Los beneficios absolutos de los vehículos eléctricos (eficiencia, sostenibilidad, bajo nivel de ruido, conveniencia, etc.) se comprenden bien y se volverán más evidentes a medida que madure la tecnología subyacente. Sin embargo, como ocurre con cualquier producto innovador, siempre se puede mejorar. Tomemos, por ejemplo, los relés en los circuitos de potencia. Si no se eligen e integran cuidadosamente en el diseño, pueden suponer un riesgo de fracaso (o algo peor). Este artículo de Littelfuse explora los contactores relés de CC en aplicaciones de vehículos eléctricos, incluidos los antecedentes, las prácticas de diseño actuales, las capacidades de protección y más.
La velocidad de comercialización puede mejorar o deshacer las posibilidades competitivas de una empresa en el mercado mundial de vehículos eléctricos. Sin embargo, en la prisa por entrar, la calidad y la funcionalidad no pueden quedarse atrás. Una comprensión profunda de lo que se debe y no se debe hacer con los relés de CC de alta tensión puede prevenir problemas evitables y permitir un diseño de alto rendimiento que genere la satisfacción del cliente. Considere estos factores clave durante la selección del relé.
Introducción
En la carrera por electrificar los diseños de sus vehículos, los ingenieros pueden encontrar aplicaciones con tensiones de CC más altas de lo que están acostumbrados a ver. En estas tensiones moderadamente más altas (48 a 1800 V), un relé eléctrico de contactor seleccionado adecuadamente puede significar la diferencia entre una falla catastrófica y un éxito. Un diseño adecuado del sistema reducirá el riesgo de que un relé entre en erupción, provoque un incendio o desactive una función crítica. Las consideraciones incluyen la tecnología de relés, las especificaciones clave y los problemas especiales de las aplicaciones de CC de alta tensión.
Levitación
La levitación es un fenómeno que la mayoría de los diseñadores de vehículos no han tenido que planificar porque es poco común en los sistemas de CA con las tensiones típicas de los vehículos. En vehículos eléctricos y sistemas de vehículos electrificados, la conmutación de niveles más altos de energía CC aumenta el riesgo de levitación en los relés de contactores. La levitación puede ocurrir durante una condición de sobrecorriente cuando el campo magnético creado por la corriente es tan fuerte que empuja el contacto en movimiento lejos del contacto estacionario, creando arcos y vibraciones. Estos pueden dañar el relé hasta el punto de provocar una falla catastrófica.
Este evento inseguro es consecuencia de una corriente que excede las especificaciones del relé. Los ingenieros deben conocer el nivel de corriente que podría causar levitación y asegurarse de que el circuito se abra antes de que la corriente llegue a ese punto. Especifique una protección del circuitos aguas arriba que funcione lo suficientemente rápido como para evitar la levitación en el relé.
En lugar de un fusible estándar, que es un dispositivo térmico que tarda tiempo en funcionar, un módulo de seguridad pirotécnico (PSM) ofrece alta velocidad y puede ser una mejor opción. Debido a su mayor costo, los PSM generalmente se limitan a proteger la desconexión de la batería principal.
Figura 1: Imagen de escenario de muestra para empresas/industrias
Protección de circuitos coordinada
La protección de circuitos que está adecuadamente coordinada con el relé ofrece un equilibrio entre disparos molestos y formación de arcos excesivos en los contactos. Sin embargo, un diferencial típico de 4 a 5 milisegundos podría no ser lo suficientemente rápido en algunas aplicaciones de alta tensión. Los ingenieros deben obtener los datos adecuados de sus proveedores de relés y fusibles y coordinar cuidadosamente la protección del circuito con el relé.
Además, deben realizar pruebas de la combinación de relé y fusible para verificar una protección sólida sin disparos molestos. Algunos proveedores de componentes como Littelfuse tienen las instalaciones y la experiencia para proporcionar modelos magnéticos y pruebas físicas a los clientes.
La forma más sencilla de garantizar la coordinación es obtener asesoramiento de un proveedor que fabrique tanto relés como dispositivos de protección de circuitos. Littelfuse puede recomendar emparejamientos probados basados en la experiencia con muchas implementaciones de clientes.
