Tópicos:
- Introdução
- Ligar o sistema HV
- Interlock
- Proteção contra curto-circuito
- Monitoramento permanente do isolamento
- Diagnóstico com o Megôhmetro
Introdução:
O sistema HV em veículos com tração eletrificada ou totalmente elétrica está equipado com múltiplas proteções. O sistema não pode ser armado até que todos os requisitos de segurança sejam atendidos. No momento em que um erro é detectado, o sistema HV desliga imediatamente. Isso pode acontecer nas seguintes situações:
- Uma parte do sistema HV é desmontada e o sistema é ligado.
- Devido a uma colisão ou danos causados pela água, as peças elétricas ou a fiação entram em curto-circuito entre si ou com o aterramento.
- As peças foram danificadas devido à sobrecarga.
A imagem abaixo mostra os componentes que pertencem ao sistema de segurança. Parte da bateria HV (1) pode ser vista em azul, com o plugue de serviço laranja (2) à esquerda. No meio estão três relés (3 a 5), que são acionados um a um pela ECU (6). Abaixo da bateria do HV está a ECU (7), que está conectada aos consumidores (8), como motor elétrico, aquecimento, bomba de ar condicionado, direção hidráulica e sistema de carga.
Legenda:
1. Bateria de alta tensão
2. Plugue de serviço com fusível
3. Relé 1
4. Relé 2
5. Relé 3
6. ECU da bateria HV
7. ECU do sistema HV
8. Consumidores elétricos
Ligar o sistema HV:
O motorista ativa o sistema HV pressionando o botão Iniciar. No momento em que a mensagem “HV ready” aparece no display, o sistema HV é ativado. Antes do sistema HV estar ativo, os relés no Bateria de alta voltagem controlado para conectar a bateria aos consumidores.
Quando o sistema HV é ligado, a ECU (6 na figura abaixo) controla os relés HV no circuito positivo (relé 4) e no circuito de terra (relé 5). Primeiro, o circuito de corrente no lado positivo é ligado através de um resistor. Na imagem abaixo vemos que o relé (4) passa a corrente para o resistor R1. O resistor limita a corrente que passa por ele, limitando assim a corrente de partida. Isso permite que os capacitores do inversor sejam carregados lentamente. Neste momento o sistema pode realizar uma verificação de segurança com uma tensão mais baixa. Depois que a tensão nos capacitores do inversor for aproximadamente igual à tensão da bateria HV, o relé 3 fecha e o relé 4 abre, aplicando tensão total ao inversor e outros componentes elétricos.
Interligar:
O sistema de intertravamento é o sistema de segurança que oferece proteção contra contato elétrico quando há conexões abertas. Em cada componente conectado à bateria HV existe pelo menos um contato que pode desligar o sistema HV quando ocorre uma interrupção. Esses contatos podem ser integrados na fiação ou incorporados na caixa de um componente como uma chave.
Na imagem abaixo à esquerda vemos o sistema ativo: os relés 3 e 5 estão fechados, o que significa que a tensão da bateria HV é transferida para os consumidores. O circuito de intertravamento é colorido em azul na ECU do veículo (7). Uma tensão é aplicada ao resistor R2 da ECU. O intertravamento é direcionado através dos consumidores elétricos (8) como um circuito em série. O intertravamento está conectado ao terra na bateria. Existe um ramal entre o resistor R2 na ECU (7) e a saída para os consumidores onde é medida a tensão no intertravamento.
- Intertravamento OK: a tensão após o resistor R2 é 0 volts;
- Intertravamento interrompido: a tensão não é consumida no resistor R2 e é (dependendo da tensão de alimentação) 5, 12 ou 24 volts.
A tensão após o resistor R2 é constantemente monitorada durante a ligação, mas também durante a condução.
A desmontagem do plugue de serviço (2) ou de qualquer componente elétrico (8) também interrompe o circuito de intertravamento. Esta situação pode ser vista na imagem acima à direita, onde o plugue de serviço mudou. Tanto o fusível entre os módulos de bateria quanto o circuito de intertravamento estão abertos. Como o intertravamento não está mais conectado ao terra do veículo, a tensão após o resistor R2 aumenta até o valor da tensão de alimentação. A ECU do veículo (7) controla diretamente a ECU da bateria (6), de modo que os relés 3, 4 e 5 não são mais ativados. O sistema HV é então desligado.
Na imagem vemos o plugue de serviço laranja com os contatos grandes no meio para conectar os cabos positivo e negativo da bateria HV, e à esquerda um plugue menor com dois pinos. Estes são os dois pinos do intertravamento. Também encontramos essas conexões em plugues de componentes de alta tensão.
Proteção contra curto-circuito:
O sistema de alta tensão deve ser protegido contra correntes excessivas, que podem ser causadas por curto-circuito na fiação ou nos componentes elétricos. Sem proteção, isso pode causar arco elétrico, derretimento de tubos ou até mesmo incêndio. Um fusível foi projetado para proteger o sistema contra esses perigos. O fusível pode estar localizado no plugue de serviço, mas também em outro lugar da bateria. Os veículos também podem ser equipados com vários fusíveis, cada um projetado para proteger um circuito específico.
