중전압 자동차 아키텍처용 48V 커넥터를 선택하는 방법

정부의 CO₂ 배출량 감소 명령과 차량 전자 장치에 대한 소비자의 수요에 따라 12V 자동차 시스템에서 더 효율적인 48V 아키텍처로 전환되고 있습니다. 이러한 중전압 아키텍처는 높은 전력 공급과 가볍고 저렴한 배선 하니스를 제공합니다.

설계자의 문제는 커넥터가 48V 시스템의 까다로운 전기, 안전, 신뢰성 및 물리 요구 사항을 충족하면서, 비용 및 출시 시간 제약까지 충족해야 한다는 것입니다. 해결책은 적절한 제조업체 제품을 선택하기 전에 중전압 자동차 아키텍처의 운영, 규제 및 안전 요구 사항을 이해하는 것입니다.

이 기사에서는 48V 아키텍처의 이점을 검토하고 적절한 커넥터를 선택하는 데 따르는 어려움을 설명합니다. 그런 다음 Molex의 적합한 솔루션을 제시하고 이러한 솔루션이 실제 시나리오에 어떻게 적용될 수 있는지를 설명합니다.

48V 자동차 아키텍처의 이점

자동차 제조업체는 중전압 아키텍처로 전환하여 제동 및 타력 구동 중에 에너지를 회수하는 마일드 하이브리드 시스템을 구현할 수 있습니다. 또한 시내 주행이나 교통 체증 시 연료 소비를 줄여주는 고급 시동-정지 시스템을 배포할 수 있습니다. 또한 전압이 높을수록 더 가볍고 작은 게이지 전선을 사용하여 더 낮은 전류로 동일한 전력을 공급할 수 있으므로 48V 시스템을 사용하면 차량 중량을 줄일 수 있습니다. 이러한 모든 요소는 상당한 연료 절감 효과를 가져오며 특히 소형 차량에서는 더 효과가 큽니다.

파워 스티어링, 에어컨과 같은 부품의 전기화, 적응형 크루즈 컨트롤 및 차선 유지 보조와 같은 고급 운전자 지원 시스템(ADAS) 채택을 수용하려면 고전력 배선 하니스도 필요합니다. 48V 아키텍처로 전환하면 풀 하이브리드 전기 자동차(HEV) 및 배터리 전기 자동차(BEV)에 사용되는 고전압 시스템(예: 400V 이상)과 관련된 비용과 복잡성을 피해 이러한 요구를 충족할 수 있습니다.

또한 48V 아키텍처는 차량 전기화를 위한 가교 역할을 하므로, 완전한 전기적 점검 없이 하이브리드 기술을 점진적으로 통합할 수 있습니다. 이러한 중전압 시스템은 사이버트럭과 같은 설계에 통합된 것에서 알 수 있듯이 완전 전기 자동차에서도 여전히 가치가 있습니다.

48V 커넥터의 비용 고려 사항

48V 아키텍처에 어떤 전기 연결 시스템을 사용해야 하는지에 대한 질문은 전압 증가로 인해 발생하는 기술적 과제에서 답을 찾을 수 있습니다.

전기 및 하이브리드 차량용으로 개발된 고전압 커넥터를 채택하는 것은 기술적으로는 가능하지만 비용과 패키지 공간을 고려하면 바람직하지 않습니다. 반면에 중전압 아키텍처에 12V 커넥터를 적용하는 것은 비용과 크기 면에서 매력적인 제안입니다.

모든 차량 시스템이 48V로 전환되는 것은 아닙니다. 전력을 적게 소비하는 일부 소형 장치에는 계속 12V가 사용될 것입니다. 따라서 공구 및 기술자 교육을 간소화하기 위해 12V 및 48V 시스템에서 일관된 커넥터를 사용하는 것이 바람직합니다.

Molex의 MX150 중전압 커넥터 시스템(그림 1)은 이러한 설계 원칙의 예입니다. 이 커넥터는 현장에서 입증된 저전압 MX150 커넥터와 폼 팩터를 공유합니다. MX150 중전압 커넥터는 12V 커넥터 시스템과 패키지 크기 및 하우징 설계가 동일하여 최소한의 설계 엔지니어링을 통해 48V 배선 아키텍처로 간편하게 업그레이드할 수 있습니다.