Contactores de alta tensión polarizados
Los relés de contactor polarizados tienen explosiones magnéticas optimizadas que maximizan la extinción del arco. Los imanes permanentes a los lados de la cámara de contacto crean campos magnéticos que doblan el arco. Al hacer que el arco recorra una distancia más larga, la resistencia aumenta y el arco se extingue más rápido.
La polarización mejora enormemente la capacidad de conexión/desconexión y el ciclo de vida. Los contactores polarizados tienen el doble de vida útil que los contactores no polarizados en aplicaciones de relés de alta tensión.
Los contactos polarizados están diseñados para funcionar con corriente que fluye desde la entrada positiva a una salida negativa. Si el relé se abre en un circuito con la corriente invertida, el ciclo de vida se reduce significativamente. Por lo tanto, un conductor no polarizado es apropiado en aplicaciones donde la corriente fluye frecuentemente en dirección inversa. Sin embargo, un contactor de CC polarizado suele ser la mejor opción para aplicaciones HV EV de más de 350 V debido a su mayor ciclo de vida.
Más información sobre este tema y otros puntos del diseño de contactores están disponibles en nuestra nota de aplicación: "Contactores para vehículos eléctricos de alta tensión".
Figura 1: Los contactores relés polarizados utilizan imanes para doblar el arco, lo que aumenta la resistencia porque el arco recorre una distancia más larga. Además, un par de contactores dividen la corriente del arco a la mitad.
Tipos de relés solenoides
Los relés de estilo solenoide están disponibles en una variedad de tipos y opciones de bobinas. El tipo óptimo depende de la aplicación dentro del vehículo y de las preocupaciones especiales de los sistemas de CC de alta tensión.
Los relés monoestables (también conocidos como relés normalmente abiertos) se encienden cuando la bobina está encendida y se apagan cuando la bobina está apagada. Tienen una posición (normalmente apagada) a la que regresan cuando se apaga la bobina. Este tipo de relé generalmente está diseñado para controlar una carga específica que se enciende y apaga según sea necesario en el vehículo.
Los relés biestables (o relés de retención) están diseñados para permanecer en la posición de encendido o apagado sin aplicar energía. El émbolo del relé se mantiene en posición mediante un pestillo mecánico o magnético.
Un ejemplo familiar de cierre mecánico es el mecanismo de un bolígrafo retráctil, donde el usuario empuja para sacar el bolígrafo de la carcasa y empuja nuevamente para retraer el bolígrafo. El punto permanece entre dos estados estables hasta que el usuario presiona el actuador.
En solenoides o relés estándar, se debe mantener una corriente de control para mantener el émbolo en la posición de encendido. En un relé biestable, la corriente de control solo se aplica cuando se cambia entre los dos estados de apagado y encendido. Debido a que no se utiliza corriente en los estados Encendido o Apagado, los relés biestables generan menos calor y consumen menos energía.
Un economizador es un circuito formado por dispositivos electrónicos en una placa de circuito impreso que se agrega a un relé de bobina simple. Controla el flujo de energía al solenoide de modo que una corriente grande supere la fuerza del resorte para mover el émbolo y una corriente pequeña mantenga el solenoide en posición. Esta estrategia reduce el consumo de energía.
Un relé de doble bobina logra el mismo resultado utilizando dos bobinas: una para vencer la fuerza del resorte y otra para sujetar. La bobina de retención utiliza menos energía.
Los economizadores y los relés de doble bobina están diseñados para relés que permanecerán en servicio continuo en lugar de en servicio intermitente. En servicio continuo, los relés sin economizador o diseño de doble bobina se calientan durante el funcionamiento normal porque se aplica toda la corriente de forma continua. Este calor es un signo de pérdida de energía.
Evite relés biestables (retención) en aplicaciones de alta tensión
Con un motor de combustión interna, la electricidad generada es casi "gratuita" porque es un subproducto de otro proceso. A la hora de diseñar un vehículo eléctrico o híbrido, la actitud es muy diferente. Gran parte de la ingeniería se ocupa de la eficiencia energética. Naturalmente, los ingenieros de diseño quieren seleccionar relés que minimicen el consumo de energía. Sin embargo, en aplicaciones de alta tensión, seleccionar un relé biestable (retención) es una estrategia arriesgada.
