高出力EVアプリケーションの電気接続は、車両を電気的に駆動するために必要な電力を供給するために、持続的な高電圧と高電流を処理できる必要があります。
エンジン性能を測定するのに使用される一般的な単位は馬力 (HP) で、これは750ワットの電力に相当します。したがって、100 HPのEVモーターで同じ性能を得るには75 kWの電力が必要になります。高性能のEVスポーツカーは、300kW以上の電力を簡単に必要とする可能性があります。750Vの電力インバータを使用すると、印加電圧と印加電流の位相調整を考慮する前でも、400Aになります。実際には、電力方程式はより複雑な回転ベクトル計算です。
これらの高電圧および高電流の要件を一般的な自動車用電気コネクタ設計の観点から見ると、信頼性が高く高性能なEV電気コネクタを作成するには、いくつかの問題を解決する必要があります。
図1: EVでの使用に適したImperium高電圧高電流ハーネス コネクタとヘッダー。（出典：モレックス）
EVバッテリー熱管理システム
高電流は、コネクタの接合面間の接触抵抗に比例する電力損失を生み出します。コネクタの接触抵抗が1 mΩ しかない場合、400 Aの電流レベルでは、コネクタの追加熱として160ワット (I2R) の電力損失が発生します。
自動車用コネクタは、-40° Cから105° Cまでの範囲の広範囲な温度環境に耐える必要があります。コネクタ業界では、内部加熱により端子材料が膨張しても、望ましい機械的許容差を維持するために、アプリケーションによる端子の温度上昇を30° C以下に制限するのが標準です。
160 Wの電力損失は、コネクタを通じて周囲の環境に熱を効果的に放散できない場合、このような温度上昇を簡単に引き起こす可能性があります。図1のコネクタは、接触抵抗が50 µΩ 未満になるように設計されています。これは、上記の1 mΩ の例の抵抗の1/20です。
接触抵抗
接触抵抗は、端子の2つの接続コンポーネントを圧縮する力の関数でもあります。高い圧縮力は高い挿入力をもたらしますが、これは現代の自動車製造環境では望ましくありません。これに対応して、メーカーは接点の表面を保護し、挿入力を低減するためにさまざまな潤滑剤を使用しています。端子の形状、設計、材質、メッキも、挿入力を低減する上で重要な設計上の考慮事項です。
高電圧により、樹枝状成長と呼ばれる現象が発生する可能性があります。これは、コネクタ端子間の電位の力により、特定の金属イオンが物理的位置から別の位置へ移動するように促される現象です。金属の移動により、最終的にはコネクタ端子間の短絡が発生する可能性があります。これを防ぐには、端子のメッキに使用する金属化合物を慎重に選択する必要があります。
また、高電圧により、湿気やその他の環境汚染物質の存在下でプラスチックと空気の絶縁特性が破壊され、端子と接地接続の間にアークが発生する可能性もあります。これらの影響を防ぐには、設計の一環として、回路のグランドに対する接点の機械的間隔を大きくする必要があります。これは一般に、必要なクリアランスと沿面距離を提供すると言われています。
EV充電コネクタ寸法
機械的な寸法要件により、EVコネクタは望ましくないほど大きく重くなる可能性があります。これは、より小型で軽量で経済的な電子制御およびコネクタを求める業界の傾向に反するものです。高電流を伝導するために必要な物理的なサイズと質量を管理することは、EVコネクタの設計における重要な課題の1つです。
EVアプリケーションで使用される金属ワイヤは、高い電気伝導性と効率性を維持する必要があります。銅は、低コスト、高伝導性、延性 (設置時に柔軟性が増す)、熱伝導性が高いことから、通常は選択されます。残念ながら、銅は比較的重いです。
合金組成、焼鈍特性、撚線の数とサイズ、伝導される信号の周波数など、多くの要因がワイヤのアンペア容量に影響します。業界標準の表によれば、4/0 (0000) 撚り銅線は、開放空気中で380 Aの電流を流すことができます。そのワイヤーの銅の直径は約0.6インチです。大量の銅を、必要な保護絶縁カバーと組み合わせると、非常に硬く重くなります。
機械的ストレス負荷、EMI/EMR
