Soggetti:
- Introduzione
- Accensione dell'impianto AT
- interblocco
- Protezione da cortocircuito
- Monitoraggio permanente dell'isolamento
- Diagnosi con il megaohmmetro
Introduzione:
Il sistema HV nei veicoli a trazione elettrificata o completamente elettrica è dotato di molteplici protezioni. Il sistema non può essere inserito finché non sono stati soddisfatti tutti i requisiti di sicurezza. Nel momento in cui viene rilevato un errore, il sistema HV si spegne immediatamente. Ciò può verificarsi nelle seguenti situazioni:
- Una parte del sistema HV viene smontata e il sistema viene acceso.
- A causa di una collisione o di danni causati dall'acqua, le parti elettriche o il cablaggio vanno in cortocircuito tra loro o con la terra.
- Le parti sono state danneggiate a causa del sovraccarico.
L'immagine seguente mostra i componenti che appartengono al sistema di sicurezza. Parte della batteria HV (1) è visibile in blu, con la spina di servizio arancione (2) a sinistra. Al centro si trovano tre relè (da 3 a 5), che vengono attivati uno dopo l'altro dalla ECU (6). Sotto la batteria HV si trova la ECU (7), che è collegata alle utenze (8), come il motore elettrico, il riscaldamento, la pompa dell'aria condizionata, il servosterzo e il sistema di ricarica.
Legenda:
1. Batteria ad alta tensione
2. Spina di servizio con fusibile
3. Relè 1
4. Relè 2
5. Relè 3
6. ECU della batteria HV
7. ECU del sistema HV
8. Consumatori elettrici
Accensione dell'impianto AT:
Il conducente attiva il sistema HV premendo il pulsante di avvio. Nel momento in cui sul display appare la scritta “HV pronto”, il sistema HV è attivato. Prima che il sistema HV sia attivo, i relè in Pacco batterie HV controllato per collegare il pacco batteria ai consumatori.
Quando il sistema HV è acceso, l'ECU (6 nella figura sotto) controlla i relè HV nel circuito positivo (relè 4) e nel circuito di terra (relè 5). Innanzitutto il circuito di corrente sul lato positivo viene attivato tramite una resistenza. Nell'immagine sotto vediamo che il relè (4) trasmette la corrente al resistore R1. Il resistore limita la corrente che lo attraversa, limitando così la corrente di spunto. Ciò consente di caricare lentamente i condensatori dell'inverter. In questo momento il sistema può eseguire un controllo di sicurezza a una tensione inferiore. Quando la tensione sui condensatori dell'inverter è approssimativamente uguale alla tensione del pacco batterie HV, il relè 3 si chiude e il relè 4 si apre, applicando la piena tensione all'inverter e agli altri componenti elettrici.
Interblocco:
Il sistema di interblocco è il sistema di sicurezza che fornisce protezione contro i contatti elettrici quando sono presenti connessioni aperte. In ogni componente collegato alla batteria HV è presente almeno un contatto in grado di spegnere il sistema HV in caso di interruzione. Questi contatti possono essere integrati nel cablaggio o incorporati nell'alloggiamento di un componente come interruttore.
Nell'immagine in basso a sinistra vediamo il sistema attivo: i relè 3 e 5 sono chiusi, il che significa che la tensione della batteria HV viene trasferita alle utenze. Il circuito di interblocco è colorato di blu dalla ECU del veicolo (7). Una tensione viene applicata al resistore R2 dalla ECU. L'interblocco viene posato in serie attraverso le utenze elettriche (8). L'interblocco è collegato a terra nel pacco batteria. Tra la resistenza R2 nell'ECU (7) e l'uscita verso le utenze c'è un ramo dove viene misurata la tensione sull'interblocco.
- Interblocco OK: la tensione dopo il resistore R2 è 0 volt;
- Interblocco interrotto: la tensione non viene consumata nella resistenza R2 ed è (a seconda della tensione di alimentazione) 5, 12 o 24 volt.
La tensione dopo la resistenza R2 viene costantemente monitorata durante l'accensione, ma anche durante la guida.
