I vantaggi immediati dei veicoli elettrici, efficienza, sostenibilità, silenziosità, comodità e così via, sono ben compresi e diventeranno più evidenti man mano che la tecnologia sottostante maturerà. Tuttavia, come per ogni prodotto innovativo, c'è sempre un margine di miglioramento. Consideriamo, ad esempio, i relè nei circuiti di alimentazione. Se non scelti e integrati con cura nella progettazione, possono essere a rischio guasto (o comportare rischi peggiori). Questo articolo di Littelfuse esplora i relè contattori CC nelle applicazioni per veicoli elettrici (EV) soffermandosi tra l'altro sul contesto, le pratiche di progettazione attuali, le capacità di protezione e altri aspetti.
La velocità di immissione sul mercato è fondamentale perché un'azienda possa essere competitiva nel mercato globale dei veicoli elettrici. Tuttavia, non si possono trascurare qualità e la funzionalità per la fretta di accedere al mercato. Una conoscenza approfondita delle cose da fare e di quelle da evitare nel campo dei relè CC ad alta tensione può essere utile per scongiurare i problemi che è possibile prevenire e consentire una progettazione orientata alle prestazioni elevate che soddisfi il cliente. È bene tenere conto di questi fattori chiave quando si sceglie un relè.
Introduzione
Nella corsa all'elettrificazione dei veicoli, gli ingegneri potrebbero imbattersi in applicazioni che richiedono tensioni CC più elevate di quelle abituali. A queste tensioni moderatamente più elevate (da 48 a 1.800 V), un relè contattore elettrico accuratamente selezionato può fare la differenza tra un guasto grave e la riuscita di un progetto. Una corretta progettazione del sistema riduce il rischio che un relè scoppi, provochi un incendio o inibisca una funzionalità essenziale. Gli aspetti da considerare includono la tecnologia del relè, le specifiche principali e i problemi specifici delle applicazioni CC ad alta tensione.
Levitazione
La levitazione è un fenomeno che la maggior parte dei progettisti di veicoli non ha dovuto mettere in conto perché è raro nei sistemi CA alle tensioni tipiche dei veicoli. Nei veicoli elettrici e nei sistemi dei veicoli elettrificati, il passaggio a livelli più elevati di alimentazione CC aumenta il rischio di levitazione nei relè contattori. La levitazione può verificarsi in condizioni di sovracorrente quando il campo magnetico creato dalla corrente è così forte da allontanare il contatto mobile dal contatto fisso, generando archi e oscillazioni. Questi ultimi potrebbero danneggiare il relè al punto da provocare un guasto grave.
Questo evento pericoloso è dovuto al fatto che la corrente supera le specifiche del relè. Gli ingegneri dovrebbero sapere qual è il livello di corrente che può causare la levitazione e assicurarsi che il circuito si apra prima che la corrente raggiunga quel punto. È necessario definire una protezione del circuito a monte che si attivi abbastanza velocemente da impedire la levitazione nel relè.
Al posto di un fusibile standard, un dispositivo termico che impiega un certo tempo per entrare in funzione, un modulo di sicurezza pirolisi (PSM, Pyro Safety Module) è ad alta velocità e può essere un'opzione migliore. A causa del loro costo più elevato, in genere i moduli PSM si limitano a garantire la disconnessione della batteria principale.
Figura 1: immagine di un contesto aziendale/industriale di esempio
Protezione del circuito coordinata
Una protezione del circuito opportunamente coordinata con il relè assicura un giusto equilibrio tra attivazioni intempestive e un numero eccessivo di archi da contatto. Tuttavia, un tipico differenziale da 4-5 millisecondi potrebbe non essere sufficientemente veloce in alcune applicazioni ad alta tensione. Gli ingegneri dovrebbero ottenere i dati corretti dai fornitori dei relè e dei fusibili e coordinare attentamente la protezione del circuito con il relè.
Inoltre, dovrebbero condurre test sulla combinazione relè-fusibile per verificare una forte protezione senza attivazioni intempestive. Alcuni fornitori di componenti come Littelfuse dispongono delle strutture e delle competenze necessarie per fornire servizi di modellazione magnetica e test fisici ai clienti.
Il modo più semplice per garantire il coordinamento è ottenere consulenza da un fornitore che produce sia relè che dispositivi di protezione dei circuiti. Littelfuse può consigliare combinazioni collaudate basandosi sull'esperienza maturata dopo numerose implementazioni dei clienti.
