Конекторни технологии в автомобилната електроника

Начало > Електроника > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 8/2022 > 30.11.2022

  • Модерната автомобилна индустрия коренно се трансформира под влиянието на глобални тенденции като дигитализацията и електрификацията

  • За да функционират безпроблемно, всички подсистеми в превозните средства се нуждаят от надеждни, ефективни и гъвкави конектори

  • В автомобилостроенето намират приложение широка гама стандартни, компактни, индустриални, специализирани и спомагателни конектори за пренос на сигнали или захранване

 

Съвременната автомобилна индустрия коренно се трансформира под влиянието на глобални тенденции като дигитализацията и електрификацията. Не само към електрическите и хибридните модели, но и към класическите превозни средства с ДВГ се поставят все по-високи изисквания за безопасност, свързаност и устойчивост.

С всяко следващо поколение автомобили производителите на оригинално оборудване (OEM) влагат в тях все повече електронни компоненти и системи, модули за управление, контролери и сензори, за да обезпечат работата на иновативни решения като технологиите за автономно и асистирано шофиране, информационно-развлекателните платформи и др. А за да функционират безпроблемно, всички тези системи се нуждаят от надеждни, ефективни и гъвкави конектори. С оглед на все по-големия брой функционални елементи, които е необходимо да се вградят в ограничени пространства, а и в паралел с генералния ход на развитие на електрониката през последните десетилетия, като водеща тенденция при съединителите за превозни средства се налага и миниатюризацията.
Настоящият материал разглежда някои от основните типове конекторни решения в съвременното автомобилостроене, техните специфики и приложения, както и посоките на технологичната им еволюция.

 

Типове, специфики и съображения при избора

Конекторите често са смятани за най-слабото звено между отделните подсистеми в едно превозно средство. Това схващане до голяма степен се дължи на факта, че както потребителските автомобили, така и индустриалните тежкотоварни модели с приложения в транспорта, логистиката, производството, строителството и селското стопанство често са изложени на агресивни експлоатационни условия, включително влага и запрашаване, замърсявания, вибрации, електромагнитни смущения (EMI), химикали и екстремни температури. За да се гарантират целостта, функционалността и надеждността на електрическите и електронните системи в средствата за пренос на хора и товари, включително автомобили, камиони, автобуси, мотоциклети, бусове, трактори, кари, ремаркета, земеделски и строителни машини и др., са необходими съединители с оптимален дизайн, съобразен с приложенията и работната среда. Ето защо производителите на оригинално оборудване за автомобилния сектор непрекъснато се стремят да повишат здравината, устойчивостта и сигурността на продуктите си, съчетавайки тези характеристики в достатъчно компактни модели с възможности за рентабилно производство и минимизиране на разходите за единица продукция.

В автомобилостроенето намират приложение широка гама стандартни, компактни, специални и спомагателни конектори за пренос на сигнали или захранване, а често се използват и комбинирани варианти за захранващи кабелни линии с възможности за трансфер на данни чрез Ethernet и други комуникационни технологии. Автомобилните съединители подлежат на изпитване и сертифициране съгласно изискванията на различни стандарти. Основна в Европа е системата от спецификации за тестване на автомобилни конектори LV 214-4, дефинирана и възприета от водещите немски производители на OEM оборудване в сегмента.

За експлоатационната пригодност и надеждност на конекторите съществено значение имат редица техни функционални и технически характеристики, включително дизайнът и технологията на съединяване, възможностите за плътен контакт при свързване, опциите за заключване и блокировка, както и материалите за изработка.

Предлагат се специални версии в индустриално изпълнение с висока степен на IP защита (от IP65 до IP6K9K), висок клас на негоримост (UL94V-2 или 94V-0), както и патентовани механизми за свързване като TPA (Terminal Position Assurance) и CPA (Connector Position Assurance) със заключващи механизми, гарантиращи правилна позиция на клемите и конекторите.

Автомобилните съединители могат да бъдат класифицирани по редица различни показатели, включително електрическа функция, позиция на монтаж, структура на връзката, форма, размер, работна честота и т. н. Така различаваме съединители за: електронния модул за управление (бордовия компютър), лампи, сензори, аудио системи (тонколони, високоговорители и др.), зарядни станции, централната електрическа кутия, климатика и др.

