如何为汽车级中压电源架构选择 48 V 连接器

作者：Kenton Williston

投稿人：DigiKey 北美编辑

2024-07-18

各国政府对降低 CO2 排放的要求以及消费者对汽车电子产品的需求，促成了汽车系统从 12 V 电源架构过渡到更高效的 48 V 架构。这些中压架构可实现更高的功率输出以及质量更轻、成本更低的线束。

设计人员面临的问题是，满足成本和上市时间限制的同时，确保连接器满足 48 V 系统严苛的电气、安全、可靠性和物理要求。为此，在选择合适的供应商之前，需要先了解汽车级中压架构的运行、监管和安全要求。

本文介绍 48 V 架构的优势，并概述选择适当连接器时面临的挑战。然后介绍 [Molex] 提供的合适的解决方案，并说明如何在在实际场景中使用这些应用。

汽车级 48 V 架构的优势

汽车制造商可以通过采用中压架构，实现在制动和滑行过程中能够回收能量的轻度混合动系统。汽车制造商们还可部署增强型启停系统，以降低城市驾驶和交通拥堵时的油耗。此外，由于电压较高，因此可以使用较轻、较小规格的导线，以较低的电流提供相同的功率，进而通过 48 V 系统减小车重。所有这些因素都能节省大量燃油，对于小型车辆来说尤其如此。

此外，还需要功率更大的线束，以适应诸如动力转向、空调等部件的电气化，以及采用诸如自适应巡航控制和车道保持辅助等高级驾驶辅助系统 (ADAS)。将电源架构过渡到 48 V 架构可满足这一要求，避免了与全混动电动汽车 (HEV) 和纯电动车 (BEV) 所用的高压系统（即 400 V 及以上电压）相关的成本和复杂性。

48 V 电压架构也是实现更大程度汽车电气化的桥梁，可逐步集成混合动力技术，而无需对电气系统进行全面改造。即使在纯电动车中，这些中压系统仍将发挥重要作用，Cybertruck 等设计中的应用就证明了这一点。

48 V 连接器的成本考虑

关于 48 V 架构采用哪种电气连接系统的问题，可以从电压升高带来的技术挑战中找到答案。

采用专为电动和混动汽车开发的高压连接器在技术上是可行的，但鉴于其成本和封装空间，这种做法并不可取。相比之下，将 12 V 连接器改造成中压架构，在成本和尺寸方面都很有吸引力。

值得注意的是，并非所有车辆系统都将过渡至 48 V 电压。一些功耗较低的小型设备将保持 12 V 电压。因此，使用在 12 V 和 48 V 系统中能够保持一致的连接器非常重要，因为这样可简化工具和技术人员的培训。

Molex 的 [MX150 中压连接器系统]（图 1）体现了这些设计原则。这些连接器与经过现场验证的低压 MX150 连接器具有相同的外形尺寸。因为采用了与 12 V 连接器系统相同的封装尺寸和外壳设计，MX150 中压连接器只需极少的设计工程即可直接升级到 48 V 接线架构。

图 1：MX150 中压连接器系统的连接器与经过现场验证的低压 MX150 连接器具有相同的外形尺寸。（由 Molex 提供图片）

MX150 中压连接器系统目前分为五种不同的配置，详见表 1。其中包括双排 [33482]刀片连接器和相应的双排 [300361] 插座，以及单排 [300363] 连接器。

| | 技术规格 | 详情 |
| -------------------- | ---------------------------- |
| 电路规格 | 单排：4
双排：4、6、20 |
| 电压（最大值） | 60V |
| 电流（最大值） | 22.0 A |
| 接触电阻 | 8 mΩ |
| 行业合规性 | USCAR-2、USCAR-21、GMW3191 |
| 工作温度 | -40°C 至 +125°C |
| 密封 | IP67 和 USCAR-2 2 级密封 |

表 1：MX150 中压连接器系统的主要规格。（表格来源：Molex，修改 Kenton Williston）

48 V 连接器的安全注意事项

虽然 12 V 电压是中压连接器的一个良好起点，但向 48 V 过渡面临巨大挑战。电弧问题尤其令人担忧。

在 12 V 系统中，当电路断开时，小电弧通常会迅速熄灭。然而，在 48 V 电压下，电弧持续时间更长，可能会严重损坏端子和外壳。为了降低这种风险，端子的间距必须足够大，以满足 DIN EN 60664-1 中规定的爬电距离和间隙要求，该标准规定了低压系统中设备的绝缘协调要求。

