Asignaturas:
- Introducción
- Encendido del sistema HV
- Entrelazar
- kortsluitbeveiliging
- Vigilancia permanente del aislamiento
- Diagnóstico con el megaóhmetro
Introducción:
El sistema HV en vehículos con propulsión electrificada o totalmente eléctrica está equipado con múltiples protecciones. El sistema no se puede armar hasta que se hayan cumplido todos los requisitos de seguridad. En el momento en que se detecta un error, el sistema HV se apaga inmediatamente. Esto puede suceder en las siguientes situaciones:
- Se desmonta una parte del sistema HV y se enciende el sistema.
- Debido a una colisión o daños por agua, las piezas eléctricas o el cableado se cortocircuitan entre sí o con tierra.
- Las piezas han resultado dañadas debido a una sobrecarga.
La siguiente imagen muestra los componentes que pertenecen al sistema de seguridad. Parte de la batería HV (1) se puede ver en azul, con el enchufe de servicio naranja (2) a la izquierda. En el medio hay tres relés (3 a 5), que la ECU (6) activa uno por uno. Debajo de la batería HV se encuentra la ECU (7), que está conectada a los consumidores (8), como el motor eléctrico, la calefacción, la bomba de aire acondicionado, la dirección asistida y el sistema de carga.
Leyenda:
1. Batería de alto voltaje
2. Enchufe de servicio con fusible
3. Relé 1
4. Relé 2
5. Relé 3
6. ECU de la batería HV
7. ECU del sistema HV
8. Consumidores eléctricos
Encendido del sistema HV:
El conductor activa el sistema HV presionando el botón de inicio. En el momento en que aparece el mensaje “HV listo” en la pantalla, el sistema HV se activa. Antes de que el sistema HV esté activo, los relés en el Batería de alto voltaje controlado para conectar el paquete de baterías a los consumidores.
Cuando el sistema HV está encendido, la ECU (6 en la figura siguiente) controla los relés HV en el circuito positivo (relé 4) y el circuito de tierra (relé 5). En primer lugar se conecta el circuito de corriente en el lado positivo mediante una resistencia. En la imagen de abajo vemos que el relé (4) pasa la corriente a la resistencia R1. La resistencia limita la corriente que pasa a través de ella, limitando así la corriente de entrada. Esto permite que los condensadores del inversor se carguen lentamente. En este momento el sistema puede realizar una verificación de seguridad a un voltaje más bajo. Después de que el voltaje a través de los capacitores en el inversor sea aproximadamente igual al voltaje del paquete de baterías HV, el relé 3 se cierra y el relé 4 se abre, aplicando voltaje total al inversor y otros componentes eléctricos.
Entrelazar:
El sistema de enclavamiento es el sistema de seguridad que brinda protección contra el contacto eléctrico cuando hay conexiones abiertas. En cada componente conectado a la batería HV hay al menos un contacto que puede apagar el sistema HV cuando ocurre una interrupción. Estos contactos pueden integrarse en el cableado o incorporarse en la carcasa de un componente a modo de interruptor.
En la imagen de abajo a la izquierda vemos el sistema activo: los relés 3 y 5 están cerrados, lo que significa que el voltaje de la batería HV se transfiere a los consumidores. El circuito de enclavamiento aparece en color azul desde la ECU del vehículo (7). Se aplica voltaje a la resistencia R2 desde la ECU. El enclavamiento se conduce en serie a través de los consumidores eléctricos (8). El enclavamiento está conectado a tierra en el paquete de baterías. Hay una derivación entre la resistencia R2 en la ECU (7) y la salida a los consumidores donde se mide el voltaje en el enclavamiento.
- Enclavamiento OK: el voltaje después de la resistencia R2 es 0 voltios;
- Enclavamiento interrumpido: la tensión no se consume en la resistencia R2 y es (según la tensión de alimentación) de 5, 12 o 24 voltios.
La tensión tras la resistencia R2 se controla constantemente durante el encendido, pero también durante la marcha.
