Relés
¿Para qué sirve?
Para comandar una corriente de alta intensidad con otra mucho más pequeña, sin que toda la intensidad tenga que pasar por el interruptor. (Protege interruptores y conmutadores)
- Evita elementos de mando robustos y caros.
- Son fiables, robustos, económicos (los relés) y fáciles de cambiar por las conexiones rápidas Faston.
- Disminuye caídas de voltaje y sección del cable.
Existen relés específicos (como el del motor de arranque, los calentadores, etc.) y los convencionales como accesorio o componente de la instalación eléctrica posterior.
Tipos de relés convencionales:
- De intensidad: Simples o múltiples.
- De distribución o conmutación.
Los relés en los vehículos se suelen agrupar en una caja formando un conjunto acompañados de fusibles.
Permiten el manejo de grandes corrientes a través de sus contactos con corrientes pequeñas que circulan por su circuito de control (bobinas). Los más usuales de 3 a 6 patas.
Funcionamiento de un relé:
Un relé está formado por las patas del circuito de control (las bobinas) y las patas del circuito de carga (contactos).
Cuando se energiza un relé pasando corriente por su bobina, creando un campo magnético (parte superior de bobina + e inferior -), este cambia el contacto sobre el que normalmente se encuentra posicionado el relé.
Cuando la corriente se interrumpe, también el campo y mientras pasa esto, se produce un voltaje de polaridad inversa dentro de la bobina con varios cientos de voltios.
Es decir, cuando hay 12 V arriba, se producen cientos de voltios positivos abajo y circula la corriente de abajo-arriba.
Supresores de voltaje:
En los vehículos modernos los relés son comandados por las UCEs o transistores, por lo que necesitan protección contra los picos de voltaje.
Para suprimir estos picos se suelen usar resistencias de valores elevados, diodos o capacitores.
Las resistencias y diodos son los más usados como supresores de picos en los relés; suelen ir montados en el interior del relé y vienen identificados cuando lo poseen.
Circuitos de 12 o 24 V en Vehículos con Motor a Combustión
Estos vehículos son autónomos eléctricamente; generan la electricidad que consumen con el alternador.
Con el motor en marcha se alimenta todos los componentes eléctricos del coche y la corriente sobrante se acumula en la batería para reserva de energía con el motor parado o sin funcionar el alternador.
- 12 V: usado en vehículos y motocicletas de uso normal.
- 24 V: vehículos industriales y maquinaria agrícola.
Esta tensión sería muy baja como para alimentar vehículos eléctricos de tracción.
En un motor de combustión, que no es híbrido ni eléctrico, la tensión de la batería marca la tensión del resto de componentes. Es decir, si la batería marca 12 V, los componentes que se alimentan desde la batería deben de poder trabajar a 12 V.
Los componentes alimentados por UCEs pueden tener mayor o menor tensión de alimentación. Ej: inyectores piezoeléctricos 70 V, sensor Hall 5 V.
Red de Alta Tensión en Híbridos y Eléctricos
Estos vehículos disponen de una red de alta tensión que alimenta los motores eléctricos trifásicos de la propulsión y el motor eléctrico del compresor de A/C. El resto de componentes a baja tensión 12 V.
El voltaje de alta lo marca la batería de alta tensión, ej: Q5 de Audi batería de 266 V.
Estas baterías de alta tensión disponen de circuito de refrigeración y un módulo de gestión.
Contactos de alto voltaje:
Dispone de dos contactos, que conectan y desconectan la batería de alta tensión con la red y sus componentes.
- Un contacto de alto voltaje + y otro -.
La UCE de control de la batería cierra los contactos cuando tenemos +15 V.
Si se corta la alimentación de 12 V de la UCE se abren los contactos.
Casos en los que se abren los contactos por la UCE:
- Desconectar encendido.
- Desconectar terminal de alta tensión y separar la línea de seguridad.
- Al actuar el pretensor del cinturón.
- Al actuar el airbag.
- Al separar las dos baterías de 12 V de la red con el +15 ON.
Comunicación con red de 12 V
Esta red sigue funcionando en los vehículos con circuito de alta tensión con algunas modificaciones:
- No hay alternador, su función la realiza el motor-alternador de propulsión.
- La red de 12 V es alimentada por el convertidor DC del módulo electrónico de potencia.
- Dispone de dos baterías de 12 V con sus UCEs para la vigilancia.
- La segunda se conecta subsidiaria gracias a un relé.
- El motor de arranque adicional solo se acciona para arrancar el motor de combustión.
Conector de mantenimiento para sistemas de alta tensión
Es un puente eléctrico para ambas partes de la batería de alto voltaje. Si se extrae el conector de mantenimiento se separa el puente y se corta la alimentación de alta tensión.