Além do fusível proteger o sistema contra correntes excessivas, o sensor de corrente no cabo positivo ou negativo da bateria HV transmite a corrente para a ECU. A ECU toma a decisão de desligar os relés quando há sobrecarga.
Monitoramento permanente do isolamento:
Os lados positivo e negativo da bateria HV não entram em contato entre si nem com o meio ambiente. Existem várias camadas de isolamento ao redor do lado positivo (da bateria + ao + do inversor) com uma bainha trançada entre elas. Mas o lado negativo também é isolado e não entra em contato com a carroceria ou com o alojamento dos componentes. Já a própria carroceria do veículo está conectada ao negativo da bateria de bordo (12 volts em automóveis de passeio). Este não é o caso na parte HV. As causas de um mau funcionamento podem ser:
- Após uma colisão, podem ter ocorrido danos na fiação, fazendo com que o cobre dos fios positivo e negativo entre em contato ou toque na carroceria do veículo;
- devido à sobrecarga - e portanto ao superaquecimento - o isolamento de um componente elétrico falhou (derrete), permitindo o contato com o meio ambiente;
- Ou há líquido condutor porque o veículo esteve na água, ocorreu um curto-circuito entre o positivo e o negativo devido ao vazamento de líquido refrigerante na bateria HV. O vazamento de refrigerante na bomba elétrica do ar condicionado também pode causar condução.
Nos componentes eléctricos, um isolamento deficiente pode causar uma ligação entre os cabos positivos ou negativos da bateria HV e a caixa. Como a caixa é geralmente montada na carroceria do veículo, pode surgir uma corrente se a proteção for fraca no caso de isolamento deficiente. Quando o positivo da bateria HV é conectado à carroceria do veículo através da carcaça como resultado de uma falha de isolamento, uma alta tensão de centenas de volts está presente na carroceria. Porém, como não há como conectar ao negativo da bateria de alta tensão, nada acontecerá porque nenhuma corrente fluirá. As coisas só correrão mal se houver múltiplas falhas de isolamento, onde tanto o positivo como o negativo da bateria HV entrem em contacto com a carroçaria.
Nas três imagens abaixo vemos o conjunto de baterias HV (1) com os cabos positivo e negativo, com a carroceria do veículo na parte inferior (2) e dois consumidores elétricos (3 e 4) no meio.
- mau isolamento do lado positivo do componente: se houver mau isolamento entre o positivo e a caixa de um consumidor (por exemplo, um aquecedor eléctrico), a caixa ficará sob tensão. Como não há conexão com o negativo da bateria de alta tensão, não há fluxo de corrente;
- mau isolamento menos: novamente haverá uma (pequena) tensão na carroceria, mas nenhuma corrente fluirá;
- mau isolamento tanto no positivo quanto no negativo: nesta situação há um curto-circuito entre o positivo e o negativo da bateria HV. A carroceria se torna a conexão entre o positivo e o negativo. A corrente aumentará rapidamente até que o fusível na ficha de serviço e/ou na bateria HV queime para proteger o sistema.
Porque com isolamento deficiente no positivo ou negativo ainda não existe um circuito fechado, o fusível no plugue de serviço não derreterá. O monitoramento permanente do isolamento em veículos elétricos detecta essa transferência de corrente, avisando o motorista com uma mensagem de erro. Com uma falha de isolamento, o veículo ainda pode funcionar, a menos que o fabricante o desative através de software.
O número 5 na figura abaixo indica o componente onde ocorre o monitoramento permanente do isolamento. Na realidade, esta parte elétrica é obviamente mais complexa.
O número 6 indica o resistor de medição sobre o qual a queda de tensão é medida em paralelo.
As duas imagens abaixo mostram as situações em que há mau isolamento no positivo (esquerda) e no negativo (direita). Como a corrente flui através do resistor de medição, a tensão é consumida no circuito de resistência. A queda de tensão no resistor de medição é uma medida da quantidade de corrente que flui através dos resistores.
Assim que a ECU detecta uma anormalidade com monitoramento permanente do isolamento, ela armazena um código de erro. Possíveis descrições dos códigos P (como P1AF0 e P1AF4) podem ser: “perda de isolamento do sistema de tensão da bateria” ou “mau funcionamento do circuito de isolamento de tensão da bateria”. Quando um veículo entra na oficina com falha de isolamento, o mecânico pode medir as resistências de isolamento após utilizar o equipamento de diagnóstico, ou manualmente com um megôhmetro, para verificar se há vazamento de isolamento em algum lugar.