Desmontar el enchufe de servicio (2) o cualquiera de los componentes eléctricos (8) también rompe el circuito de enclavamiento. Esta situación se puede ver en la imagen de arriba a la derecha, donde el enchufe del servicio se ha movido. Tanto el fusible entre los módulos de batería como el circuito de bloqueo están abiertos. Debido a que el enclavamiento ya no está conectado a la tierra del vehículo, el voltaje después de la resistencia R2 aumenta al valor del voltaje de suministro. La ECU del vehículo (7) controla directamente la ECU de la batería (6), de modo que los relés 3, 4 y 5 ya no están activados. A continuación se desconecta el sistema HV.
En la imagen vemos el enchufe de servicio naranja con los contactos grandes en el medio para conectar los cables positivo y negativo de la batería HV, y a la izquierda un enchufe de conexión más pequeño con dos pines. Estos son los dos pines del enclavamiento. También encontramos estas conexiones en enchufes de componentes de AT.
Protección contra cortocircuitos:
El sistema AT debe estar protegido contra corrientes excesivas, que pueden ser causadas por un cortocircuito en el cableado o en los componentes eléctricos. Sin protección, esto puede provocar un arco eléctrico, derretir tuberías o incluso un incendio. Un fusible está diseñado para proteger el sistema contra estos peligros. El fusible puede estar ubicado en el enchufe de servicio, pero también en otra parte del paquete de baterías. Los vehículos también pueden estar equipados con múltiples fusibles, cada uno diseñado para proteger un circuito específico.
Además del hecho de que el fusible protege el sistema contra corrientes excesivas, el sensor de corriente en el cable positivo o negativo de la batería HV transmite la corriente a la ECU. La ECU toma la decisión de apagar los relés cuando hay una sobrecarga.
Vigilancia permanente del aislamiento:
Los lados positivo y negativo de la batería HV no entran en contacto entre sí ni con el medio ambiente. Hay varias capas de aislamiento alrededor del lado positivo (desde la batería + hasta el + del inversor) con una funda trenzada en el medio. Pero el lado negativo también está aislado y no entra en contacto con la carrocería ni con la carcasa de los componentes. La propia carrocería del vehículo, en cambio, está conectada al negativo de la batería de a bordo (12 voltios en turismos). Este no es el caso en la parte HV. Las causas de un mal funcionamiento pueden ser:
- Después de una colisión, es posible que se hayan producido daños en el cableado, provocando que el cobre de los cables positivo y negativo entre en contacto entre sí o toque la carrocería del vehículo;
- debido a una sobrecarga - y por lo tanto a un sobrecalentamiento - el aislamiento de un componente eléctrico ha fallado (se ha derretido), permitiendo el contacto con el medio ambiente;
- O hay líquido conductor porque el vehículo ha estado en el agua, se ha producido un cortocircuito entre el más y el menos debido a una fuga de refrigerante en el paquete de baterías del HV. La fuga de refrigerante en la bomba eléctrica del aire acondicionado también puede causar conducción.
En los componentes eléctricos, un mal aislamiento puede provocar una conexión entre los cables positivo o negativo de la batería HV y la carcasa. Dado que la carcasa suele estar montada en la carrocería del vehículo, en caso de un aislamiento deficiente podría generarse una corriente eléctrica si la protección es deficiente. Cuando el plus de la batería HV se conecta a la carrocería del vehículo a través de la carcasa debido a un fallo de aislamiento, se genera una alta tensión de cientos de voltios en la carrocería. Sin embargo, como no hay forma de conectarse al negativo de la batería HV, no sucederá nada porque no fluirá corriente. Las cosas sólo saldrán mal si hay múltiples fallos de aislamiento, en los que tanto el positivo como el negativo de la batería HV entran en contacto con la carrocería.
En las tres imágenes siguientes vemos el paquete de baterías HV (1) con los cables positivo y negativo, con la carrocería del vehículo en la parte inferior (2) y dos consumidores eléctricos (3 y 4) en el medio.
