48Vの電気アーキテクチャを実現するにはどうすればいいでしょうか

How to Make the Leap to 48V Electrical Architectures

内燃機関からバッテリー電気自動車(BEV)への移行を考えなくても、今の自動車の電力需要は恐ろしいものになっています。エアコンや座席ヒーターから照明やインフォテインメントシステムに至るまで、車内のあらゆる機器は電気を必要とします。電気を供給する電線は、電流を流すのに十分な直径を持っていなければなりません。

大量のデバイスとそれに対応するワイヤは、パッケージと配線の面で大きな課題を抱えています。OEMsが燃費と電気自動車の航続距離の向上に注力するにつれて、これらすべての電線の重量とコストはますます評価されるようになった。

ゲージを小さくして重量とコストを削減する1つの方法は、12Vの電気構造から48Vベースの構造に移行することです。しかし、48VステアリングのOEMsは、システムの安全性と信頼性を確保するために、いくつかの重要な設計上の考慮事項に特に注意を払う必要があります。

12Vの起源

これは車両の電気構造における最初の変曲点ではありません70年前自動車業界も小規模ながら同様の課題に直面していました1950年代までほとんどの自動車は6ボルトのバッテリーと電気系統を使っていました含有量と銅価格の上昇で革命が起こりました10年間で世界の車は12Vになりました

電力はP=V×I(電力は電圧と電流を掛けたもの)で決まるので、電圧を倍にするということは、半分の電流で同じ電力を受け取ることができるということです。厚い電線は抵抗が少ないため、より高い電流を安全に運ぶ必要があります。逆もまた然りです。より低い電流はより細いワイヤを安全に流れることができ、より小さなワイヤ、端子、コネクタを使用して電流を減らすことができます。

したがって、電圧の増加は機能、包装、重量とコスト増加の問題を解決するために重要なツールです。1950年代以降、12Vシステムを流れる平均電流量は650%以上増加しています。新たなアーキテクチャの大改修を行う時が来たことは明らかです

なぜ48Vなのですか?

現在12Vは限界がありすぎて、多くの自動車OEMsは48Vを最も論理的な方向としています。それは最適点に達しているからです。電圧を4倍に増やすことで電流を4倍に減らすことができます。48Vを採用することで、過電圧のまま60Vまで保護できるよう設計されています。

端子や配線が格段に小さくなったことに加えて、高電圧のほうが省電力になります。オームの法則ではP=I2R(電力は電流の二乗に抵抗を掛けたもの)とされており、48Vの電流アーキテクチャは12Vの電流の4分の1であるため、理論上は電気搬送系の抵抗による電力損失は16倍に減少します。もちろん、ワイヤのサイズが小さくなれば抵抗は大きくなるので、実際の損失はシステムの最適化に依存します。それにもかかわらず、電流が少なくなればなるほど、負荷を駆動するときのワイヤの電圧降下は小さくなります。スターターモーターのようないくつかの装置も、より高い動作電圧の恩恵を受けます。より少ない銅とより多くのトルクを必要とし、より小さいパッケージサイズを可能にします。

設計上の考慮

12Vから48Vへの移行がこれらすべての利点を提供するなら、なぜ自動車業界は変わらないのでしょうか?それは過去に検討されていますが、12Vの背後にある業界の勢いを過小評価することはできません。この業界では70年間12Vシステムが使われてきましたが、48Vへの切り替えには新しい設計と多くの機器の再編成が必要になります。また、全ての機器が12Vから48Vに切り替わるわけではありません。いくつかの小さなデバイスは、消費電力を12Vに維持します。また、市場の完全な電気自動車への移行に伴い、いくつかの機器は通常400Vまたは800Vのバッテリーパック電圧で動作します。

48Vが意味を持つ場合、設計者はシステムの安全性と信頼性を確保するためにいくつかのステップを踏む必要があります。

密封要件

48Vコネクタが塩水などの電解質に不意にさらされると、12Vの場合よりも電気化学的な腐食反応が端子を強く侵食するため、設計者はコネクタを密閉するかどうかを決める際にこれを肝に銘じておく必要があります。どこで密閉するにせよ、検証された堅牢な密閉技術を使用します。

防電アーク

アークは電圧レベルと端子間の間隔に関するリスクです。アークの温度は2800℃から19000℃の間です。12V回路がオフになると小さなアークが発生しますが、通常はすぐに消灯します。48Vの電圧ではアークが長時間続き、端子とコネクタに壊滅的なダメージを与える可能性があります。これを防ぐために、コネクタの端子は適切に間隔を空けておく必要があります。

