta permite o uso de fios mais leves e de menor bitola para fornecer a mesma potência com uma corrente mais baixa, os sistemas de 48 V reduzem o peso do veículo. Todos esses fatores se traduzem em uma economia significativa de combustível, especialmente em veículos menores.

Também são necessários chicotes elétricos de maior potência para acomodar a eletrificação de componentes como direção hidráulica, ar-condicionado e a adoção de sistemas avançados de assistência ao motorista (ADAS), como o piloto automático adaptativo e o assistente de manutenção de faixa. A transição para uma arquitetura de 48 V atende a essa necessidade sem os custos e as complexidades associados aos sistemas de alta tensão (ou seja, 400 V e além) usados em veículos elétricos híbridos convencionais (HEVs) e veículos elétricos a bateria (BEVs).

A arquitetura de 48 V também serve como uma ponte para uma maior eletrificação do veículo, permitindo a integração gradual de tecnologias híbridas sem uma revisão elétrica completa. Esses sistemas de média tensão continuarão valiosos mesmo em veículos totalmente elétricos, conforme evidenciado por sua incorporação em projetos como o Cybertruck.

Considerações de custo para conectores de 48 V

A pergunta sobre qual sistema de conexão elétrica deve ser usado para arquiteturas de 48 V pode ser respondida observando-se os desafios técnicos decorrentes do aumento da tensão.

A adoção de conectores de alta tensão desenvolvidos para uso em veículos elétricos e híbridos é tecnicamente viável, mas as considerações de custo e espaço do pacote tornam isso desaconselhável. Por outro lado, a adaptação de conectores de 12 V para arquiteturas de média tensão é uma proposta atraente em termos de custo e tamanho.

É importante observar que nem todos os sistemas do veículo mudarão para 48 V. Alguns dispositivos menores que consomem menos energia permanecerão em 12 V. Portanto, é útil ter conectores consistentes nos sistemas de 12 V e 48 V para simplificar o treinamento de técnicos e as ferramentas.

O Sistema de conectores de média tensão MX150 da Molex (Figura 1) exemplifica esses princípios de projeto. Esses conectores compartilham seus fatores de forma com os conectores MX150 de baixa tensão, comprovados em campo. Ao usar o mesmo tamanho de pacote e projeto de capa do sistema de conectores de 12 V, os conectores de média tensão MX150 oferecem uma atualização direta para a arquitetura de cabeamento de 48 V com o mínimo de engenharia de projeto.

Figura 1: os conectores do sistema de conectores de média tensão MX150 compartilham seus fatores de forma com os conectores MX150 de baixa tensão comprovados em campo. (Fonte da imagem: Molex)

Atualmente, o sistema de conectores de média tensão MX150 abrange cinco configurações diferentes, conforme detalhado na Tabela 1. Isso inclui os conectores tipo lâmina 33482 de fileira dupla e os receptáculos 300361 de fileira dupla correspondentes, bem como o 300363 de fileira única.

Tabela 1: principais especificações do sistema de conectores de média tensão MX150. (Fonte da tabela: Molex, modificada por Kenton Williston)

Considerações de segurança para conectores de 48 V

Embora 12 V seja um bom ponto de partida para conectores de média tensão, os desafios de passar para 48 V não são triviais. O arco voltaico é uma preocupação importante.

Em sistemas de 12 V, os pequenos arcos normalmente se extinguem rapidamente quando os circuitos são interrompidos. No entanto, com 48 V, os arcos podem persistir por mais tempo, podendo causar danos graves aos terminais e às capas. Para reduzir esse risco, os terminais devem ser espaçados adequadamente para atender aos requisitos de distância de fuga e folga, conforme descrito na norma DIN EN 60664-1, que rege a coordenação de isolamento para equipamentos em sistemas de baixa tensão.

Fuga refere-se ao caminho mais curto entre dois pontos condutores ao longo de uma superfície isolante, enquanto a folga denota o caminho de ar mais curto entre os condutores. Essas especificações são fundamentais para garantir a proteção até 60 V, o limite superior da faixa de sobretensão.

O bloqueio secundário eficaz do terminal também é essencial para evitar os desencaixe dos terminais (TPOs), que pode causar desconexões de energia lentas ou intermitentes. Essas desconexões podem dar início a microarcos, danificando o revestimento ou comprometendo o metal base do terminal, levando a uma alta resistência ou a uma conexão colada.

A vedação do conector também merece atenção especial. A exposição de um conector de 48 V a um eletrólito, como água salgada, pode desencadear uma reação eletroquímica agressiva, mais do que em 12 V. Para evitar esses danos e curtos-circuitos, é fundamental usar conectores que atendam ao grau de poluição adequado, geralmente USCAR-2 Classe de vedação 2 ou superior.

A figura 2 ilustra como esses princípios de projeto são implementados no 3003610011, um receptáculo fêmea de fileira dupla e média tensão com vinte circuitos. O conector macho correspondente é o 0334822423.