Anche lo smontaggio della spina di servizio (2) o di uno qualsiasi dei componenti elettrici (8) interrompe il circuito di interblocco. Questa situazione può essere vista nell'immagine in alto a destra, dove la presa di servizio è stata spostata. Sia il fusibile tra i moduli batteria che il circuito di interblocco sono aperti. Poiché l'interblocco non è più collegato alla massa del veicolo, la tensione a valle della resistenza R2 sale al valore della tensione di alimentazione. La ECU del veicolo (7) controlla direttamente la ECU della batteria (6), in modo che i relè 3, 4 e 5 non siano più attivati. Successivamente il sistema HV viene spento.
Nell'immagine vediamo la spina di servizio arancione con al centro i contatti grandi per collegare i cavi positivo e negativo della batteria HV, e a sinistra una spina di collegamento più piccola con due pin. Questi sono i due pin dell'interblocco. Troviamo queste connessioni anche sulle spine dei componenti HV.
Protezione da cortocircuito:
Il sistema AT deve essere protetto contro correnti eccessive, che possono essere causate da un cortocircuito nel cablaggio o nei componenti elettrici. Senza protezione ciò può provocare un arco elettrico, la fusione dei tubi o addirittura un incendio. Un fusibile è progettato per proteggere il sistema da questi pericoli. Il fusibile può trovarsi nella presa di servizio, ma anche altrove nel pacco batteria. I veicoli possono anche essere dotati di più fusibili, ciascuno progettato per proteggere un circuito specifico.
Oltre al fatto che il fusibile protegge il sistema da correnti eccessive, il sensore di corrente nel cavo positivo o negativo della batteria HV trasmette la corrente alla ECU. L'ECU prende la decisione di spegnere i relè in caso di sovraccarico.
Monitoraggio permanente dell'isolamento:
I lati positivo e negativo della batteria HV non entrano in contatto tra loro e nemmeno con l'ambiente. Intorno al lato positivo (dal + della batteria al + dell'inverter) sono presenti diversi strati di isolamento con in mezzo una guaina intrecciata. Ma anche il lato negativo è isolato e non entra in contatto con la carrozzeria o con l'alloggiamento dei componenti. La carrozzeria stessa del veicolo è invece collegata al negativo della batteria di bordo (12 Volt nelle autovetture). Questo non è il caso della parte HV. Le cause di un malfunzionamento possono essere:
- Dopo un urto, è possibile che si siano verificati danni al cablaggio, causando il contatto tra il rame dei cavi positivo e negativo o il contatto con la carrozzeria del veicolo;
- a causa di un sovraccarico - e quindi di un surriscaldamento - l'isolamento di un componente elettrico ha ceduto (fuso), consentendo il contatto con l'ambiente;
- Oppure è presente del liquido conduttivo perché il veicolo è stato in acqua, si è verificato un cortocircuito tra il polo positivo e quello negativo a causa della perdita di liquido refrigerante nel pacco batterie HV. Anche una perdita di refrigerante nella pompa elettrica del climatizzatore può causare conduzione.
Nei componenti elettrici, un isolamento inadeguato può causare un collegamento tra i cavi positivo o negativo della batteria HV e l'alloggiamento. Dato che l'alloggiamento è solitamente montato sulla carrozzeria del veicolo, in caso di cattivo isolamento potrebbe formarsi una corrente se la protezione è scarsa. Quando il polo positivo della batteria HV viene collegato alla carrozzeria del veicolo tramite l'alloggiamento a causa di un guasto all'isolamento, sulla carrozzeria è presente un'alta tensione di centinaia di volt. Tuttavia, poiché non è possibile collegarsi al polo negativo della batteria HV, non accadrà nulla perché non scorrerà corrente. Le cose andranno male solo se si verificano più guasti all'isolamento, in cui sia il polo positivo che quello negativo della batteria HV entrano in contatto con la carrozzeria.
Nelle tre immagini sottostanti vediamo il pacco batterie HV (1) con i cavi positivo e negativo, con la carrozzeria del veicolo in basso (2) e due utenze elettriche (3 e 4) in mezzo.
