Las exigencias gubernamentales de reducir las emisiones de CO2 y la demanda de electrónica para vehículos por parte de los consumidores han dado lugar a una transición de los sistemas automotrices de 12 V a arquitecturas más eficientes de 48 V. Estas arquitecturas de voltaje medio ofrecen mayor entrega de potencia y arneses de cables más ligeros y económicos.
El problema para los diseñadores es garantizar que los conectores cumplan los exigentes requisitos eléctricos, de seguridad, de fiabilidad y físicos de los sistemas de 48 V, respetando al mismo tiempo las limitaciones de costos y plazos de comercialización. La solución radica en desarrollar una comprensión de los requisitos operativos, normativos y de seguridad de las arquitecturas automotrices de voltaje medio antes de elegir entre la selección de un proveedor adecuado.
Este artículo repasa las ventajas de las arquitecturas de 48 V y expone los retos que plantea la selección de los conectores adecuados. A continuación, presenta soluciones adecuadas de Molex y describe cómo pueden aplicarse estas soluciones en escenarios prácticos.
Ventajas de las arquitecturas de 48 V para automóviles
Los fabricantes de automóviles pueden implantar sistemas híbridos suaves que recuperen energía durante el frenado y la marcha por inercia pasando a arquitecturas de voltaje medio. También pueden desplegar sistemas Start-Stop mejorados que reducen el consumo de combustible en conducción urbana y en atascos. Además, dado que el mayor voltaje permite el uso de cables más ligeros y de menor calibre para suministrar la misma potencia a una corriente inferior, los sistemas de 48 V reducen el peso del vehículo. Todos estos factores se traducen en un importante ahorro de combustible, sobre todo en los vehículos más pequeños.
También se necesitan arneses de cables de mayor potencia para dar cabida a la electrificación de componentes como la dirección asistida, el aire acondicionado y la adopción de sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS), como el control de crucero adaptativo y el asistente de mantenimiento de carril. La transición a una arquitectura de 48 V satisface esta necesidad sin los costos y complejidades asociados a los sistemas de alta tensión (es decir, 400 V y más) utilizados en los vehículos eléctricos híbridos completos (HEV) y los vehículos eléctricos a batería (BEV).
La arquitectura de 48 V también sirve de puente hacia una mayor electrificación del vehículo, permitiendo la integración gradual de tecnologías híbridas sin una revisión eléctrica completa. Estos sistemas de media tensión seguirán siendo valiosos incluso en vehículos totalmente eléctricos, como demuestra su incorporación a diseños como el Cybertruck.
Costo de los conectores de 48 V
La pregunta de qué sistema de conexión eléctrica debe utilizarse para arquitecturas de 48 V puede responderse examinando los retos técnicos derivados del aumento de voltaje.
Adoptar los conectores de alta tensión desarrollados para su uso en vehículos eléctricos e híbridos es técnicamente factible, pero el costo y el espacio del paquete lo desaconsejan. En cambio, adaptar conectores de 12 V a arquitecturas de voltaje medio es una propuesta atractiva en cuanto a costo y tamaño.
Cabe señalar que no todos los sistemas de los vehículos conmutan a 48 V. Algunos dispositivos más pequeños que consumen menos energía se quedarán en 12 V. Por lo tanto, es útil disponer de conectores coherentes en los sistemas de 12 V y 48 V para simplificar el uso de herramientas y la formación de los técnicos.
El sistema de conectores de media tensión MX150 de Molex (figura 1) ejemplifica estos principios de diseño. Estos conectores comparten sus factores de forma con los conectores MX150 de bajo voltaje probados en campo. Al utilizar el mismo tamaño de paquete y diseño de carcasa que el sistema de conectores de 12 V, los conectores de media tensión MX150 proporcionan una actualización directa a la arquitectura de cableado de 48 V con una ingeniería de diseño mínima.
Figura 1: Los conectores del sistema de conectores de media tensión MX150 comparten sus factores de forma con los conectores MX150 de baja tensión probados en campo. (Fuente de la imagen: Molex)
El sistema de conectores de media tensión MX150 abarca actualmente cinco configuraciones diferentes, como se detalla en la Tabla 1. Entre ellos se incluyen los conectores de lengüeta 33482 de doble fila y los correspondientes receptáculos 300361 de doble fila, así como los 300363 de una sola fila.
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Tabla 1: Especificaciones principales del sistema de conectores de media tensión MX150. (Fuente de la tabla: Molex, modificado por Kenton Williston)
Consideraciones de seguridad para conectores de 48 V
Aunque 12 V es un buen punto de partida para los conectores de media tensión, los retos para pasar a 48 V no son triviales. La formación de arcos es especialmente preocupante.
En los sistemas de 12 V, los arcos pequeños suelen extinguirse rápidamente cuando se interrumpen los circuitos. Sin embargo, a 48 V, los arcos pueden persistir más tiempo, pudiendo causar graves daños a los terminales y receptáculos. Para mitigar este riesgo, los terminales deben espaciarse adecuadamente para cumplir los requisitos de distancia de fuga y espacio libre establecidos en la norma DIN EN 60664-1, que regula la coordinación del aislamiento para equipos dentro de sistemas de baja tensión.
La fuga se refiere al camino más corto entre dos puntos conductores a lo largo de una superficie aislante, mientras que la holgura denota el camino aéreo más corto entre conductores. Estas especificaciones son cruciales para garantizar la protección hasta 60 V, el límite superior del rango de sobretensión.
Un bloqueo secundario eficaz de los terminales también es esencial para evitar los empujes de los bornes (TPO), que pueden provocar desconexiones lentas o intermitentes de la alimentación. Tales desconexiones pueden iniciar microperforaciones, dañando el chapado o comprometiendo el metal base del terminal, lo que provoca una alta resistencia o una conexión soldada.