Contattori ad alta tensione polarizzati
I relè contattori polarizzati generano esplosioni magnetiche ottimizzate che massimizzano l'estinzione dell'arco. I magneti permanenti sui lati della camera di contatto creano campi magnetici che curvano l'arco. Poiché l'arco percorre una distanza maggiore, la resistenza aumenta e l'arco si spegne più velocemente.
La polarizzazione migliora notevolmente la capacità di apertura/chiusura e la durata del ciclo. Il ciclo dei contattori polarizzati ha una durata doppia rispetto ai contattori non polarizzati nelle applicazioni con relè ad alta tensione.
I contatti polarizzati sono progettati per funzionare con la corrente che scorre dall'ingresso positivo a un'uscita negativa. Se il relè si apre su un circuito con corrente inversa, la durata del ciclo è notevolmente ridotta. Pertanto, un conduttore non polarizzato è indicato nelle applicazioni in cui la corrente scorre frequentemente in direzione inversa. Tuttavia, in genere i contattori CC polarizzati sono un'opzione consigliata nelle applicazioni EV ad alta tensione (superiore a 350 V) per la durata maggiore del ciclo.
Ulteriori informazioni su questo argomento e su altre questioni di progettazione dei contattori sono disponibili nelle nostre note sulle applicazioni: "Contattori per veicoli elettrici ad alta tensione".
Figura 1: i contattori relè polarizzati curvano l'arco grazie ad alcuni magneti, aumentando la resistenza dato che l'arco percorre una distanza maggiore. Inoltre, una coppia di contattori divide a metà la corrente dell'arco.
Tipi di relè solenoidi
I relè di tipo solenoide sono disponibili con vari tipi di bobina e altre opzioni. Il tipo ottimale dipende dall'applicazione all'interno del veicolo e dai problemi specifici dei sistemi CC ad alta tensione.
I relè monostabili (detti anche "relè normalmente aperti") si accendono quando la bobina è accesa e si spengono quando la bobina è spenta. Hanno una posizione (solitamente Off) alla quale ritornano quando la bobina viene spenta. In genere questo tipo di relè è progettato per controllare un carico specifico che viene acceso e spento in base al fabbisogno del veicolo.
I relè bistabili (o a scatto) sono progettati per rimanere in posizione On o Off anche in assenza di alimentazione. Lo stantuffo nel relè è mantenuto in posizione da un dispositivo di chiusura meccanico o magnetico.
Un esempio noto di chiusura meccanica è il meccanismo delle penne con punta a sfera retrattile, che consente di spingere per estrarre la punta a sfera dall'alloggiamento e di ritrarre la punta spingendo nuovamente. La punta rimane in uno dei due stati stabili finché l'utente non preme l'attuatore.
Nei solenoidi o relè standard, è necessario che ci sia sempre una corrente di controllo affinché lo stantuffo rimanga in posizione On. In un relè bistabile, la corrente di controllo viene applicata solo quando si passa a uno dei due stati Off e On. Poiché negli stati On o Off non si utilizza corrente, i relè bistabili generano meno calore e consumano meno energia.
Un economizzatore è un circuito costituito da dispositivi elettronici su un circuito stampato aggiunto a un relè a bobina singola. Controlla il flusso di alimentazione verso il solenoide in modo che una corrente elevata superi la forza della molla per spostare lo stantuffo e una corrente ridotta mantenga il solenoide in posizione. Questa strategia consente di ridurre il consumo di corrente.
Un relè a doppia bobina raggiunge lo stesso risultato tramite due bobine: una per vincere la forza della molla e l'altra per mantenere la posizione. La bobina per mantenere la posizione consuma meno corrente.
Gli economizzatori e i relè a doppia bobina sono progettati per i relè destinati ad rimanere in esercizio sempre e non a intermittenza. Nel servizio continuo, i relè senza economizzatore o con doppia bobina si surriscaldano durante il normale funzionamento perché viene applicata continuamente l'intera quantità di corrente. Questo calore è un segno di dispersione di energia.
Evitare i relè bistabili (a scatto) nelle applicazioni ad alta tensione
Con un motore a combustione interna, l'elettricità generata è quasi "gratuita" perché è il sottoprodotto di un altro processo. Nel progettare un veicolo elettrico o ibrido ci si pone in modo molto diverso. L'ingegneria si occupa in buona parte di efficienza energetica. Naturalmente, gli ingegneri di progetto vogliono selezionare relè che riducano al minimo il consumo di corrente. Tuttavia, nelle applicazioni ad alta tensione, la scelta di un relè bistabile (a scatto) è una strategia rischiosa.
