Consideraciones del aislamiento eléctrico en vehículos eléctricos - Normativa
La seguridad eléctrica tanto en el propio vehículo eléctrico como en la infraestructura de carga es de vital importancia en el uso de los mismos. Como en todos los ámbitos de la vida cotidiana, aquí también la máxima prioridad es proteger a las personas de los potenciales peligros causados por la utilización de la energía eléctrica.
En general, podemos decir que: de igual manera que en las instalaciones eléctricas generales, los escenarios de protección claves también se pueden trasladar al vehículo eléctrico. Esto es, protección contra descargas eléctricas en el vehículo en movimiento, en el vehículo parado, sobre la carga eléctrica, sobre trabajos en el mismo (p. ej. mantenimiento), en caso de accidente vial. Todos estos ítems los vamos a englobar en tres grupos, a saber:
Seguridad en el vehículo eléctrico:
En el vehículo existen diversas tensiones que requieren una cuidadosa coordinación de las medidas de protección para controlarlas. Los fallos de aislamiento en el sistema de alta tensión (tensión de la batería) provocados, por ejemplo, por contaminación, humedad, conexiones defectuosas, etc. debe evitarse o detectarse y solucionarse.
Seguridad en la estación de carga:
El objetivo básico es poder cargar vehículos eléctricos desde prácticamente cualquier toma. Esto significa que durante el proceso de carga pueden combinarse diferentes redes eléctricas y medidas de protección. Esto requiere una cuidadosa coordinación y aplicación de todas las medidas para garantizar también aquí una completa seguridad eléctrica para el usuario.
Seguridad en instalaciones de edificios:
Los requisitos para la seguridad eléctrica en edificios se definen detalladamente en la serie de normas vigentes. Para garantizar que los vehículos eléctricos puedan cargarse de forma segura y fiable, se deben cumplir tanto las medidas de protección necesarias para el edificio como las requeridas para nuevas instalaciones y configurar el sistema de acuerdo con los requisitos normativos para el proceso de carga.
A continuación recordamos los sistemas de puesta a tierra que nos será de utilidad, mas adelante. En el caso de la movilidad eléctrica tenemos en cuenta los tipos de sistemas relevantes que son los sistemas TT, TN e IT.
Sistema TT
En estos sistemas existe un punto puesto a tierra directamente. Las masas de la instalación eléctrica están conectadas a tomas de tierra independientes electricamente de las tomas de tierra para la puesta a tierra del sistema eléctrico.
Sistema TN
En estos sistemas no existe un punto puesto a tierra directamente y las masas de la instalación eléctrica estan conectadas a este punto mediante conductores de protección (PE).
Sistema IT
En este sistema, todos los conductores activos estan separados de tierra o un punto esta puesto a tierra con una impedancia. Esto hace que, en caso de fallo de aislamiento, solo pueda circular una corriente de fallo pequeña, originada principalmente por la capacidad de derivación de la red.
Tipo de sistema y medidas de protección.
En el área de movilidad eléctrica se deben tomar tres tipos de sistemas en cuenta.
En el caso de la carga en corriente alterna, se trata principalmente de sistemas conectados a tierra, mientras que en el caso de la estación de carga de corriente continua se utilizan fuentes de alimentación sin conexión a tierra (sistemas IT).
El vehículo eléctrico en sí tiene un sistema de alto voltaje aislado (400 – 800 Vcc) que es comparable con un sistema de IT de acuerdo con DIN VDE 0100-100 / IEC 60364-1” Sistemas eléctricos y protección contra descargas eléctricas”.
Una cuestión clave para la seguridad eléctrica es el proceso de carga en particular,
porque aquí se conectan diferentes tipos de sistemas para formar un sistema general.
Durante la operación del vehículo, el sistema de alto voltaje del mismo puede considerarse un sistema de IT "móvil". Durante la carga, esto cambia a un sistema general con conexión a tierra (sistema TN) o sin conexión a tierra (sistema IT) con el importante desafío de conciliar el sistema de suministro y las medidas de protección del sistema de alta tensión (400 – 800 Vcc).