Cuando se corta la energía del relé, la conexión a tierra puede desconectarse antes de que se corte la energía, lo que hace que el pestillo permanezca cerrado. Esto puede causar una situación catastrófica porque la función controlada por el relé no se detiene o porque el relé quedará inesperadamente en la posición Encendido cuando se reinicie el vehículo.
Por el contrario, un relé monoestable se abre automáticamente cuando se corta la alimentación. En aplicaciones de CC de alta tensión, es arriesgado seleccionar cualquier otro estilo de relé.
Diagrama de ganancias y pérdidas
Los relés que tienen valores nominales de tensión más altos tienden a costar más y ser físicamente más grandes porque requieren una superficie de contactor más grande y una construcción más robusta. Los ingenieros pueden reducir el costo y el tamaño del relé especificando un relé con un valor nominal o continuo más bajo si el relé experimentará una tensión nominal superior solo en raras ocasiones. Este es el caso si el relé no se abre o cierra con una carga sobre él, o si el vehículo generalmente se apaga antes de que se abra el relé.
Por ejemplo, un ingeniero de diseño puede especificar con seguridad un relé nominal de 500 V u 800 V si verá 1000 V solo unas cuantas veces durante su funcionamiento en comparación con miles de operaciones a 500 V. En la aplicación, el relé podría generar o romper una conexión a 1000 V solo 50 veces durante toda su vida útil.
Si bien el valor nominal de tensión máximo del relé es el techo, los diseñadores pueden cambiar el valor nominal de la tensión por ciclos de trabajo. Para ayudar en esta decisión, los diseñadores pueden consultar el diagrama de ganancias y pérdidas del fabricante del relé. Este diagrama muestra el número de ciclos de ganancias y pérdidas que realizará un relé en cada tensión.
Figura 2: Ejemplo de diagrama de ganancias y pérdidas.
Por qué son importantes los valores nominales de tensión de los relés
Cuando se utiliza un relé a una tensión superior a la nominal, el principal problema son los arcos. Cuanto mayor sea la tensión, más arcos se producirán y más durará el arco.
Los arcos eléctricos son esencialmente tan calientes como la superficie del sol. El calor generado por el arco daña los contactos metálicos provocando picaduras. Después de un cierto número de ciclos, el metal estará tan picado que el relé puede fallar.
Además, el arco desarrolla un plasma que deja un depósito de vapor de metal en los lados de la cámara de contacto. Esto puede provocar un fenómeno llamado "seguimiento de arco" en el que se desarrolla un cortocircuito entre el contacto móvil y el contacto estacionario.
<>Operar un relé a tensiones superiores a su valor nominal o continuo aumenta el riesgo de falla por picaduras y seguimiento. El propósito de un diagrama de ganancias y pérdidas es ayudar al ingeniero de diseño a ver cuántas operaciones a tensiones más altas puede tolerar un relé específico y especificar el relé con el valor nominal más bajo para el número esperado de ciclos de vida útil en cada nivel de tensión esperado.
Acerca de Littelfuse
A Littelfuse le apasiona trabajar con los clientes para crear productos que protejan, controlen y perciban un mundo más seguro, ecológico y conectado.
A través de su unidad de negocios Commercial Vehicle Products (CVP), Littelfuse es experto en aplicaciones de vehículos eléctricos. Al ofrecer una gama cada vez mayor de contactores relés de CC de alta tensión junto con la cartera más amplia de componentes auxiliares, y al aplicar un conocimiento más profundo de las aplicaciones automotrices y de alta tensión, ayudan a los ingenieros ocupados a realizar diseños más confiables y llevarlos al mercado más rápido.
Los clientes pueden obtener múltiples componentes de un solo proveedor, recibir respuestas rápidamente y obtener subconjuntos fácilmente, como unidades de distribución de alimentación personalizadas. Obtenga ayuda para integrar fácil y rápidamente relés de conmutación, fusibles, sensores y PSM en un subconjunto personalizado.
Con explosiones de arco magnético, economizadores de bobina y opciones polarizadas y no polarizadas, los contactores de CC de alta tensión de Littelfuse son seguros, confiables y eficientes.
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