그림 1: MX150 중전압 커넥터 시스템의 커넥터는 현장에서 입증된 저전압 MX150 커넥터와 폼 팩터를 공유합니다. (이미지 출처: Molex)

MX150 중전압 커넥터 시스템은 현재 표 1에 설명된 대로 5가지 구성을 포괄합니다. 여기에는 2열 33482 블레이드 커넥터와 대응하는 2열 300361 리셉터클, 그리고 1열 300363이 포함됩니다.

표 1: MX150 중전압 커넥터 시스템 주요 사양 (표 출처: Molex, Kenton Williston이 수정함)

48V 커넥터의 안전 고려 사항

12V가 중전압 커넥터의 시작점으로 바람직한 반면, 48V로의 전환은 그리 간단하지 않습니다. 특히 우려되는 사항은 아크 발생입니다.

12V 시스템에서는 작은 아크가 발생하더라도 보통 회로가 차단되면 빠르게 진화됩니다. 하지만 48V에서는 아크가 더 오래 지속되어 단자 및 하우징이 심각하게 손상될 수 있습니다. 이러한 위험을 완화하려면 저전압 시스템 내 장비의 절연 조정에 적용되는 DIN EN 60664-1에 명시된 연면거리 및 공간거리 요구 사항을 충족하도록 단자를 적절한 간격으로 배치해야 합니다.

연면거리는 절연 표면을 따라갈 때 두 전도성 지점 사이의 최단 경로를 의미하고, 공간거리는 컨덕터 사이의 최단 공기 경로를 나타냅니다. 과전압 범위의 상한인 60V까지 확실히 보호할 수 있으려면 이러한 사양이 중요합니다.

또한, 속도 저하나 간헐적인 전원 단절의 원인이 되는 단자 푸시 아웃(TPO)을 방지하려면 효과적인 단자 보조 잠금 기능이 필수적입니다. 그러한 단절로 인해 미세 아크가 발생하여 도금이 손상되거나 단자 비금속에 영향을 미쳐 높은 저항 또는 용접 연결이 발생할 수 있습니다.

커넥터 밀폐에도 세심한 주의가 필요합니다. 48V 커넥터가 소금물과 같은 전해질에 노출되면 12V에서 노출되었을 때보다 강한 전기 화학 반응이 발생할 수 있습니다. 이러한 손상과 단락을 방지하려면 적절한 오염 등급(일반적으로 USCAR-2 밀봉 클래스 2 이상)을 충족하는 커넥터를 사용해야 합니다.

그림 2는 20개의 회로가 있는 2열 중전압 암 리셉터클인 3003610011에서 이러한 설계 원칙이 어떻게 구현되는지를 보여줍니다. 여기에 맞는 수 커넥터는 0334822423입니다.

그림 2: MX150 중전압 커넥터 시스템에는 안전하고 안정적인 연결을 보장하는 여러 기능이 통합되어 있습니다. 이 그림은 20개 회로를 갖춘 3003610011 2열 암 리셉터클을 보여줍니다. (이미지 출처: Molex)

MX150 커넥터에는 커넥터 하우징, 시일, 단자 위치 보증(TPA) 부품이 미리 조립되어 있어 설치 및 유지보수가 간편합니다. 그림 2에 표시된 커넥터의 주요 특징은 다음과 같습니다.

• TPA - 단자를 하우징에 단단히 고정하여 이탈을 방지합니다.
• 보조 커넥터 위치 보증(CPA) 잠금 장치 - 안전한 연결을 보장하고 심한 진동이나 충격으로 인한 우발적인 분리를 방지합니다.
• 통합 매트 및 링 시일 - 침수 시에도 안전한 성능을 보장하므로 개별 케이블 시일이 필요 없습니다.
• 그로멧 캡 - 매트 시일의 보호를 강화하고 단자가 바르게 정렬되도록 하여 연결의 무결성을 유지합니다.

혼합 전압 설계 고려 사항

혼합 전압 시스템에서는 중전압 회로와 저전압 회로 사이에 전류가 흐르지 않도록 특별한 주의가 필요합니다. 가장 효과적인 방법은 전압 레벨에 따라 별도의 커넥터를 사용하여 동일한 커넥터 내에서 두 전압이 통합되지 않도록 하는 것입니다. 또한 자동차 업계에서는 48V 커넥터를 12V 커넥터와 명확하게 구분하기 위해 연한 파란색 코딩을 채택했습니다.