Vehículo aislado
El sistema de alimentación de un vehículo eléctrico, conocido como “Red de a bordo de Clase de Tensión B” ("Alta Tensión" HV según ISO 6469-3, significa la clasificación de un componente o circuito eléctrico, si su tensión de trabajo es > 60 V y ≤ 1500 V CC o > 30 V y ≤ 1000 V CA eficaz), puede considerarse como un sistema de alimentación aislado (IT) mientras el vehículo está en marcha. En este caso uno de los mayores desafíos reside en la detección temprana de fallos de aislamiento en alguno de los componentes de esta red de alta tensión AT ó HV.
Los fabricantes de automóviles instalan en los vehículos eléctricos un sistema de corriente continua (CC) aislado, llamado sistema de alto voltaje (HV), que es alimentado por el banco de baterías (400 ó 800 Vcc). Este sistema de alta tensión se controla normalmente con un dispositivo de control de aislamiento llamado IMD, Insulation Monitoring Devices, Instrumento de monitorización del aislamiento.
Las causas de los fallos de aislamiento en funcionamiento normal pueden ser, por ejemplo: contaminación, sales acumuladas, humedad, conectores defectuosos, influencias mecánicas, rasgado de la aislación de un conductor, falla en un equipo electrónico, falla dentro de la batería, etc. Lo cual implica medir la resistencia de aislamiento del sistema de IT para ser monitoreado contra tierra (chasis, en el caso de los VE). Si la resistencia (kΩ) desciende por debajo de un valor determinado, se genera un aviso. En la práctica se ha comprobado la eficacia de un valor de 100 Ω/V para el aviso principal y de 300 Ω/V para controladores de aislamiento con etapa de preaviso.
Los sistemas de mayor voltaje (800 V, 1000 V, 1500 V) presentan nuevos desafíos para el monitoreo de aislamiento activo. Los niveles de aislamiento de fallas y advertencias aumentan proporcionalmente al valor de voltaje. El valor de la capacitancia total del sistema disminuye, lo que plantea desafíos a los diseñadores de fuentes de alimentación que utilizan capacitancias para la supresión de EMI (Interferencias Electro Magnéticas).
La norma ISO 6469-3 especifica los requisitos para los sistemas de propulsión eléctrica y los sistemas eléctricos auxiliares conectados conductivamente, si los hubiera, de vehículos de carretera propulsados eléctricamente para la protección de las personas dentro y fuera del vehículo contra descargas eléctricas.
– Parte 3: Protección de las personas contra descargas eléctricas "la resistencia mínima de aislamiento de la red de a bordo deberá mantenerse durante toda la vida útil y en todas las condiciones de funcionamiento".
Proceso de carga
Las medidas de protección para la instalación eléctrica se describen en detalle en la norma DIN VDE 0100-410/ IEC 60364-4-41, mientras que las medidas para el vehículo eléctrico se definen en la norma ISO / FDIS 6469 -3.
Como regla general, el propio sistema de monitoreo de aislamiento del vehículo verifica la resistencia de aislamiento y solo habilita el contacto de carga en el vehículo si hay una resistencia de aislamiento de valor adecuado. Los límites están definidos, por ejemplo, en ISO / FDIS 6469-3 como 500 V / Ω para sistemas de CA y como 100 Ω / V para sistemas de CC.
Al comienzo del proceso de carga, el monitoreo del aislamiento del vehículo se cambia a pasivo para evitar la interacción con los dispositivos de protección y monitoreo de la estación de carga. Como resultado, el dispositivo de protección en la estación de carga tiene la tarea durante la carga de monitorear el circuito completo, incluida la electrónica de carga en el vehículo.