爬电距离是指两个导电点之间沿着绝缘表面的最短路径，而间隙则表示导体之间的最短空气路径。这些规格对于确保提供高达 60 V（过电压范围的上限）的保护至关重要。

有效的端子二次锁定对于防止端子脱出 (TPO) 也是至关重要，端子脱出会导致缓慢或间歇性断电。这种断开连接可能会引起微烧蚀，损坏电镀层或端子的基底金属，从而导致高电阻或出现焊接连接。

连接器的密封也是值得关注的一个问题。48 V 连接器暴露在盐水等电解质中时会引发剧烈的电化学反应，比 12 V 时的反应更剧烈。为防止此类损坏和短路，必须使用符合相应污染等级的连接器（通常为 USCAR-2 标准的 2 类密封或更高）。

图 2 说明了 [3003610011] 是如何实现这些设计原则的，该连接器是一款双排中压母插座，有 20 个电路。相应的公连接器是 [0334822423]。

图 2：MX150 中电压连接器系统集中了多种功能，可确保连接安全可靠。所示为具有 20 个电路的 3003610011 双排母插座。（由 Molex 提供图片）

MX150 连接器预装有连接器外壳、密封件和端子位置保证 (TPA) 部件，从而简化了安装和维护。图 2 所示连接器的主要特点包括：

• TPA 可将端子牢牢锁入外壳，防止脱落
• 辅助连接器位置保证 (CPA) 锁可确保连接可靠，防止在剧烈振动或冲击下意外脱离
• 一体式垫圈和环形密封件，即使浸没在水中也能确保性能安全，无需单独采用电缆密封件
• 扣眼帽可加强密封垫保护，确保端子正确对齐，进而保持连接完整性

混合电压设计的考虑因素

在混合电压系统中必须采取特别的预防措施，以防电流在中压和低压电路之间流动。最有效的策略是为每个电压等级使用独立的连接器，避免在同一连接器中出现两种电压。此外，汽车行业已对 48 V 连接器采用浅蓝色编码，以便与 12 V 连接器明确区分。

这种颜色编码的起源可以追溯到电动叉车，因为电动叉车长期以来一直使用不同电压的电池。为防止出错，制定了颜色准则，从而使 48 V 连接器在各行各业广泛采用蓝色。

该系统与标志高压系统的橙色连接器和电线的既定使用方法相辅相成。这种色码清楚地标明了需要采取特定安全预防措施的部件，确保在没有经过适当安全培训，也没有使用个人防护用品 (PPE) 的情况下，不得处理这些部件。

制造和适用性考虑因素

中压连接器存在电弧风险，因此必须采用能确保制造和维修均可靠的设计。USCAR-21 规定了汽车应用中“电缆到端子”的电气压接测试方法和测试标准。

USCAR-21 的一个重要方面是拉力测试，即对压接连接施加一致的拉力，以评估其拉伸强度。这种测试可确保压接件在使用寿命期间能够承受机械应力。该规范还强调了在压接过程中使用精密工具和过程设置的必要性。

此外，最好采用通过 General Motors 制定的 GMW3191 综合标准认证的连接器。该标准概述了汽车电气连接器的测试和验证要求，以确认连接器在苛刻条件下的可靠性和耐用性。

Molex MX150 的安装和维护注意事项

要完成连接器安装，首先必须进行电线端接。例如，对于 MX150 公头连接器组件，线束必须端接到 [330000001] 插片上。同样，接线必须端接到母头插座的 33001 或 33012 系列矩形连接器触点上。

无论哪种情况，都必须将端接好的导线推入连接器中，直至固定。如果电路位置必须留空，则应使用 [343450001] 型空腔插头填满公头侧的间隙。

为了帮助完成端接，Molex 提供 [0638115900]手动压接工具（图 3）。该工具可确保导线与插片或矩形触点之间的安全连接。

图 3：0638115900 手动压接工具可确保导线与插片或矩形触点之间的安全连接。（由 Molex 提供图片）

此外，还可使用专用设备完成与连接器相关的工作。通过 [0638131500] 拆除工具（图 4），技术人员可以在不影响组件其他部分的情况下从连接器上拆除导线。

图 4：使用 0638131500 拆除工具可以从连接器上拔出任何导线，而不会影响组件的其他部分。（由 Molex 提供图片）

结束语

在过渡到中压电源架构时，汽车制造商及其供应商可以从使用基于低压技术的组件中获益。48 V 电压的变化带来了新的安全和可靠性问题，但只要认真遵守标准，并选择具有坚固的锁定和密封机制的连接器系统，就能轻松解决这些问题。选择 48 V 连接器系统时，建议寻找产品组合全面、经验成熟并能提供相关工具的供应商。

审核编辑 黄宇