Diagnóstico com o Megôhmetro:
A seção anterior explicou o conceito de “resistência de isolamento” e mostrou como o veículo utiliza o monitoramento permanente de isolamento para verificar se há vazamento nas conexões positivas ou negativas da bateria HV à carroceria do veículo. Nesta seção discutiremos isso com mais detalhes e descreveremos como você, como técnico, pode detectar a localização da falha com um megôhmetro. Naturalmente, como técnico, você deve ser certificado para trabalhar em sistemas de alta tensão. O próprio software de um testador de diagnóstico pode realizar um teste de isolamento para determinadas marcas, por exemplo, para componentes que só apresentam uma falha de isolamento após serem ligados, como aquecimento elétrico ou ar condicionado elétrico.
Em outros casos podemos medir a resistência de isolamento com um megôhmetro. Não é possível medir a resistência de isolamento com um multímetro normal, porque a resistência interna do multímetro pode chegar a 10 milhões de ohms. A resistência interna é muito alta para medir valores de resistência elevados. Um megôhmetro é adequado para isso e produz uma tensão de 50 a 1000 volts para simular a situação operacional. Esta alta tensão garante que a corrente emitida passe pelo núcleo de cobre até o isolamento, mesmo com os menores danos no isolamento. Para medir com o megôhmetro, ajuste o medidor para a mesma tensão da bateria HV ou um nível acima. Após conectar os cabos de medição e configurar o medidor corretamente, clicamos no botão laranja “teste de isolamento”. A tensão definida (na imagem: 1000 volts) é aplicada aos cabos de medição e, portanto, ao componente, e então lemos o valor ôhmico no display.
- Uma resistência de isolamento superior a 550 MΩ (Megaohm, que significa 550 milhões de ohms) é aceitável. Esta é a faixa máxima de medição;
- Um valor inferior a 550 MΩ pode indicar vazamento no isolamento, mas não necessariamente é esse o caso;
- De acordo com a Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC) e o Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos (IEEE), a resistência de isolamento de um VE deve ser de pelo menos 500 Ω por volt. A uma tensão nominal de alta tensão de 400 volts, a resistência deve ser (500 Ω * 400 v) = 200.000 Ω.
- Os fabricantes muitas vezes estabelecem padrões mais elevados de qualidade e segurança, resultando em resistências mínimas de isolamento mais elevadas. Por este motivo, as instruções de fábrica devem ser sempre seguidas ao fazer um diagnóstico.
As instruções do fabricante são sempre importantes.
As especificações de fábrica descrevem as etapas, normas de segurança e resistências mínimas de isolamento.
Na próxima imagem vemos uma captura de tela de um manual da Toyota. São mostradas as resistências mínimas de isolamento dos cabos do motor elétrico do modelo relevante.
O megôhmímetro deve ser ajustado para 500 volts e a resistência mínima da fiação (UV e W) do motor elétrico em comparação com a carcaça deve ser de 100 MΩ (MegaOhm) ou mais.
As resistências de isolamento, por exemplo, do compressor eléctrico de ar condicionado e do elemento de aquecimento podem ser diferentes. Ao medir outros componentes, consulte essa parte dos dados de fábrica.
1. Medição de isolamento no lado negativo (sem falha):
Com o plugue desconectado também medimos o lado negativo em relação à massa do veículo. As Figuras 1 e 2 mostram como é essa medição na forma esquemática e na realidade. A medição resulta numa resistência de isolamento >550 MΩ, o que indica que o isolamento está em boas condições.
2. Medição de isolamento no lado positivo (sem falha):
Após desconectar o plugue, por exemplo do inversor, fixamos a sonda de medição vermelha no pino do plugue desmontado (agora no lado positivo) e a sonda de medição preta em um ponto de aterramento conectado à carroceria do veículo. A Figura 1 reexibe o diagrama da seção anterior, numerando a bateria HV (1), a massa do veículo (2) e dois dos consumidores (3 e 4). O megôhmetro está conectado e o botão laranja “teste de isolamento” foi pressionado para medir a resistência de isolamento com a tensão transmitida de 500 volts. Isso equivale a 133 Megaohm. A resistência de isolamento é inferior à medição anterior. As instruções do fabricante devem ser consultadas. Aderimos à resistência de isolamento mínima de 100 MΩ especificada pelo fabricante. A resistência de isolamento está OK.
3. Medição de isolamento no lado positivo (falha):
Ao medir nas mesmas conexões medimos uma resistência de isolamento de 65 MΩ. Embora o valor da resistência seja superior ao mínimo de 500 ohms por volt definido pela IEC e IEEE (ver parágrafo anterior), a fiação e/ou componente é rejeitada porque o fabricante especificou o valor mínimo de resistência de 100 MΩ. A fiação e/ou conexões de plugue não podem ser reparadas, mas devem ser completamente substituídas.
4. Medição de isolamento no lado positivo (falha):
Quando um valor de isolamento de 0 MΩ é medido, há uma conexão direta (ou seja, curto-circuito) entre o fio HV e o invólucro. A fiação e/ou conexões de plugue não podem ser reparadas, mas devem ser completamente substituídas.
Em caso de falha de isolamento, os plugues dos demais consumidores podem ser desconectados um a um para medir no plugue, conforme texto e imagens acima.
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