車両の運転中、大量の銅線が動くと、ケーブルを保持するコネクタ本体、パワーエレクトロニクス筐体、およびコネクタ端子に高い振動応力負荷が発生します。自動車用途では、電力部品が道路の振動や、ほこり、水、溶剤、スチームクリーナーなどの環境条件にさらされるため、ケーブルおよびコネクタ本体と電力エンクロージャのインターフェースに沿って保護シールを維持するための戦略も必要です。設計目標は、環境汚染物質が電力エレクトロニクス エンクロージャに入らないようにするとともに、車両の動作中に発生するストレスによってコネクタ本体、電力エレクトロニクス エンクロージャ、端子、またはワイヤが損傷するのを防ぐことです。
これらの設計上の課題をさらに複雑にしているのは、ほとんどのEVアプリケーションが、印加電流をパルス幅変調 (PWM) することによってモーターに印加される電力を制御し、高い電磁放射および伝導放出が発生するという事実です。車両内の他の重要な電気信号の破損を防ぐために、ワイヤをシールドする必要があります (通常は接地された編組を使用)。シールド編組とパワーエレクトロニクスエンクロージャの接地間の接続の品質は、システム全体のパフォーマンスにとって非常に重要です。
EV充電器の寿命
EV設計のあらゆる段階、さらには端末と大型銅ケーブルの接続においても、長期的な信頼性の課題を解決する必要があります。数十年にわたり、端子を大型銅ケーブルに取り付ける方法として選ばれてきたのは、端子（ラグ）をケーブルに圧着することでした。圧着工程では端子本体に高い応力が加わり、形状が変形してケーブルがしっかりと固定されます。EVシステムは、ケーブルとコネクタ端子間の接合部を通じて高電力をパルスで送ります。インターフェースとジョイントの局所的な加熱と冷却のサイクルにより、材料の微細な膨張と収縮が起こります。冷却中に材料が緩むため、元の圧着寸法に完全には戻らないことがよくあります。
数千時間の動作により、ケーブルと端子間の接合接触抵抗が長期的に劣化し、最終的には接続障害が発生してケーブル/コネクタの交換が必要になる可能性があります。
振動の多い自動車環境では、オスとメスのコネクタ端子間で問題が発生する可能性もあります。このような大きな質量が関係するため、EVケーブルの位置、場所、組み立てによっては、意図せず道路の振動がケーブル全体に伝わり、最終的にはコネクタ端子の2つの半分の間のインターフェースの整合性に影響を与える可能性があります。純銅は腐食が早いため、端子に施される保護メッキの選択によっては、振動誘起フレッティングと呼ばれる現象により、オス端子とメス端子に微細な摩耗や表面腐食が発生する可能性があります。端子メッキの厚さと組み立てプロセスが正確でない場合、2つの端子間の接触抵抗が増加し、コネクタの性能と全体的な信頼性が低下する可能性があります。
高出力EVコネクタの安全性
安全性は、特に高電圧や高電流を扱う自動車の設計において常に重要な考慮事項です。ULでは、60 VDC未満の電圧は、コネクタ ピンへの意図しない人体接触を防ぐための特別な安全設計を必要とするほど危険であるとは考えていません。電圧がその閾値を超えると、人体の電流に対する内部抵抗（インピーダンス）が減少し始め、電流が体内を流れて傷害や死亡に至る可能性があります。重大なリスクがあるため、高電圧EVコネクタは、オペレータと製造の安全性を最大限に考慮して設計する必要があります。
高電圧インターロック (HVIL) 回路を組み込み、タッチセーフ接続に関する国際安全機関の設計要件に従うことは、EVコネクタの安全性を高めるための重要な戦略です。HVIL回路は、コネクタ設計に組み込まれた独立した閉回路であり、最後に嵌合し最初に切断するタイプの接続です。EVコネクタが切断され始めると、HVIL回路はその動きを検出し、端子が最終的に切断される前に、端子に存在する高電圧を60 V未満に放電するようにパワー エレクトロニクスに信号を送ります。これは通常、HVILがパワーエレクトロニクス ユニット内の接続切断の開始を検出してから0.5秒以内に発生する必要があります。理想的には、コネクタが完全に分離されると、EV端子に高電圧が存在しなくなります。
二次的な安全戦略として、EVの機械設計では、電気接点と潜在的な人間とのインターフェースの間に絶縁材が必要です。材料の機械的寸法は十分に小さいため、危険な電圧がまだ存在する場合でも、「標準的な」指が金属端子の電圧に接触することはできません。EVコネクタ設計の課題の1つは、標準的な指を保護するのに十分な小ささでありながら、接続時に高電流を効率的に伝導できるほど十分な大きさの金属端子を収容できる、端子の周囲に絶縁保護カバーを作成することです。