Те могат да бъдат метални или пластмасови, правоъгълни или кръгли, стандартни или коаксиални, запечатани или незапечатани, екранирани или неекранирани, ниско- или високоволтови, ниско- или високочестотни, монтирани към шаси системи, панели или системи на двигателя. Според структурата на връзката автомобилните съединители се подразделят на такива за свързване на проводник към проводник, проводник към платка, платка към платка, с различен брой и тип контакти, пинове, щифтове и други функционални елементи. Предлагат се мъжки и женски съединители, гнезда и щепсели, клеми, букси, накрайници, самостоятелни конектори и предварително асемблирани модели с кабели, както и широка гама аксесоари, покриващи изискванията на всякакви по тип приложения в автомобилостроенето, включително индустриални, захранващи/зарядни (ниско- и високоволтови), за трансфер на данни (сигнални, антенни, RF), съединители за аудиовизуални системи и др.

При избора на решение за съответно приложение проектантите се ръководят от няколко общи принципа, а именно – селекция на модел с подходящи: размер и електрически характеристики; клас на защита, дизайн на корпуса и контакта, здравина, устойчивост и плътност на връзката; размер и спецификации на проводниците; гъвкавост и функционални възможности.

 

Високоволтови автомобилни конектори

Повсеместната електрификация изисква фундаментално преосмисляне на автомобилния дизайн и архитектурите на отделните функционални подсистеми в превозните средства. В електромобилите се влагат редица допълнителни силови електронни устройства, включително литиево-йонни батерии, инвертори и DC конвертори.

Необходимите за присъединяването им конектори работят при напрежения, вариращи от 400 до 1000 V, и токове до 250 A. В множество приложения се предпочитат конекторните системи със завинтване с цел гарантиране на неразглобяем контакт, докато в други, в зависимост от дизайна и наличното пространство, се използват съединители с лостов или плъзгащ механизъм. Налагат се и технологии за безопасно и сигурно сдвояване с блокировка като HVIL (High-voltage interlock loop technology).

Високоволтовите зарядни конектори изпълняват ключова роля в съвременната електромобилност. Те доставят енергия от зарядния AC/DC контакт до батерията на превозното средство, а след това я разпределят към отделните системни елементи, включително устройствата с висока мощност (електродвигатели и инвертори) спомагателните устройства (климатици, електрически нагреватели) и централните електрически устройства (разпределителни кутии за захранване и изключватели за батерии).

Редица автомобилни производители се завръщат към използването на по-бюджетни неекранирани кабели и свързващи системи в комбинация с EMI филтри, за да редуцират тежестта и цената на продуктите си. Наблюдава се устойчива тенденция на преход от медни към алуминиеви проводници при високоволтовите кабели в средния диапазон на ампеража и напрежението. При транспортните, тежкотоварните и индустриалните превозни средства покриването на изискванията на високоволтовите приложения също е свързано с редица предизвикателства по отношение на дизайна на конекторите. В камиони, автобуси и товарни бусове се предпочитат пластмасовите съединители, докато в строителното и селскостопанско оборудване се залага на металните им аналози с оглед по-високата здравина и механична устойчивост. Спецификации на напрежението до 1000 V вече са част от стандартните каталози на повечето производители в сегмента, а конекторите за работни напрежения от порядъка на 500 V са все по-често срещани в практиката.

Основните групи високоволтови автомобилни конектори включват съединители за:

  • системи за преобразуване на мощност с високо напрежение до 250 А (високоволтови батерии, AC/DC инвертори, DC/DC конвертори, задвижващи двигатели/генератори, захранващи ел. кутии, разпределителни блокове и др.);

  • изходи за батерии с високо напрежение (12, 24, 48 V) с възможности за пренос на токове с голяма величина и висока степен на защита при уплътняване на контакта (за високоволтови батерии и инвертори, разпределителни кутии за захранване, зарядни устройства/бустери, DC/DC конвертори, електроразпределителни центрове и т. н.);

  • зарядна инфраструктура за хибридни и електрически автомобили (включително преносими зарядни устройства и зарядни съединители за интегриране в EVSE (Electric Vehicle Supply Equipment) оборудване, зарядни гнезда на автомобила, системи за зареждане от тип “мрежа-към-превозно средство” и “зарядна инфраструктура-към-превозно средство”;

  • високоволтови спомагателни модули (климатични компресори, климатроник системи, нагреватели, модули за управление на охладители, бордови зарядни устройства, DC конвертори и др.).