- Mal aislamiento del lado positivo del componente: si hay un mal aislamiento entre el plus y la carcasa de un consumidor (por ejemplo, un calentador eléctrico), la carcasa entrará en tensión. Debido a que no hay conexión con el negativo de la batería HV, no fluye corriente;
- mal aislamiento negativo: nuevamente habrá un (pequeño) voltaje en la carrocería, pero no fluirá corriente;
- Mal aislamiento tanto en el más como en el menos: en esta situación se produce un cortocircuito entre el más y el menos de la batería HV. La carrocería se convierte en la conexión entre lo positivo y lo negativo. La corriente aumentará rápidamente hasta que se funda el fusible del enchufe de servicio y/o la batería HV para proteger el sistema.
Debido a que en caso de un aislamiento deficiente en el más o menos aún no hay un circuito cerrado, el fusible en el enchufe de servicio no se funde. La monitorización permanente del aislamiento en los vehículos eléctricos detecta dicha transferencia de corriente y avisa al conductor con un mensaje de error. En caso de un fallo de aislamiento, el vehículo aún puede funcionar, a menos que el fabricante lo haya desactivado mediante software.
El número 5 en la siguiente figura indica el componente donde se realiza la monitorización permanente del aislamiento. En realidad, esta parte eléctrica es, por supuesto, más compleja.
El número 6 indica la resistencia de medición sobre la cual se mide la caída de voltaje en paralelo.
Las dos imágenes siguientes muestran las situaciones en las que hay un aislamiento deficiente en el positivo (izquierda) y en el negativo (derecha). Debido a que la corriente fluye a través de la resistencia de medición, se consume voltaje en el circuito de resistencia. La caída de voltaje a través de la resistencia de medición es una medida de la cantidad de corriente que fluye a través de las resistencias.
Tan pronto como la ECU detecta una anomalía con el control permanente del aislamiento, almacena un código de error. Las posibles descripciones de los códigos P (como P1AF0 y P1AF4) podrían ser: "pérdida de aislamiento del sistema de voltaje de la batería" o "mal funcionamiento del circuito de aislamiento de voltaje de la batería". Cuando un vehículo entra al taller con un fallo de aislamiento, el mecánico puede medir las resistencias de aislamiento después de utilizar el equipo de diagnóstico, o manualmente con un megaóhmetro, para comprobar si hay alguna fuga de aislamiento en alguna parte.
Diagnóstico con el Megóhmetro:
La sección anterior explicó el concepto de "resistencia de aislamiento" y mostró cómo el vehículo utiliza el monitoreo permanente de aislamiento para verificar si hay una fuga en las conexiones positivas o negativas de la batería HV a la carrocería del vehículo. En esta sección discutiremos esto con más detalle y describiremos cómo usted, como técnico, puede detectar la ubicación de la falla con un megaóhmetro. Naturalmente, como técnico debes estar certificado para trabajar en sistemas de alta tensión. El software de un comprobador de diagnóstico puede realizar por sí mismo una prueba de aislamiento para determinadas marcas, por ejemplo para componentes que sólo muestran un fallo de aislamiento después de su encendido, como la calefacción eléctrica o el aire acondicionado eléctrico.
En otros casos podemos medir la resistencia de aislamiento con un Megóhmetro. No es posible medir la resistencia de aislamiento con un multímetro normal, porque la resistencia interna del multímetro puede ser de hasta 10 millones de ohmios. La resistencia interna es demasiado alta para medir valores de resistencia altos. Para ello es adecuado un megóhmetro que genera una tensión de 50 a 1000 voltios para simular la situación de funcionamiento. Este alto voltaje garantiza que la corriente emitida llegue a través del núcleo de cobre hasta el aislamiento, incluso aunque se produzca el menor daño en el aislamiento. Para medir con el megóhmetro, ajuste el medidor al mismo voltaje que el de la batería HV, o un paso más. Después de conectar los cables de medida y configurar correctamente el medidor, hacemos clic en el botón naranja “prueba de aislamiento”. La tensión ajustada (en la imagen: 1000 voltios) se aplica a los cables de medición y, por tanto, al componente, y luego leemos el valor óhmico en la pantalla.