Desde el punto de vista de la estación de carga, también es posible medir la resistencia de aislamiento antes del inicio; esta medida principalmente incluye el cable de carga a la entrada del vehículo. Esto, hace posible detectar, por ejemplo, daños en el cable de carga causado por efectos mecánicos. Un requisito previo importante para un proceso de carga seguro es la continuidad del conductor de protección. Control Pilot (CP) verifica esta continuidad y la controla durante todo el proceso de carga. Si no hay problemas con el conductor de protección, el proceso de carga está habilitado.
Vehículo en carga
Recordamos los modos de carga:
Modo 1: vehículo conectado directamente al toma corriente (AC)
Modo2: vehículo conectado al toma corriente (AC) a través de un el cable equipado con un sistema mínimo de protección (IC-CDP) (mal llamado cargador portátil).
Modo 3: vehículo conectado a un punto de recarga destinado de forma exclusiva Modo 4: vehículo conectado a punto de carga de corriente continua (CC)
En Modos 1 a 3, el sistema de puesta a tierra del vehículo pasa de un sistema aislado (IT) a un sistema TT ó TN. Porque el cable de conexión contiene un conductor especifico que vincula la puesta a tierra del punto de carga con las partes metálicas del vehículo.
Para la carga del vehículo eléctrico se hace referencia a otras normas internacionales vigentes. Cabe señalar que aquí se establece ISO/DIS 6469-3.2 para las medidas de protección a bordo del vehículo eléctrico y IEC 60364-4-41 para las medidas de protección fuera del vehículo eléctrico.
La razón es que las medidas de protección deben conciliar los tipos de sistema existentes, los dispositivos de protección del sistema de alimentación y del sistema de alimentación de alta tensión del vehículo.
En la figura siguiente se muestra un ejemplo de carga, a primera vista podemos decir que: para cargar de forma segura un vehículo eléctrico, se debe tener en cuenta el tipo de sistema en función del tipo de conexión a tierra del sistema de alimentación. En otras palabras: el tipo de sistema basado en el tipo de conexión a tierra constituye la base para el análisis de las medidas de protección en relación con el sistema de alto voltaje en el vehículo eléctrico.
Si el vehículo eléctrico está conectado a una toma de corriente convencional (Modo 2) o a una estación de carga (Modo 3) para cargar la batería, un elemento importante de la infraestructura es el uso de RCD (disyuntor diferencial) de tipo A. Para cada toma de carga se debe prever un circuito de corriente propio. En el Modo 2, se utiliza un dispositivo de protección móvil (IC-CPD, cable de carga con protección) para cumplir con los requisitos de seguridad de las normas. Tanto el dispositivo de corriente residual (RCD) de tipo A como el dispositivo de protección móvil desconectan si se produce una corriente de error alterna o pulsante ≥ 30 mA.
Recordamos los tipos de interruptores diferenciales (ID), también conocido como RCD (dispositivos de corriente residual) o dispositivo diferencial residual (DDR):
Tipo S (con retardo de tiempo)
Un RCD tipo S es un dispositivo de corriente residual sinusoidal que incorpora un retardo de tiempo.
Tipo AC
Se instalan más comúnmente en viviendas, están diseñados para usarse con corriente residual alterna sinusoidal para proteger equipos resistivos, capacitivos o inductivos y sin ningún componente electrónico.
Tipo A
Se utilizan para corriente residual sinusoidal alterna y para corriente continua pulsante residual de hasta 6 mA.
Tipo F
Se utilizan para aparatos y equipos controlados por frecuencia.
Tipo B
Equipo de carga de vehículos eléctricos con corriente continua residual suave superior a 6 mA.
Corriente de falla
Requisitos normativos de dispositivos de protección de corriente residual (RCD) tipo A
Según IEC 61008-1 e IEC 61009-1, se deben proporcionar dispositivos de protección de corriente residual tipo A para las siguientes corrientes de falla If:
:: corrientes alternas sinusoidales
:: corrientes de falla CC pulsantes.