 

Сигнални конектори

Високотехнологичните съвременни автомобили значително надграждат базовата концепция за превозно средство. Постепенно те се превръщат в интелигентни и свързани мобилни екосистеми с все по-висока степен на автономност и богати информационно развлекателни функции, способни проактивно и двупосочно да взаимодействат с водача, пътниците и цифровизираната среда, която ги заобикаля. Настъпва ерата на V2X (Vehicle-to-Everything) свързаността, която поддържа трансфера на информация от превозното средство към всички дигитализирани трафик системи и елементи на градската инфраструктура, които могат да взаимодействат с него. Тези почти безгранични комуникационни възможности се дължат на факта, че модерните превозни средства са оборудвани с огромен арсенал от електронни модули, сензори, контролери, компоненти и компютъризирани системи, които се грижат за оптималната безопасност, комфорта и удобството на потребителите. Подобно на всички останали интелигентни технологии в потребителския сегмент, сферата на услугите, търговията и индустрията, и мобилността се превръща в “генератор” на гигантски масиви от данни (Big Data), събирани от интелигентните сензори и контролно-измервателни средства в автомобилите и детайлно анализирани с цел извличане на максимална добавена стойност за клиенти и производители. В сегмента се налагат все по-усъвършенствани софтуерно-дефинирани комуникационни платформи и интерфейсни стандарти, с нарастващи изисквания към честотния обхват и скоростите на трансфер, които надхвърлят капацитета и възможностите на традиционните автомобилни мрежи.

За да бъдат в крак с тенденциите на технологично развитие в автомобилната електроника, производителите на конектори залагат във всяко следващо поколение продукти подобрени възможности за защита от електромагнитни смущения, латентност (времезакъснение при преноса на данни) и отказоустойчивост.

Сред основните групи сигнални съединители в автомобилостроенето са Automotive Ethernet конекторите. Подобно на потребителската и индустриалната си версия, Ethernet стандартът за приложения в сферата на мобилността, въведен от IEEE през 2016 г., непрекъснато се развива. Вариантът от 2020 г. – 802.3ch, дефинира скорости от 2,5/5/10 Gbit/s) при трансфер на разстояния до 15 м с възможност за захранване по комуникационната линия (Power over Data Line, PoDL). Все по-популярни за такива приложения са AMEC (Automatable Module Ethernet Connector) и H-MTD (High-Speed Modular Twisted-Pair Data) съединителите, които осигуряват широки възможности за свързване по отношение на броя портове и се предлагат както в незапечатани, така и в запечатани конфигурации.

Сред водещите технологии за пренос на сигнали в автомобилите продължават да са и коаксиалните кабели и конектори (за работни честоти до 3 GHz и дори до 6 GHz и скорости до 8 Gbit/sec), подходящи за аудио- и видеосистеми. В синхрон с тенденциите към миниатюризация се налагат и ново поколение мини коаксиални системи с усъвършенствани възможности (9 – 15 GHz, 20+ Gbit/sec).

Друга популярна технология при сигналните конектори, макар и с по-ограничени приложения, е PCI (Peripheral Component Interconnect) Express. Тя е базирана на шинен интерфейс за свързване на периферни устройства към дънни платки и е подходяща за интелигентни автомобилни архитектури. Най-новата действаща версия на стандарта 6.0 поддържа скорости до 128 GB/s. Сред по-традиционните технологии, които все още се използват при сигналните кабели и конектори за автомобилостроенето, са LIN (Local Interconnect Network), CAN (Controller Area Network), CAN-FD (CAN Flexible Data Rate), FlexRay и 10Base-T1S Automotive Ethernet. За т. нар. асиметрични приложения, при които е необходима висока пропускателна честота само в едната посока, като свързване на камери и дисплеи с висока резолюция, се използват интерфейсни технологии като FPD-Link, APIX, GMSL и HDBaseT Automotive.


Вижте още от Електроника


Ключови думи: конектори, съединители, автомобилна електроника, автомобилостроене, високоволтови конектори, сигнални конектори, компактни конектори, Automotive Ethernet



Редактор на статията:

Пепа Петрунова

Пепа Петрунова

Редактор

  • Завършва специалност "Журналистикa" в СУ "Св. Климент Охридски";

 

  • Заема длъжността редактор "Списания" от 2013 г.;

 

  • Разполага с над 15 години опит в разработването на оперативни материали и технически статии в широк кръг от тематични области.

 

Пепа Петрунова в LinkedIn

Новият Специален брой: Иновации за автомобилната индустрия - оборудване и технологии/2024

Специален брой: Иновации за автомобилната индустрия - оборудване и технологии-2024

  ЧЕТЕТЕ БРОЯ ОНЛАЙН

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ



Top