이 색상 코딩의 기원은 오랫동안 다양한 전압의 배터리를 사용해 온 전기 지게차로 거슬러 올라갑니다. 오류를 방지하기 위해 색상 지침이 제정되어, 다양한 산업에서 이 지침에 따라 48V 커넥터에 파란색을 널리 채택하게 되었습니다.

이 시스템은 고전압 시스템으로 지정된 주황색 커넥터 및 배선과 함께 사용됩니다. 이 색상 코딩은 특정 안전 예방 조치가 필요한 부품을 명확하게 표시하여, 항상 적절한 안전 교육 및 개인 보호 장비(PPE)와 함께 부품을 취급하도록 합니다.

제조 및 서비스 가능성 고려 사항

중전압 커넥터는 아크의 위험이 있으므로 신뢰성 있는 제조 및 서비스를 지원하도록 설계되어야 합니다. 이 요구 사항은 자동차 응용 분야의 케이블-단자 전기 크림프에 대한 테스트 방법과 기준을 규정하는 USCAR-21에서 다룹니다.

USCAR-21의 핵심은 크림프 연결에 일정한 인장 속도를 적용하여 인장 강도를 평가하는 인장 테스트입니다. 이 테스트에서는 크림프가 서비스 수명 동안 견뎌야 하는 기계적 응력을 견딜 수 있는지 확인합니다. 또한 이 사양에서는 크림핑 중에 정밀한 공구 및 공정 설정을 사용할 필요성을 강조합니다.

아울러 General Motors에서 제정한 포괄적인 표준인 GMW3191 인증을 받은 커넥터를 사용하는 것이 좋습니다. 이 표준은 자동차 전기 커넥터에 대한 테스트 및 검증 요구 사항을 설명하며 까다로운 조건에서 커넥터의 신뢰성과 내구성을 확인합니다.

Molex MX150 조립 및 서비스 고려 사항

커넥터 조립을 완성하려면 먼저 배선을 종단해야 합니다. 예를 들어 MX150 수 커넥터 조립품의 경우 전선 하니스를 330000001 블레이드로 종단해야 합니다. 마찬가지로 배선은 암 리셉터클용 33001 또는 33012 계열 직사각형 커넥터 접점으로 종단해야 합니다.

두 경우 모두 종단된 전선을 커넥터에 밀어 넣어 고정해야 합니다. 회로 위치를 비워 두어야 하는 경우, 수측 틈을 343450001 캐비티 플러그로 채워야 합니다.

Molex는 이 종단 공정을 지원하기 위해 0638115900 수동 크림핑 공구를 제공합니다(그림 3). 이 장치는 전선과 블레이드 또는 직사각형 접점 사이의 안전한 연결을 보장합니다.

그림 3: 0638115900 수동 크림핑 공구는 전선과 블레이드 또는 직사각형 접점 사이의 안전한 연결을 보장합니다. (이미지 출처: Molex)

커넥터를 수리할 수 있는 특수 장비도 제공됩니다. 0638131500 추출 공구(그림 4)를 사용하면 기술자가 나머지 조립을 방해하지 않고 커넥터에서 전선을 제거할 수 있습니다.

그림 4: 0638131500 추출 공구를 사용하면 나머지 조립을 방해하지 않고 커넥터에서 전선을 제거할 수 있습니다. (이미지 출처: Molex)

결론

중전압 아키텍처로 전환할 때 자동차 제조업체와 해당 공급업체는 저전압 기술 기반 부품을 사용해 이점을 얻을 수 있습니다. 48V로의 전환은 새로운 안전 및 신뢰성 문제를 야기하지만, 표준에 주의를 기울이고 강력한 잠금 및 밀폐 메커니즘이 통합된 커넥터 시스템을 선택하면 이러한 문제를 순조롭게 해결할 수 있습니다. 48V 커넥터 시스템을 선택할 경우 포괄적인 포트폴리오, 검증된 경험, 관련 공구를 갖춘 벤더를 선택하는 것이 좋습니다.