Se permiten corrientes de falla CC uniformes hasta un umbral de If = CC ≤ 6 mA.
Si la corriente de fallo CC If ≥ 6 mA, que puede deberse a un fallo de aislamiento existente en el cargador de a bordo dentro del vehículo, el valor de respuesta pueden variar negativamente en el dispositivo de protección contra corriente residual aguas arriba. En el peor de los casos, un RCD tipo A no se activa o queda “ciego”. En este caso ya no se garantiza la función protectora. Para evitar esto, se puede utilizar un dispositivo de protección de corriente residual tipo B o se puede detectar la posible corriente de falla de CC por otros medios para desconectar el circuito.
Seguridad eléctrica para estaciones de carga súper rápidas DC
Carga en corriente continua – CC (Modo 4)
Debido a los valores de potencia (100 a 350 kW) de que disponen los puntos de carga, se extreman las medidas de seguridad eléctrica. Las estaciones de carga de CC están diseñadas como sistemas sin toma de tierra (sistemas IT), es decir, no se permite conectar ningún conductor activo a tierra. Esta situación se consigue en la estación de carga CC mediante la construcción aislada de la electrónica de carga o mediante un transformador de aislamiento.
De acuerdo con DIN VDE 0100-410/ IEC 60364-4-41 un sistema de IT debe ser controlado permanentemente usando un dispositivo de monitoreo o control de aislamiento y una salida de señal si se especifica que se ha excedido el valor.
Durante el proceso de carga, el dispositivo de control del aislamiento supervisa todo el circuito de carga en y desde la estación de carga hasta el vehículo eléctrico. Esto requiere coordinación con el dispositivo de vigilancia del aislamiento del vehículo, el IMD del vehículo está apagado.
Tal sistema de IT tiene dos ventajas importantes: una primera falla de aislamiento no dará como resultado el apagado sino solo la señalización. Esto significa que el proceso de carga puede continuar hasta que se complete sin problemas. La segunda ventaja importante: el voltaje de contacto en el caso de la primera falla es de aproximadamente 0 V. Como resultado, un peligro potencial debido a la corriente que fluye a través del cuerpo puede ser casi excluido. Un aspecto importante, particularmente en relación con el uso de estaciones de carga por parte de personas sin conocimientos eléctricos.
De acuerdo con DIN VDE 0100-410 el propio dispositivo de control de aislamiento debe cumplir los requisitos de DIN EN 61557-8/ IEC EN 61557-8, es decir, debe detectar fallas de aislamiento simétricas y asimétricas. Puede ocurrir una falla de aislamiento simétrica cuando la resistencia de aislamiento de todos los conductores en un sistema a monitorear disminuye aproximadamente en la misma medida. Si no se detecta esta condición de falla, existe, por ejemplo, un riesgo de incendio, ya que una corriente más alta fluye debido a las dos fallas de aislamiento en diferentes conductores activos; esta corriente provoca el calentamiento cuando se producen fallas de aislamiento.
Conclusiones
El diseño adecuado y control periódico de los sistemas de tierra y aislamiento en las secciones baja y alta tensión en un vehículo eléctrico es vital para garantizar la seguridad de los ocupantes del vehículo, el personal de servicio y el funcionamiento fiable del mismo. Hay una gama de sistemas con diferentes requisitos para la puesta a tierra y el aislamiento. En la sección de alta tensión, es necesario supervisar continuamente la integridad de la fuga de aislamiento para permitir respuestas en caso de falla o una integridad reducida de los sistemas de aislamiento.
Nota: Estas normas son de aplicación en países miembros de la Comunidad Europea. Algunas Normas europeas tienen matices en normas armonizadas localmente, UNE en España, VDE en Alemania o BS en Reino Unido, etc. Cualquiera de las normas indicadas puede usarse como consulta en caso de no disponer de regulaciones locales.
Ricardo Berizzo
Ingeniero Electricista 2024.-
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