- cattivo isolamento del lato positivo del componente: se l'isolamento tra il positivo e l'involucro di un utilizzatore (ad esempio un riscaldatore elettrico) è scarso, l'involucro sarà sotto tensione. Poiché non c'è collegamento con il negativo della batteria HV, non scorre corrente;
- scarso isolamento meno: anche in questo caso ci sarà una (piccola) tensione sulla carrozzeria, ma non passerà corrente;
- scarso isolamento sia nel positivo che nel negativo: in questa situazione si verifica un cortocircuito tra il positivo e il negativo della batteria HV. La carrozzeria diventa la connessione tra positivo e negativo. La corrente aumenterà rapidamente finché il fusibile nella presa di servizio e/o nella batteria HV non si brucia per proteggere il sistema.
Poiché con uno scarso isolamento nel positivo o nel negativo non esiste ancora un circuito chiuso, il fusibile nella spina di servizio non si scioglie. Il monitoraggio permanente dell'isolamento nei veicoli elettrici rileva tale trasferimento di corrente, avvisando il conducente con un messaggio di errore. In caso di guasto all'isolamento il veicolo può continuare a funzionare, a meno che il produttore non lo abbia disabilitato tramite software.
Il numero 5 nella figura seguente indica il componente in cui avviene il monitoraggio permanente dell'isolamento. In realtà, questa parte elettrica è ovviamente più complessa.
Il numero 6 indica il resistore di misura su cui viene misurata in parallelo la caduta di tensione.
Le due immagini sottostanti mostrano le situazioni in cui vi è uno scarso isolamento nel più (a sinistra) e nel meno (a destra). Poiché la corrente scorre attraverso la resistenza di misura, la tensione viene consumata nel circuito della resistenza. La caduta di tensione attraverso il resistore di misurazione è una misura della quantità di corrente che scorre attraverso i resistori.
Non appena l'ECU rileva un'anomalia con il monitoraggio permanente dell'isolamento, memorizza un codice di errore. Possibili descrizioni dei codici P (come P1AF0 e P1AF4) potrebbero essere: "isolamento del sistema di tensione della batteria perso" o "malfunzionamento del circuito di isolamento della tensione della batteria". Quando un veicolo entra in officina con un guasto all'isolamento, il meccanico può misurare le resistenze di isolamento dopo aver utilizzato l'attrezzatura diagnostica, o manualmente con un megaohmmetro, per verificare se c'è una perdita di isolamento da qualche parte.
Diagnosi con il Megaohmmetro:
Nella sezione precedente è stato spiegato il concetto di "resistenza di isolamento" e mostrato come il veicolo utilizza il monitoraggio permanente dell'isolamento per verificare se c'è una perdita dai collegamenti positivo o negativo dalla batteria HV alla carrozzeria del veicolo. In questa sezione ne discuteremo in modo più dettagliato e descriveremo come tu, come tecnico, puoi rilevare la posizione del guasto con un megaohmmetro. Naturalmente, come tecnico devi essere certificato per lavorare su sistemi ad alta tensione. Il software di un tester diagnostico può eseguire autonomamente un test di isolamento per determinate marche, ad esempio per componenti che mostrano un difetto di isolamento solo dopo l'accensione, come il riscaldamento elettrico o il climatizzatore elettrico.
In altri casi possiamo misurare la resistenza di isolamento con un Megaohmmetro. Non è possibile misurare la resistenza di isolamento con un normale multimetro, poiché la resistenza interna del multimetro può arrivare fino a 10 milioni di ohm. La resistenza interna è troppo elevata per misurare valori di resistenza elevati. A questo scopo è adatto un megaohmmetro che emette una tensione da 50 a 1000 volt per simulare la situazione operativa. Questa alta tensione garantisce che la corrente emessa raggiunga l'isolamento attraverso il nucleo di rame, anche in caso di danni minimi all'isolamento. Per misurare con il megaohmmetro, impostare lo strumento sulla stessa tensione della batteria HV o su un livello superiore. Dopo aver collegato i cavi di misura e aver impostato correttamente lo strumento, clicchiamo sul pulsante arancione “test di isolamento”. Ai cavi di misura e quindi al componente viene applicata la tensione impostata (nell'immagine: 1000 volt), quindi si legge il valore ohmico sul display.