Este debe de extraerse siempre que manipulamos componentes del circuito de alta tensión o cerca de estos.
Para el estado sin tensión debemos de realizarlo mediante equipo de diagnosis.
Esquemas Eléctricos
Tipos de esquemas eléctricos:
- Esquemas de situación de componentes: nos indica la posición exacta de los componentes, puntos de masa, mazos de cableado, etc.; numerando cada pieza y componente.
- Esquema eléctrico de cableado: esquema más específico y detallado. Determina el número exacto de cables, los pines de cada componente, cables positivos, etc.
- Esquema eléctrico funcional: mejora la información de los esquemas de cableado. Al aumentar el tamaño del componente, se aprecian los pasos de corriente por su interior, los contactos internos, diodos, resistencias, etc.
Vehículos Híbridos y Eléctricos
Problemática de la motorización
Los automóviles han traído consigo crecimiento económico, desarrollo socio-cultural y problemas sociales (contaminación, ruido, agotamiento de los recursos…).
Búsqueda de alternativas
El automóvil eléctrico constituyó la primera alternativa a tener en consideración, pero pronto se vieron los problemas que presentaba. (Las baterías tenían elevado peso, tamaño, precio, autonomía y tiempo de recarga).
El automóvil eléctrico de pila de combustible elimina el problema de las baterías, pero está limitado por las dificultades de suministro y manejo del hidrógeno y el empleo de metales preciosos (platino) como catalizador para la célula.
El vehículo híbrido, que combina motor térmico y motor eléctrico, se ha elegido como solución intermedia que permite reunir ventajas de ambos sistemas paliando sus inconvenientes.
Vehículos eléctricos
Las baterías constituyen el principal problema que se plantea en los vehículos eléctricos debido a su elevado peso y volumen en relación con la energía almacenada y sus altas tensiones. La batería de plomo-ácido, hasta ahora muy empleada por su bajo precio, ha sido abandonada por su elevado peso.
Características a tener en cuenta en las baterías de tracción
- Energía específica (Wh/kg)
- Potencia específica (W/kg)
- Vida útil en ciclos de carga/descarga
- Otras: tensión, efecto memoria, problemas medioambientales, peligro de explosión, sobrecalentamiento, autodescarga, etc.
- Precio
Comparación de baterías
- Plomo-ácido (2,1 V): las más baratas, energía específica baja, potencia baja, requiere mantenimiento y rendimiento bajo.
- Ni-Cd (1,2 V): mejoran las características de las de plomo, pero son más caras, presentan efecto memoria y el reciclaje del cadmio es problemático.
- Na-S (2 V): mejoran la potencia, energía específica y el rendimiento, pero trabajan con un electrolito de sales fundidas a 300 ºC.
- Ni-MH: mejoran las ventajas de las de Ni-Cd, eliminando sus inconvenientes. Requieren ventilación.
- En vehículos eléctricos y sobre todo en los híbridos.
- Constan de un electrolito alcalino (KOH).
- Cada célula genera 1,2 V y se agrupan formando módulos.
- Tienen adosado un sistema de gestión electrónico y un ventilador.
- Li-Ion (3,7 V): son las más caras, pero tienen mejor energía específica y ciclos de carga/descarga. Tienen problemas de sobrecalentamiento y riesgos de explosión.
- Las baterías de iones de litio se utilizan principalmente en vehículos eléctricos puros debido a su elevada energía específica.
- Constan de un electrolito de sales de litio con un electrodo positivo de óxido de litio y cobalto y otro metal, y un electrodo negativo de grafito.
- Cada célula genera 3,7 V y se conectan en serie.
- Necesitan un sistema de gestión electrónica y refrigeración.
Recarga de baterías
- Carga lenta en tomas de corriente de red de 220 V, entre 6-10 h.
- Carga rápida en postes especiales, entre 20-30 min.
- Intercambio de baterías de alquiler.
Motores eléctricos
Los primeros vehículos eléctricos se equiparon con motores de corriente continua. La regulación en principio era reostática, pero a partir del desarrollo de los semiconductores de estado sólido se pasó a la regulación electrónica que evolucionó hasta llegar a sustituir el motor de corriente continua por motores de rotor de imanes permanentes y estator con bobinas alimentadas por corriente alterna trifásica o excitadas de forma secuencial.
Según la dirección de los flujos magnéticos podemos distinguir entre motores de flujo radial, que se suelen colocar en la transmisión, y motores de flujo axial, más aptos para y colocados directamente en las ruedas.
Los sistemas de regulación para los motores eléctricos de tracción actuales, permiten alimentar secuencialmente las bobinas del estator, variando la tensión y frecuencia de alimentación, controlando así el par y la velocidad.
La electrónica de potencia emplea transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) que permiten manejar intensidades de cientos de amperios.