間欠接触、微動腐食、端子脱落(TPO)を避けます。端子の接触が不安定になると、マイクロアークがコーティングを破壊したり端子ベース金属にダメージを与え、高抵抗や溶接接続の原因となります。

有効な端子の二次ロックにより、端子がコネクタ内で完全にロックされていることを確認します。TPOは低速または間欠的な電源オフを引き起こし、破壊的なアークを引き起こす可能性があります。

48Vコネクタを補修する前に、48V電源を切るべきです。通電接続システムを緩やかに切断すると、アークが長くなり、熱的な結果が生じる可能性があります。

電圧分離

混合電圧システムでは、48V機器から12V機器に電流が流れないように、特別な予防措置が必要です。異なる電圧で動作する回路を分離するのが最善策です

保守的な方法はコネクタが48V回路と12V回路の両方を持たないようにすることです。それができない場合は、コネクタをパーティション化して物理的に電圧を分離します。ワイヤーハーネスを配線する場合、48Vと12Vの回路を分離することが望ましいですが、常に可能とは限りません。

48Vリードの配線は、電線の被覆が破損する可能性のあるエリアには避け、必要に応じてカバーを使用します。車両内の接地金属にアークが発生します。また、電圧の異なる設備については、同じ接地スクリットの使用を避けるべきです。グランドスクリットが緩んでいるか分離している場合、共有接続を介して48Vデバイスから12Vデバイスに電流が流れることがあります。

電気移動と隙間

48Vが低電圧だと思われても、アークにはリスクが伴います。リスクを減らすために、コネクタはクローラとギャップの要件を満たすように設計されています。

絶縁材料の表面上の2つの導電点間の最短距離

ギャップ:空気を通したワイヤー間の「視線」の距離

走行距離と走行距離の注意事項

既存のコネクタを特定するにしても、48Vシステムのために新しいコネクタを設計するにしても、IEC 60664-1バージョン3.0(2020-5)の仕様を使用して、コネクタの端子位置の要件を満たす適切なクローラとギャップを決定する必要があります。これは、絶縁材料の表面上の2つの導電点間の最短距離です。ギャップとは、コーチング同士の「視線」、あるいは空気を通過する最短距離のことです。仕様を適用する際には、過電圧範囲の上限である60Vを保護することが重要です。

密封されているコネクタと密封されていないコネクタ(通常レベル2またはレベル3)は、適切な汚染レベルを使用し、IEC 60112/ ul1950で定義された比較追跡指数(CTI)に基づいて適切な材料セットを選択します。CTIは材料が50滴の汚染水に耐えることができて電気的な応力によって導電経路を形成する最大電圧、湿度、汚染です。従来の端子ピッチを持つほとんどの自動車のコネクタやコネクタは、隙間の要件を満たすでしょうが、いくつかのコネクタやコネクタは、電気接続の要件を満たすために、細かい設計変更を必要とします。

48Vの台頭

48Vベースの電気アーキテクチャは多くの利点を提供しますが、より高い電圧に関連するいかなるリスクも軽減するために、設計ガイドラインに慎重に従う必要があります。

48Vデバイスが現代のハイブリッド電圧車両アーキテクチャでますます一般的になるにつれて、高度な技術は、アーキテクチャがそれらを確実にサポートすることを支援することができる。例えば、ワイヤハーネス自動化を大幅に向上させ、端子アウトのリスクを低減することができます。48Vソリッドステートセンターの高度なソフトウェアアルゴリズムにより、アークの検出と軽減が可能です。さまざまな車両のタイプを定義するグリッドアーキテクチャは、すべての機能安全要件を満たす48V電源とバックアップの確立に役立ちます。プリント基板やその他の部品の設計により配電モジュールは48Vでより小さく、より涼しく、より安価になります。

48Vのカラーコード

自動車業界では、オレンジコネクタと電線は高電圧と同義であり、60V以上の電圧をすべて含みます。このカラーコーディングシステムは、適切なセキュリティトレーニングや個人用保護装置なしで触ってはいけない部品を明確に識別します。

48Vは高電圧とはみなされませんが、アーク現象のリスクが高くなると48Vコネクタはカラーコードが必要になり、ライトブルーが好まれます。

この提案のルーツはフォークリフトに遡ります。長年にわたり、電動フォークリフトは様々な電圧のバッテリーに依存してきました。そのため、誤ったバッテリーの使用を避けるために、バッテリーコネクタのカラーガイドが制定されました。現在、48V接続用の青いコネクタ規格は多くの業界で採用されており、48V自動車用コネクタや電線に採用される可能性があります。

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