desarrollo de un borne inteligente para batería de

DESARROLLO DE UN BORNE INTELIGENTE PARA BATERÍA DE
VEHÍCULOS AUTOMÓVILES
Germán Ycobalzeta Grau
Joan Ramon Gomà Ayatsp
Centro CIM (UPC-ICT) – Universidad Politécnica de Cataluña – Instituto Catalán de
Tecnología
RESUMEN
El desarrollo de un borne de batería para vehículos automóviles capaz de
desconectar en caso de accidente, incendio, cortocircuito o vuelco, ha sido un
objetivo buscado en los últimos años.
Se han registrado diversas patentes que emplean dispositivos con contactos
mecánicos, con explosivos, y con sistemas de electrónica de potencia.
En el Centro CIM se ha desarrollado un proyecto que ha culminado con el desarrollo
de un borne de este tipo basado en componentes electrónicos de potencia.
La solución obtenida consiste en un sistema sin partes móviles, que incorpora tanto
los sensores necesarios para detectar las condiciones de desconexión como el
procesamiento de la información, los componentes de control y los componentes de
potencia. Además, permite que pueda ser rearmado fácilmente sin necesidad de
acudir al taller una vez superadas las circunstancias que provocaron la activación.
En la realización del proyecto se han superado dificultades técnicas que habían
impedido anteriormente el desarrollo de sistemas de este tipo, el sistema electrónico
es capaz de cortar intensidades de corriente que en momentos punta pueden llegar
a 1000 amperios, mientras que en estado de conducción ha de ofrecer una
resistencia al paso de la corriente de menos de 0,6 mΩ a 25 ºC.
ABSTRACT
The development of a battery terminal for automotive vehicles that is capable of
disconnecting in the event of an accident, fire, short circuit or overturning has been a
focal point for much research work in recent years.
636
Several patents have been registered that make use of devices with mechanical
contacts, explosives and power electronics systems.
At the Centre CIM a project has been developed that has culminated in the
development of a terminal of this type based on power electronics components.
The solution obtained is comprised of a system without any moving parts, that
incorporates the sensors necessary both to detect disconnection conditions and to
process information, with control components and power components. In addition, it
can be reactivated without having to go to the repair shop once the conditions that
triggered it are corrected.
During this project technical difficulties were overcome that had previously hindered
the development of systems of this type; the electronic system is capable of breaking
currents that can reach peaks of 1000 amperes, yet while driving it must provide a
resistance of less than 0.6 mΩ (25 ºC).
1. ANTECEDENTES
Las empresas encuentran en el Centre CIM, y particularmente en el Grupo de
Electrónica del Centre CIM, un centro de I+D+I para el desarrollo de un producto o
una idea, o para encontrar la solución a una necesidad, en el ámbito de las nuevas
tecnologías.
En este caso, la empresa Perti S.L. presentó la idea de un sistema de interrupción
de la alimentación del sistema eléctrico de los automóviles en caso de accidente o
cortocircuito.
El Grupo de Electrónica, ofreció el servicio de innovación a esta empresa para el
desarrollo de esta idea y la obtención de los primeros prototipos.
El desarrollo del proyecto fue el siguiente, primero se realizó un estudio de las
patentes existentes relacionadas con esta idea, el segundo paso fue un estudio de
las alternativas posibles para encontrar la mejor solución, y una vez escogida la
alternativa se procedió al desarrollo de la misma.
El estudio realizado de las patentes existentes, puso de relieve que los sistemas que
se han utilizado hasta el momento para la desconexión de la batería en caso de
accidente, son dispositivos electromecánicos. Dispositivos de inercia, que trabajan
con elementos conductores eléctricos como pueden ser bolas o fluidos, como el
mercurio, que aprovechan la inercia producida por una colisión o inclinación, para
desplazarse y abrir el circuito eléctrico. Otros dispositivos utilizan cargas propelentes
637
para abrir el circuito. Para desconectar la batería en caso de cortocircuito se han
utilizado fusibles, que son elementos de muy bajo coste, pero que se han de
reemplazar en caso de que actúen.
2. ELECCIÓN DE LA ALTERNATIVA
Después del estudio de alternativas realizado, la alternativa escogida para su
desarrollo, fue la de un sistema de seguridad activo y completamente electrónico,
constituido básicamente por dos bloques, un bloque de control que gobierna el
bloque de potencia. El bloque de potencia está formado por semiconductores de
potencia, que interrumpirán la alimentación del sistema eléctrico cuando sea
necesario.
Esta alternativa es la que permite, en un solo dispositivo, agrupar las funciones de
los dispositivos existentes, es decir, desconectar la alimentación del sistema
eléctrico cuando se den los sucesos de cortocircuito, incendio, vuelco y colisión.
