Seleccionando alto

Por Rachael Pasini | 22 de junio de 2023

Por Geoff Schwartz | Gerente de Desarrollo Comercial • Littelfuse

El éxito en el mercado mundial de vehículos eléctricos depende de la velocidad de comercialización. Sin embargo, también es fundamental priorizar la calidad y la funcionalidad, que permiten un diseño de alto rendimiento que consiga la satisfacción del cliente. Comprender cómo elegir relés de CC de alto voltaje puede ayudar a mantener seguros y eficientes los diseños de vehículos todo terreno.

Las aplicaciones de vehículos eléctricos fuera de carretera requieren conocimientos sobre relés de CC de alto voltaje para evitar riesgos de seguridad y daños al equipo. Imagen cortesía de Littelfuse.

Al electrificar los diseños de vehículos, los ingenieros pueden encontrar aplicaciones con voltajes de CC más altos de lo que están acostumbrados a ver. En voltajes más altos (48 a 1800 V), un contactor seleccionado correctamente 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 y desactive una función crítica.

Los ingenieros deben comprender la tecnología de relés, las especificaciones clave y los problemas especiales de las aplicaciones de CC de alto voltaje. Al seleccionar relés de alto voltaje para aplicaciones de vehículos eléctricos, los ingenieros deben considerar la levitación, la protección coordinada del circuito, los gráficos de conexión/desconexión, la polarización y evitar relés biestables.

Hasta hace poco, la mayoría de los diseñadores de vehículos no habían tenido que planificar el fenómeno de la levitación porque es poco común en los sistemas de CA y en los voltajes típicos de los vehículos. Sin embargo, en los vehículos eléctricos y los sistemas de vehículos electrificados, la necesidad de conmutar niveles más altos de energía CC aumenta el riesgo de levitación en los 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 necesitan conocer el nivel de corriente que puede causar levitación y asegurarse de que el circuito se abra antes de que la corriente llegue a ese punto. Los ingenieros también deben especificar una protección del circuito 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 al mayor costo, los PSM generalmente se limitan a proteger la desconexión de la batería principal.

La protección de circuito coordinada con un relé ofrece un equilibrio entre disparos molestos del relé y formación de arco excesivo en los contactos. En algunas aplicaciones de alto voltaje, un diferencial típico de 4 a 5 ms podría no ser lo suficientemente rápido. Los ingenieros deben obtener datos relevantes de sus proveedores para coordinar la protección del circuito con el relé.

Además, se debe probar la combinación de relé y fusible para verificar una protección sólida sin disparos molestos.

Cuanto mayor sea el voltaje, más se producirá la formación de arcos y más durará el arco. Por lo tanto, los relés con tensiones nominales más altas requieren una superficie de contactor más grande y una construcción más robusta, lo que significa que tienden a costar más y ser físicamente más grandes. Los ingenieros pueden reducir el costo y el tamaño especificando un relé con una clasificación nominal o continua más baja si el relé experimentará un voltaje superior a la clasificación sólo 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 puede especificar con seguridad un relé nominal de 500 V u 800 V si verá 1000 V sólo unas pocas veces durante su operación en comparación con miles de operaciones a 500 V. En la aplicación, el relé podría establecer o interrumpir una conexión en 1000 V sólo 50 veces durante su vida útil operativa.

Si bien la clasificación de voltaje máxima es el techo, los diseñadores pueden intercambiar clasificaciones de voltaje por ciclos de trabajo. Para ayudar a tomar esta decisión, los diseñadores pueden consultar la tabla de conexión/desconexión del fabricante, que muestra el número de ciclos de conexión/desconexión que realizará un relé en cada combinación de voltaje y corriente.

Los ingenieros de diseño pueden utilizar una tabla de conexión/desconexión para estimar los ciclos de un relé para combinaciones de voltaje-corriente dadas. Imagen cortesía de Littelfuse.

Los relés 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 significativamente la capacidad de cierre/desconexión y el ciclo de vida, dando a los contactores polarizados el doble de vida útil que los contactores no polarizados en aplicaciones de alto voltaje.

Debido a que están diseñados para funcionar con corriente que fluye desde la entrada positiva a una salida negativa, si el relé polarizado se abre en un circuito con la corriente invertida, el ciclo de vida se reduce significativamente. Por lo tanto, un contactor 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 de vehículos eléctricos de más de 350 V.

Los relés polarizados utilizan imanes para doblar el arco, lo que aumenta la resistencia porque el arco recorre una distancia más larga. Un par de contactores dividen la corriente del arco por la mitad. Imagen cortesía de Littelfuse.

Al diseñar un vehículo eléctrico, gran parte de la ingeniería se ocupa de la eficiencia energética. En consecuencia, los ingenieros de diseño quieren seleccionar relés que minimicen el consumo de energía. Sin embargo, seleccionar un relé biestable (también conocido como de enclavamiento) en aplicaciones de alto voltaje agrega riesgos adicionales.

Cuando un relé de enclavamiento pierde energía de la bobina o tierra cuando está cerrado, puede permanecer bloqueado en la posición cerrada. Esto puede causar una situación peligrosa en la que la función controlada por el relé no se detiene y todavía hay voltaje potencialmente mortal en el circuito incluso cuando el control ha desconectado la alimentación del relé.

Por el contrario, un relé monoestable se abre automáticamente cuando se corta la alimentación. Cualquier otro estilo de relé en la mayoría de las aplicaciones de CC de alto voltaje supone un mayor riesgo para la seguridad. Las bobinas electrónicas, como las bobinas duales y las bobinas moduladas por ancho de pulso, reducen el consumo de energía de las bobinas monoestables más seguras.

Los diseñadores pueden crear soluciones rápidas que aceleren de forma segura el tiempo de comercialización y simplifiquen el abastecimiento de múltiples componentes. Un conocimiento profundo de las aplicaciones automotrices y de alto voltaje puede ayudar a los ingenieros a realizar diseños más seguros y llegar al mercado más rápido.

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