- Una resistenza di isolamento superiore a 550 MΩ (Megaohm, che significa 550 milioni di ohm) va bene. Questo è il campo di misura massimo;
- Un valore inferiore a 550 MΩ può indicare una perdita nell'isolamento, ma non deve necessariamente essere così;
- Secondo la Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC) e l'Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), la resistenza di isolamento di un veicolo elettrico deve essere almeno di 500 Ω per volt. Con una tensione HV nominale di 400 volt, la resistenza dovrebbe essere (500 Ω * 400 v) = 200.000 Ω.
- I produttori spesso stabiliscono standard di qualità e sicurezza più elevati, con conseguenti resistenze di isolamento minime più elevate. Per questo motivo è necessario attenersi sempre alle istruzioni di fabbrica durante la diagnosi.
Le istruzioni del produttore sono sempre importanti.
Le specifiche di fabbrica descrivono i passaggi, le norme di sicurezza e le resistenze minime di isolamento.
Nell'immagine successiva vediamo uno screenshot di un manuale Toyota. Sono riportate le resistenze minime di isolamento dei cavi verso il motore elettrico del relativo modello.
Il megaohmetro deve essere impostato su 500 volt e la resistenza minima del cablaggio (UV e W) al motore elettrico rispetto all'alloggiamento deve essere di 100 MΩ (MegaOhm) o più.
Le resistenze di isolamento, ad esempio, del compressore elettrico del climatizzatore e dell'elemento riscaldante possono essere diverse. Quando si misurano altri componenti, fare riferimento a quella parte dei dati di fabbrica.
1. Misura dell'isolamento sul lato negativo (nessun guasto):
Con la spina scollegata misuriamo anche il lato negativo rispetto alla massa del veicolo. Le figure 1 e 2 mostrano come appare questa misurazione in forma schematica e nella realtà. Dalla misurazione risulta una resistenza di isolamento >550 MΩ, che indica che l'isolamento è in buone condizioni.
2. Misurazione dell'isolamento sul lato positivo (nessun errore):
Dopo aver scollegato la spina, ad esempio dall'inverter, colleghiamo il puntale di misura rosso al puntale nella spina smontata (ora nel lato positivo) e il puntale di misura nero ad un punto di massa collegato alla carrozzeria del veicolo. La Figura 1 ripropone il diagramma della sezione precedente, numerando la batteria HV (1), la massa del veicolo (2) e due dei consumatori (3 e 4). Il Megaohmmetro è collegato ed è stato premuto il pulsante arancione “test di isolamento” per misurare la resistenza di isolamento con la tensione trasmessa di 500 volt. Ciò equivale a 133 Megaohm. La resistenza di isolamento è inferiore rispetto alla misurazione precedente. È necessario consultare le istruzioni del produttore. Rispettiamo la resistenza di isolamento minima di 100 MΩ specificata dal produttore. La resistenza di isolamento è OK.
3. Misurazione dell'isolamento sul lato positivo (guasto):
Misurando sugli stessi collegamenti abbiamo misurato una resistenza di isolamento di 65 MΩ. Sebbene il valore di resistenza sia superiore al minimo di 500 ohm per volt stabilito dall'IEC e dall'IEEE (vedere il paragrafo precedente), il cablaggio e/o il componente viene rifiutato perché il produttore ha specificato il valore minimo di resistenza di 100 MΩ. Il cablaggio e/o i collegamenti a spina non possono essere riparati, ma devono essere completamente sostituiti.
4. Misurazione dell'isolamento sul lato positivo (guasto):
Quando viene misurato un valore di isolamento di 0 MΩ, esiste un collegamento diretto (cioè un cortocircuito) tra il cavo HV e l'alloggiamento. Il cablaggio e/o i collegamenti a spina non possono essere riparati, ma devono essere completamente sostituiti.
In caso di guasto di isolamento, le spine degli altri consumatori possono essere scollegate una per una per misurare nella spina, come mostrato nel testo e nelle immagini sopra.
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