Figura 2: o sistema de conectores de média tensão MX150 incorpora vários recursos para garantir uma conexão segura e confiável. Aqui é mostrado o receptáculo fêmea de fileira dupla com 20 circuitos 3003610011. (Fonte da imagem: Molex)

Os conectores MX150 são pré-montados com capas conectoras, vedações e componentes de garantia de posição de terminal (TPA) no lugar, simplificando a instalação e a manutenção. Os principais recursos do conector ilustrado na Figura 2 incluem:

• Um TPA que trava com segurança os terminais em suas capas, evitando o deslocamento
• Uma trava secundária de garantia de posição do conector (CPA) que garante uma conexão segura e evita o desacoplamento acidental em caso de vibração ou choque severos
• Vedações integrais de manta e anel que garantem um desempenho seguro mesmo quando submersas, eliminando a necessidade de vedações individuais para os cabos
• Uma tampa com ilhós que aumenta a proteção da vedação de manta e garante o alinhamento correto dos terminais, mantendo a integridade das conexões

Considerações de projeto de tensão mista

Precauções especiais são essenciais em sistemas de tensão mista para evitar que a corrente flua entre os circuitos de média tensão e baixa tensão. A estratégia mais eficaz é usar conectores separados para cada nível de tensão, evitando a integração de ambas as tensões no mesmo conector. Além disso, o setor automotivo adotou a codificação de cor azul claro para os conectores de 48 V para diferenciá-los claramente dos conectores de 12 V.

A origem desse código de cores remonta às empilhadeiras elétricas, que há muito tempo usam baterias de tensões variadas. Foram estabelecidas diretrizes de cores para evitar erros, o que levou à adoção generalizada da cor azul para conectores de 48 V em vários setores.

Esse sistema funciona em conjunto com o uso estabelecido de conectores e cabeamento laranja, que identificam sistemas de alta tensão. Esse código de cores indica claramente os componentes que exigem precauções de segurança específicas, garantindo que eles não sejam manuseados sem o treinamento de segurança e o equipamento de proteção individual (EPI) adequados.

Considerações sobre a fabricação e a facilidade de manutenção

O risco de formação de arco voltaico nos conectores de média tensão exige que eles sejam projetados para fabricação e manutenção confiáveis. Esse requisito é abordado pela USCAR-21, que estipula os métodos e critérios de teste para crimpagens elétricas entre o cabo e o terminal em aplicações automotivas.

Um aspecto fundamental da USCAR-21 é o teste de tração, que envolve a aplicação de uma taxa de tração consistente a uma conexão crimpada para avaliar sua resistência à tração. Esse teste garante que a crimpagem possa suportar as tensões mecânicas que enfrentará durante sua vida útil. A especificação também destaca a necessidade de usar ferramentas e configurações de processo precisas durante a crimpagem.

Além disso, é aconselhável buscar conectores certificados pela GMW3191, uma norma abrangente formulada pela General Motors. Essa norma descreve os requisitos de teste e validação para conectores elétricos automotivos, confirmando sua confiabilidade e durabilidade em condições exigentes.

Considerações sobre montagem e manutenção do Molex MX150

Para concluir a montagem de um conector, primeiro devem ser colocados os terminais no cabeamento. Com o conjunto do conector macho MX150, por exemplo, o chicote de fiação deve receber terminais tipo lâmina 330000001. Da mesma forma, para o receptáculo fêmea, o cabeamento deve receber terminais de contato de conector retangular da série 33001 ou 33012.

Em ambos os casos, os fios com terminais devem ser inseridos no conector até que estejam fixados. Se uma posição do circuito precisar ser deixada vazia, a lacuna deve ser preenchida no lado macho com o plugue da cavidade 343450001.

Para ajudar nesse processo de terminação, a Molex oferece a ferramenta de crimpagem manual 0638115900 (Figura 3). Esse dispositivo garante uma conexão segura entre o fio e a lâmina ou o contato retangular.

Figura 3: a ferramenta de crimpagem manual 0638115900 garante uma conexão segura entre o fio e a lâmina ou o contato retangular. (Fonte da imagem: Molex)

Equipamentos especializados também estão disponíveis para a manutenção de um conector. A ferramenta de extração 0638131500 (Figura 4) permite que os técnicos removam os fios de um conector sem perturbar o restante do conjunto.

Figura 4: a ferramenta de extração 0638131500 permite a remoção de qualquer fio de um conector sem perturbar o restante do conjunto. (Fonte da imagem: Molex)

Conclusão

Ao fazer a transição para uma arquitetura de média tensão, os fabricantes de automóveis e seus fornecedores podem se beneficiar do uso de componentes baseados em tecnologia de baixa tensão. A mudança para 48 V apresenta novas preocupações de segurança e confiabilidade, mas essas preocupações podem ser prontamente resolvidas com atenção cuidadosa às normas e com a escolha de um sistema de conectores que incorpore mecanismos robustos de travamento e vedação. Ao selecionar um sistema de conectores de 48 V, é aconselhável procurar um fornecedor com um portfólio abrangente, experiência comprovada e ferramentas associadas.