La electrónica de control de las puertas de los transistores se realiza mediante microprocesadores. La información requerida por los microprocesadores viene de los requerimientos del conductor (acelerador, freno, marcha,…) y de sensores en el motor (posición, velocidad,…).
Vehículos de pila de combustible
El uso del hidrógeno en la pila de combustible permite generar electricidad para un vehículo eléctrico sin el inconveniente de la gran cantidad de espacio y peso que constituyen las baterías.
El poder calorífico del hidrógeno es cuatro veces superior al del carbono y el rendimiento de la pila de combustible supera el 60 %. Así, basta 1 kg de hidrógeno para recorrer 100 km.
La combustión del hidrógeno solo produce vapor de agua, no emitiendo óxidos de carbono u otros contaminantes.
La pila de combustible
El funcionamiento de la pila de combustible se basa en conseguir, mediante un catalizador, hacer reaccionar el hidrógeno con el oxígeno del aire produciendo agua. La reacción genera una diferencia de potencial de 0,6 V entre los electrodos.
El hidrógeno se hace llegar al ánodo donde, en presencia del catalizador (generalmente platino), se disocia en iones de hidrógeno y electrones que circularán por el exterior para llegar al cátodo donde se producirá la combinación con el oxígeno formando agua.
Para formar la pila se disponen en serie un conjunto de células, cada una de las cuales contiene dos electrodos separados por una membrana que actúa como electrolito bloqueando los electrones que son obligados a circular por el exterior creando así la corriente eléctrica. La membrana permite la circulación de los protones (H+) que llegan al cátodo para combinarse con oxígeno.
Vehículo con pila de hidrógeno
El hidrógeno se almacena en depósitos con presiones entre 300 y 700 bares. Cada depósito almacena un máximo de 5 kg de hidrógeno. El sistema de almacenaje de líquido requiere temperaturas muy bajas (-250 ºC). Se estudian tecnologías de almacenaje en estado sólido (hidruros), carbones activos, microesferas, nanotubos, etc.
Vehículos híbridos
Debido a los problemas que tienen los vehículos eléctricos (baja energía específica de las baterías y limitada autonomía), son los automóviles híbridos los que ofrecen una solución de compromiso más satisfactoria.
Se han llamado vehículos híbridos a los que utilizan un motor eléctrico y un motor de combustión interna para su funcionamiento.
La combinación de un motor de combustión interna, operando a regímenes de máxima eficiencia, y la recuperación de energía de frenado hacen que estos vehículos alcancen mejores rendimientos que los vehículos convencionales.
Por otra parte, algunos automóviles híbridos permiten recargar las baterías conectándolos a la red eléctrica, obteniéndose así energía más limpia y barata.
Ventajas:
- Optimización del rendimiento de combustible, reduciendo su consumo.
- Reducción de la emisión de gases contaminantes, dañinos para el medio ambiente.
- Disminución de la dependencia energética del petróleo.
Desventajas:
- Mayor peso que un vehículo convencional y menor espacio disponible.
- Mayor complejidad tecnológica, revisiones y reparaciones más dificultosas.
- Inversión inicial mayor en la compra del vehículo.
Clasificación de los vehículos híbridos
Según las configuraciones para el funcionamiento:
- En serie: las acciones realizadas siempre por un motor eléctrico alimentado por batería. Cuando esta se aproxima al límite de su autonomía, arranca el motor térmico que mueve un generador eléctrico para alimentar al vehículo.
- En paralelo: tanto el motor eléctrico como el térmico pueden mover las ruedas, alternativamente o simultáneamente. La intervención de ambos motores puede ser a elección del conductor o controlada automáticamente por el sistema.
- Serie-Paralelo: combina las dos modalidades.
Según cómo se recargan:
- Regulares: las baterías solo se recargan durante el funcionamiento del vehículo.
- Enchufables: también pueden recargarse conectándolos a la red eléctrica.
Seguridad en el trabajo
Por convenio entre todos los fabricantes, los cables de alta tensión en vehículos híbridos y eléctricos son de color naranja.
Siempre que se manipulen partes del vehículo en las que haya alta tensión se hará con guantes de protección específicos.
El trabajo en alta tensión solamente está permitido al personal autorizado con la formación requerida para ello. El vehículo se ubicará en una zona delimitada y señalizada con los correspondientes avisos y advertencias de seguridad.
Antes de manipular cualquier componente de alta tensión se efectuará un corte de alta tensión según el sistema que equipa al vehículo. El conector de servicio debe extraerse con guantes de seguridad eléctrica. Pasados unos minutos (descarga de condensadores) podrá manipularse la instalación. El conector de servicio debe guardarse en un lugar seguro para evitar usos indebidos.
Otros fabricantes utilizan distintos sistemas de corte de alta tensión.