El sellado de los conectores también merece especial atención. La exposición de un conector de 48 V a un electrolito como el agua salada puede desencadenar una reacción electroquímica agresiva, más que a 12 V. Para evitar este tipo de daños y cortocircuitos, es fundamental utilizar conectores que cumplan el grado de contaminación adecuado, normalmente USCAR-2 Clase de sellado 2 o superior.
La figura 2 ilustra cómo se aplican estos principios de diseño en 3003610011, un receptáculo hembra de doble fila y voltaje medio con veinte circuitos. El conector macho correspondiente es el 0334822423.
Figura 2: El sistema de conectores de media tensión MX150 incorpora varias características para garantizar una conexión segura y fiable. Se muestra el receptáculo hembra de doble fila 3003610011 con 20 circuitos. (Fuente de la imagen: Molex)
Los conectores MX150 están premontados con receptáculos de conectores, juntas y componentes TPA (seguro de posición de terminales) en su sitio, lo que agiliza la instalación y el mantenimiento. Características principales del conector ilustrado en la figura 2:
- Un TPA (seguro de posición de terminales) que bloquea firmemente los terminales en sus receptáculos, evitando que se suelten.
- Un bloqueo secundario de Garantía de Posición del Conector (CPA) que garantiza una conexión segura y evita la desconexión accidental en caso de vibraciones o golpes fuertes.
- Estera integral y juntas anulares que garantizan un funcionamiento seguro incluso sumergido, eliminando la necesidad de juntas de cable individuales.
- Una tapa ojal que mejora la protección de la junta de la estera y garantiza la correcta alineación de los terminales, manteniendo la integridad de las conexiones.
Consideraciones sobre el diseño de voltaje mixto
En los sistemas de tensión mixta es esencial tomar precauciones especiales para evitar el paso de corriente entre los circuitos de media tensión y los de baja tensión. La estrategia más eficaz es utilizar conectores separados para cada nivel de voltaje, evitando la integración de ambos voltajes en el mismo conector. Además, la industria del automóvil ha adoptado un código de color azul claro para los conectores de 48 V con el fin de diferenciarlos claramente de los conectores de 12 V.
El origen de este código de colores se remonta a las carretillas elevadoras eléctricas, que durante mucho tiempo han utilizado baterías de distintos voltajes. Se establecieron directrices de color para evitar errores, lo que llevó a la adopción generalizada del azul para los conectores de 48 V en diversos sectores.
Este sistema funciona en tándem con el uso establecido de conectores y cableado de color naranja, que significan sistemas de alta tensión. Este código de colores indica claramente los componentes que requieren precauciones de seguridad específicas, garantizando que no se manipulen sin la formación de seguridad y el equipo de protección individual (EPI) adecuados.
Fabricación y mantenimiento
El riesgo de arco eléctrico en los conectores de media tensión exige que estén diseñados para una fabricación y un mantenimiento fiables. Este requisito se aborda en USCAR-21, que estipula los métodos de prueba y los criterios para los engarces eléctricos de cable a terminal en aplicaciones automotrices.
Un aspecto clave de USCAR-21 es la prueba de tracción, que consiste en aplicar una velocidad de tracción constante a una conexión engarzada para evaluar su resistencia de tensión. Esta prueba garantiza que el engarce pueda soportar las tensiones mecánicas a las que se enfrentará durante su vida útil. La especificación también destaca la necesidad de utilizar herramientas y ajustes de proceso precisos durante el prensado.
Además, es aconsejable buscar conectores certificados según GMW3191, una norma exhaustiva formulada por General Motors. Esta norma describe los requisitos de ensayo y validación de los conectores eléctricos de aplicaciones automotrices, confirmando su fiabilidad y durabilidad en condiciones exigentes.
Consideraciones sobre el ensamble y servicio del Molex MX150
Para completar un ensamble de conectores, primero se debe terminar el cableado. Con el conjunto de conectores macho MX150, por ejemplo, el arnés de cables debe terminarse en una clavija 330000001. Del mismo modo, el cableado debe terminarse en un contacto de conector rectangular de las series 33001 o 33012 para el receptáculo hembra.
En ambos casos, los cables terminados deben introducirse en el conector hasta que queden asegurados. Si una posición del circuito debe dejarse vacía, el hueco debe rellenarse en el lado macho con la clavija de conexión 343450001.
Para ayudar en este proceso de terminación, Molex ofrece la tenaza engarzadora manual 0638115900 (Figura 3). Este dispositivo garantiza una conexión segura entre el cable y la clavija o el contacto rectangular.
Figura 3: La tenaza engarzadora manual 0638115900 garantiza una conexión segura entre el cable y la clavija o el contacto rectangular. (Fuente de la imagen: Molex)
También se dispone de equipos especializados para realizar el mantenimiento de un conector. La herramienta de extracción 0638131500 (figura 4) permite a los técnicos extraer los cables de un conector sin alterar el resto del ensamblaje.
Figura 4: La herramienta de extracción 0638131500 permite extraer cualquier cable de un conector sin perturbar el resto del ensamblaje. (Fuente de la imagen: Molex)
Conclusión
En la transición a una arquitectura de media tensión, los fabricantes de automóviles y sus proveedores pueden beneficiarse del uso de componentes basados en tecnología de baja tensión. El paso a 48 V plantea nuevos problemas de seguridad y fiabilidad, pero estos problemas pueden resolverse fácilmente prestando especial atención a las normas y eligiendo un sistema de conectores que incorpore sólidos mecanismos de bloqueo y sellado. Al seleccionar un sistema de conectores de 48 V, es aconsejable buscar un proveedor con una cartera completa, experiencia demostrada y herramientas asociadas.