Permite obtener un sistema que su actuación frente a un suceso, no signifique su
destrucción, y por lo tanto, después de una desconexión puede rearmarse sin tener
que reemplazar elemento alguno, siempre que no exista daño persistente. Es la
alternativa que ofrece una mayor rapidez de actuación frente a un suceso, lo que
permite reducir las chispas que se producen en un cortocircuito y por lo tanto el
riesgo de incendio. También es la que ofrece una mayor proyección de futuro, al
permitir su gobierno a través de un bus de control y de esta forma poder gestionar el
consumo de los automóviles desde la centralita de los mismos.
3. FUNCIONES DEL SISTEMA
La incorporación de este sistema en la distribución eléctrica de los automóviles
ofrece las siguientes ventajas en el caso que se produzca un suceso:
-
Proteger la propia batería
-
Reducir el número de incendios causados por cortocircuitos o accidentes
-
Proteger otros dispositivos del automóvil
-
Si el suceso no persiste, no es necesario reemplazar ningún elemento
para rearmar el sistema eléctrico. Rearme mediante un pulsador.
-
Permitir la carga de la batería en todas las situaciones.
638
Por lo tanto este sistema minimiza las consecuencias derivadas de los accidentes,
tanto económicas como de daño al medio ambiente, y aumenta la seguridad, tanto
del usuario como del propio automóvil.
4. DESARROLLO
Durante el desarrollo del sistema se han superado tres retos técnicos.
El primero es que el sistema permite la conducción de una elevada potencia,
2200W, en forma continua y en condiciones extremas, para asegurar su operatividad
dentro del rango de temperaturas entre –40 y 125 ºC.
1000,00
15
14
13
800,00
11
10
9
400,00
8
7
200,00
6
5
0,00
-66,50
-200,00
Tensión (V)
Intensidad (A)
12
600,00
4
3
2
1
0
-400,00
1s / div
I. MOT.ARR.
T. BATERIA
Fig. 1. Transitorios de tensión y intensidad de corriente en el arranque del automóvil.
El segundo es que el sistema es totalmente operativo durante los transitorios de
tensión que se producen en el sistema eléctrico de los automóviles, en situaciones
como el arranque del automóvil (ver fig. 1), o el load dump (desconexión de un borne
de la batería, mientras el alternador continúa generando corriente de carga, se
produce una sobretensión de 5 a 10 ms de duración y de 100 V de pico) y durante
los transitorios de intensidad de corriente (ver fig. 1), picos de hasta 1000 A, que se
producen en el momento de arrancar el automóvil.
El tercero es que el sistema desconecta la batería mediante señales internas de
control (incluye la detección de los sucesos de cortocircuito y vuelco, y
procesamiento de la información para proceder a la actuación) y mediante señales
externas (incluye el procesamiento de la información de los sucesos de colisión o de
incendio).
639
A los anteriores retos se les tiene que sumar otros requisitos que impone el sector
del automóvil, que tenga un consumo eléctrico, unas dimensiones y un peso
mínimos, y un requisito básico de cualquier producto que se quiera lanzar al
mercado, un bajo coste.
La evolución de los semiconductores de potencia en los últimos años, practicado por
los fabricantes de semiconductores, ha sido una condición indispensable para
permitir el desarrollo del sistema que nos ocupa.
Entre los semiconductores de potencia que existen en el mercado, se escogen los
transistores MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) para
desarrollar la aplicación. El motivo de esta elección responde a las fantásticas
propiedades, derivadas de su construcción, que hoy en día nos ofrecen sus
fabricantes, como se ha comentado anteriormente, y a la proyección de futuro que
cabe esperar de este tipo de transistores.
De entre sus propiedades, cabe destacar la baja resistencia eléctrica interna en
conducción (RDS(on)=2,3 mΩ a T=25 ºC), su miniaturización (encapsulado TO-263), el
bajo consumo necesario para su control (como su nombre indica estos transistores
se gobiernan por el campo eléctrico producido por la tensión de puerta VGS) y su
rapidez de actuación (del orden de ns). Derivado de sus propiedades, cabe añadir
que los transistores MOSFET permiten una configuración en paralelo. Es decir, no
tienen los problemas de segunda ruptura, como sucede con los transistores BJT
(Bipolar Junction Transistor) en una configuración en paralelo, o que es lo mismo, no
se desequilibra la distribución equitativa de la intensidad de corriente que pasa por
cada uno de los transistores MOSFET en una configuración en paralelo.
Para superar los retos, se utiliza una configuración en paralelo de transistores
MOSFET, que tiene que poder suministrar la potencia necesaria y asegurar que
puede disipar la potencia generada en su interior.
4.1 Potencia de disipación
Todos los semiconductores deben operar sin superar sus límites térmicos. Para los
transistores MOSFET, el límite reside en que la temperatura de unión (TJ) no
sobrepase su máximo permitido, típicamente de 175 ºC. La eficiencia con la que se
disipa el calor de la unión hacia el ambiente es fundamental para determinar la
corriente máxima en conducción continua que puede soportar, y la potencia máxima
que puede disipar. La capacidad para disipar el calor depende de las resistencias
640
térmicas involucradas y el gradiente de temperaturas entre la unión (TJmax) y el
ambiente (Ta).