Quando si interrompe l'alimentazione del relè, la terra potrebbe staccarsi prima che l'alimentazione venga rimossa, facendo sì che il dispositivo di chiusura rimanga chiuso. Ciò può causare un problema grave perché la funzione controllata dal relè non si interrompe o perché il relè rimane inaspettatamente in posizione On quando il veicolo viene riavviato.
Al contrario, un relè monostabile si apre automaticamente quando l'alimentazione viene interrotta. Nelle applicazioni CC ad alta tensione è rischioso selezionare qualsiasi altro tipo di relè.
Grafico di apertura/chiusura
Generalmente, i relè con tensioni nominali più alte costano di più e sono fisicamente più grandi perché richiedono una superficie del contattore più ampia e una struttura più robusta. Gli ingegneri possono ridurre il costo e le dimensioni del relè definendo come specifica una potenza nominale o continua inferiore se si prevede che il relè dovrà tollerare una tensione superiore a quella nominale solo raramente. Ciò avviene se il relè non si apre o non si chiude quando a esso è applicato un carico oppure se, abitualmente, il veicolo viene spento prima dell'apertura del relè.
Un ingegnere di progetto, ad esempio, può definire in tutta sicurezza un relè da 500 V o 800 V nominali se si prevede che operazioni a 1.000 V si verificheranno solo poche volte nel corso del funzionamento del relè, se confrontate con migliaia di operazioni a 500 V. Nell'applicazione, il relè potrebbe aprire o chiudere una connessione a 1.000 V solo 50 volte in tutta la propria vita utile.
Sebbene il rating di tensione massima del relè sia il limite massimo, i progettisti possono bilanciare la tensione nominale in base ai cicli di lavoro. Per facilitare questa decisione, i progettisti possono consultare la tabella di apertura/chiusura del produttore del relè. Questo grafico mostra il numero di cicli di apertura/chiusura che un relè eseguirà a ciascuna tensione.
Figura 2: esempio di grafico di apertura/chiusura.
Perché i valori di tensione nominale dei relè sono importanti
Quando si utilizza un relè a una tensione superiore a quella nominale, il problema principale è la formazione di archi. Maggiore è la tensione, maggiore sarà il numero di archi che si verificheranno e più a lungo durerà l'arco.
In sostanza, possiamo paragonare il calore degli archi elettrici a quello della superficie del Sole. Il calore generato dall'arco danneggia i contatti metallici provocando la formazione di cavità. Dopo un certo numero di cicli, il metallo presenterà un numero così elevato di forellini che il relè potrebbe guastarsi.
Inoltre, l'arco sviluppa un plasma che lascia un deposito di vapore metallico sui lati della camera di contatto. Questo può provocare un fenomeno detto "inseguimento dell'arco", in cui si sviluppa un cortocircuito dal contatto mobile al contatto fisso.
Il funzionamento di un relè a tensioni superiori alla propria potenza nominale o continua aumenta il rischio di guasti dovuti alla formazione di cavità e al trascinamento dell'arco elettrico. Lo scopo di un grafico di apertura/chiusura è aiutare l'ingegnere di progetto a capire quante operazioni a tensioni più elevate possono essere tollerate da un relè specifico e a indicare il relè con valore nominale più basso per il numero previsto di cicli di vita a ciascun livello di tensione previsto.
Informazioni su Littelfuse
Littelfuse collabora con passione con i clienti per creare prodotti che proteggano, controllino e favoriscano un mondo più sicuro, più verde e più connesso.
Attraverso la business unit Commercial Vehicle Products (CVP), Littelfuse è esperta nelle applicazioni per veicoli elettrici. Con una gamma crescente di relè contattori CC ad alta tensione, il più vasto portafoglio di componenti ausiliari e una conoscenza più approfondita delle applicazioni ad alta tensione e automobilistiche, aiuta gli ingegneri indaffarati a realizzare progetti più robusti e a immetterli sul mercato più rapidamente.
I clienti possono acquistare più componenti da un unico fornitore, ricevere risposte rapide e ottenere facilmente sottomoduli come unità di distribuzione dell'alimentazione personalizzate. Ricevi assistenza per integrare facilmente e rapidamente relè di commutazione, fusibili, sensori e PSM in un sottomodulo personalizzato.
Grazie alle esplosioni magnetiche che massimizzano l'estinzione dell'arco, agli economizzatori a bobina e alle opzioni di componenti polarizzati/non polarizzati, i contattori CC ad alta tensione Littelfuse sono sicuri, robusti ed efficienti.
Guida alla selezione dei contattori CC Littelfuse