- Una resistencia de aislamiento superior a 550 MΩ (Megaohm, que significa 550 millones de ohmios) está bien. Este es el rango máximo de medición;
- Un valor inferior a 550 MΩ puede indicar una fuga en el aislamiento, pero no tiene por qué ser así;
- Según la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) y el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE), la resistencia de aislamiento de un vehículo eléctrico debe ser de al menos 500 Ω por voltio. A una tensión nominal de alta tensión de 400 voltios, la resistencia debe ser (500 Ω * 400 v) = 200.000 Ω.
- Los fabricantes suelen establecer estándares de calidad y seguridad más altos, lo que da como resultado resistencias mínimas de aislamiento más altas. Por este motivo, siempre se deben seguir las instrucciones de fábrica a la hora de realizar un diagnóstico.
Las instrucciones del fabricante siempre son las principales.
Las especificaciones de fábrica describen los peldaños, normas de seguridad y resistencias mínimas de aislamiento.
En la siguiente imagen vemos una captura de pantalla de un manual de Toyota. Se muestran las resistencias mínimas de aislamiento de los cables al motor eléctrico del modelo correspondiente.
El megaóhmetro debe configurarse en 500 voltios y la resistencia mínima del cableado (UV y W) al motor eléctrico en comparación con la carcasa debe ser de 100 MΩ (MegaOhm) o más.
Las resistencias de aislamiento de, por ejemplo, el compresor de aire acondicionado eléctrico y el elemento calefactor pueden ser diferentes. Al medir otros componentes, consulte esa parte de los datos de fábrica.
1. Medida de aislamiento en el lado negativo (sin fallo):
Con el enchufe desconectado medimos también el lado negativo respecto a la masa del vehículo. Las figuras 1 y 2 muestran cómo se ve esta medición de forma esquemática y en la realidad. La medición da como resultado una resistencia de aislamiento de >550 MΩ, lo que indica que el aislamiento está en buenas condiciones.
2. Medición de aislamiento en el lado positivo (sin fallo):
Después de desconectar el enchufe, por ejemplo del inversor, conectamos la sonda de medición roja al pin del enchufe desmontado (ahora en el lado positivo) y la sonda de medición negra a un punto de masa conectado a la carrocería del vehículo. La Figura 1 vuelve a mostrar el diagrama de la sección anterior, numerando la batería HV (1), la masa del vehículo (2) y dos de los consumidores (3 y 4). El megóhmetro está conectado y se ha presionado el botón naranja de “prueba de aislamiento” para medir la resistencia de aislamiento con el voltaje transmitido de 500 voltios. Esto equivale a 133 megaohmios. La resistencia de aislamiento es menor que en la medición anterior. Se deben consultar las instrucciones del fabricante. Nos adherimos a la resistencia de aislamiento mínima de 100 MΩ especificada por el fabricante. La resistencia del aislamiento está bien.
3. Medición del aislamiento en el lado positivo (fallo):
Mientras medimos en las mismas conexiones medimos una resistencia de aislamiento de 65 MΩ. Aunque el valor de resistencia es superior al mínimo de 500 ohmios por voltio establecido por IEC y IEEE (ver párrafo anterior), el cableado y/o componente se rechaza porque el fabricante ha especificado el valor mínimo de resistencia de 100 MΩ. El cableado y/o las conexiones enchufables no se pueden reparar, sino que se deben sustituir por completo.
4. Medición del aislamiento en el lado positivo (fallo):
Cuando se mide un valor de aislamiento de 0 MΩ, hay una conexión directa (es decir, un cortocircuito) entre el cable de alta tensión y la carcasa. El cableado y/o las conexiones enchufables no se pueden reparar, sino que se deben sustituir por completo.
En caso de fallo de aislamiento, se pueden desconectar los enchufes de otros consumidores uno a uno para medir en el enchufe, como se muestra en el texto y las imágenes superiores.
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