P=
(TJ max − Ta )
RthTOTAL
Para dimensionar el número de transistores MOSFET a conectar, se tiene que
pensar en que pueda transportar en todo momento la intensidad de corriente en
conducción continua y en la peor de las situaciones, es decir, cuando la batería del
automóvil suministra toda la intensidad de corriente (aproximadamente 200 A
durante unos segundos) en el momento de arranque del automóvil, y la temperatura
ambiente es de 125 ºC.
Cuando un semiconductor de potencia se somete a una carga pulsada, se permite la
posibilidad de un pico de potencia más elevado que cuando se le hace trabajar en
conducción continua. Estos materiales tienen una capacidad térmica definida, o
inercia térmica, y la temperatura crítica de la unión (TJmax) no se alcanza
instantáneamente. Es por eso por lo que el límite de la potencia de disipación se
incrementa con una operación intermitente de los semiconductores.
El incremento de la potencia depende de la duración del pulso y la frecuencia con
que ocurre.
4.2 Configuración en paralelo
La configuración en paralelo permite distribuir la potencia entre varios transistores y
de esta forma ganar en capacidad de disipación, al no tener un solo foco de calor.
Otra ventaja que nos ofrece esta configuración en paralelo es la reducción de la
resistencia interna total del sistema. Si la resistencia de un solo transistor MOSFET
es de 2,3 mΩ a 25 ºC y se colocan cuatro transistores en paralelo, la resistencia
interna total se tiene que dividir por cuatro, aproximadamente 0,6 mΩ.
4.3 Resistencia interna
Para minimizar tanto la potencia a disipar como la caída de tensión del sistema entre
la entrada y la salida, se minimiza la resistencia interna de los transistores MOSFET.
La resistencia interna está relacionada con la temperatura y la tensión de puerta V GS.
Fijando VGS en el valor óptimo para minimizar el valor de la resistencia interna R DS(on)
641
resulta que el valor final de esta resistencia interna depende de la temperatura, y es
directamente proporcional al aumento de la temperatura, aunque no deja de ser una
variable conocida.
5. CONCLUSIONES
El Grupo de Electrónica del Centre CIM ha desarrollado un sistema que desconecta
la batería de los automóviles en caso de accidente o cortocircuito.
Un sistema flexible que permite la elección de los sucesos a incorporar, la elección
del valor de la intensidad de cortocircuito y definir su ubicación.
Se trata de un sistema de bajo coste, en el que el 60% del coste total del sistema es
el coste de los transistores, y por lo tanto del área de silicio necesaria.
La previsión de futuro es que descienda el coste del sistema. Con la incorporación
de los nuevos niveles de tensión del sistema eléctrico de los automóviles (36 V de
tensión nominal y 42 V en funcionamiento) un aumento de tres veces la tensión de
trabajo, se obtiene un descenso en un tercio de la intensidad de corriente de los
sistemas actuales, siempre que se mantenga constante la potencia a suministrar. Si
la intensidad a conducir se reduce, el área de silicio necesaria será menor.
Aunque también se prevé un aumento de la potencia a suministrar, debido a la
nueva arquitectura del sistema eléctrico y a las nuevas cargas a incorporar, como
por ejemplo el alternador / motor de arranque integrado, o un sistema activo de
control de la suspensión, no se prevé que el aumento de la potencia se materialice a
medio plazo.
NOTA: En el desarrollo del sistema han participado Salvador Farràs, Jordi Obiol,
José Manuel Guerrero y Germán Ycobalzeta, con el soporte del resto del Centre
CIM.
6. REFERENCIAS
-
J.G. Kassakian, H.-C. Wolf, J.M. Miller, C.J. Hurton, “The future of automotive
electrical systems,” IEEE Spectrum, pgs. 22-27, Aug. 1996.
-
J.M. Miller, P.R. Nicastri “The next generation automotive electrical power system
architecture: issues and challenges,” DASC98 Digital Avionic Systems
Conference, Bellevue, WA, Oct. 31 – Nov. 6, 1998.
642
-
J.M. Miller, D. Goel, D. Kaminski, H.-P. Schöner, T.M. Jahnas, “Making the case
for a next generation automotive electrical system,” IEEE-SAE International
Congress on Transportation Electronics (Convergence). Dearborn, MI, Oct. 1998
-
J. Neubert, “Powering up,” IEEE. Sept. 2000.
Webs de interés:
www.irf.com
(International
www.vishay.com
(Vishay),
Rectifier.
Fabricante
de
semiconductores),
www.semiconductors.philips.com
(Philips),
www.mitconsortium.org (Forum cooperativo Norteamericano coordinado por el MIT),
www.bordnetzforum-42v.de (Forum cooperativo Europeo)
CORRESPONDENCIA
Joan Ramon Gomà Ayats
Centro CIM (UPC-ICT) – Universidad Politécnica de Cataluña – Instituto Catalán de
Tecnología. Calle Llorens Artigas nº 12, 08028 Barcelona.
Teléfono: 934017171
e-mail: joanr@cim.upc.es
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