Guía sobre cómo el GigaFuse ayuda a maximizar la seguridad en los sistemas avanzados de baterías

Guía sobre cómo el GigaFuse ayuda a maximizar la seguridad en los sistemas avanzados de baterías

En esta guía, exploraremos cómo el GigaFuse de Sensata ayuda a maximizar la seguridad en los sistemas avanzados de baterías. Esta es una solución de protección de circuitos rápida y precisa para sistemas de baterías avanzados en caso de cortocircuito y sobreintensidad.

 

1. Introducción

En los sistemas de baterías avanzados, la calidad de la electrónica de potencia ayuda a determinar la calidad del producto final, su nivel de funcionalidad y su confiabilidad. Esto se hace aún más evidente en los sistemas más recientes de carga y gestión de energía de baterías que utilizan semiconductores de banda ancha (wide-bandgap) y topologías de potencia mejoradas. En este tipo de electrónica avanzada, si los sistemas de seguridad no funcionan de manera rápida y fiable, todo el sistema de baterías puede sufrir un fallo catastrófico que podría afectar seriamente tanto al producto como al usuario.

Puede consultar el documento original de este artículo desde la web de Sensata.

1.1. La demanda de Sistemas de Almacenamiento de Energía Mejorados

Casi todos los sectores de aplicaciones avanzadas que se encuentran actualmente en desarrollo requieren sistemas de baterías de próxima generación. Los sistemas de energía a nivel de redes inteligentes (smart grids) necesitan mayor almacenamiento de energía tanto como los vehículos eléctricos (EV) avanzados, y esas necesidades están literalmente conectadas (Figura 1). Cada sector tiene sus propios requisitos, pero la necesidad central de un almacenamiento de energía seguro, confiable y económico es fundamental.

Figura 1. Los sistemas energéticos avanzados requieren soluciones avanzadas de almacenamiento de energía.

En sectores de aplicaciones críticas para la vida, como la seguridad automotriz, la importancia de los subsistemas a prueba de fallos (fail-safe) es primordial. El sistema de baterías en un vehículo eléctrico es similar al tanque de gasolina en un vehículo de combustión, en el sentido de que la energía almacenada debe ser segura. Una batería moderna contiene una gran cantidad de energía, y una falla catastrófica puede derivar en un embalamiento térmico (incendio). La creciente publicidad que reciben los incendios de vehículos eléctricos ha atraído más atención sobre este peligro, razón por la cual las preocupaciones de seguridad deben abordarse para evitar un impacto negativo en la adopción de estos vehículos por parte del público.

Las mayores densidades de celda en los sistemas de baterías avanzados exigen protocolos y dispositivos de seguridad adecuados, ya que los niveles de potencia involucrados representan un desafío significativo en lo que respecta a la gestión de cortocircuitos. Para crear un sistema robusto y seguro que ayude a garantizar la confiabilidad a lo largo de la vida útil de un vehículo, los fabricantes deben integrar componentes de alto rendimiento en sus diseños.

2. Rol de los Fusibles y Contactores

Los fusibles, o dispositivos similares, son componentes de protección de circuitos obligatorios que protegen el sistema en caso de un cortocircuito al interrumpir la línea bajo condiciones específicas. Existen muchos tipos de fusibles, pero el elemento principal en cada uno es una pieza de conductor diseñado —generalmente metal— calibrado para fallar (fundirse) de manera controlada ante el aumento de temperatura en la línea provocado por un cortocircuito. Este método de protección destructivo garantiza la seguridad del circuito al cortar completamente la fuente de alimentación.

Sin embargo, esta respuesta por fundición tiene algunos inconvenientes; el más notable es que un circuito de potencia bajo carga no tendrá necesariamente un flujo de corriente constante. En diseños que requieren pulsos de alta potencia, el amplio rango operativo de corriente obliga al uso de un fusible de mayor amperaje para evitar disparos accidentales (nuisance tripping), lo que deja al sistema más vulnerable al sobrecalentamiento y a problemas térmicos. Eso, sumado al aspecto no reversible de los fusibles, ha llevado al uso cada vez mayor de dispositivos de seguridad electromecánicos como los disyuntores (interruptores automáticos), que pueden restablecerse ya que no dependen de elementos destructivos para funcionar.

Un contactor es otro tipo de dispositivo de protección electromecánico, pero se diferencia de un disyuntor en que no está destinado a interrumpir un cortocircuito. Diseñados para conectarse directamente a cargas de alta corriente, los contactores son dispositivos de conmutación de alta potencia operados por un control externo. Se prefieren los contactores de potencia en situaciones exigentes donde se necesita el restablecimiento del circuito y existen niveles de corriente elevados. Aunque su funcionamiento es similar al de los relés, los contactores difieren en su robustez y en las funciones disponibles para controlar y suprimir los arcos eléctricos creados durante la conmutación.

En lo que respecta a los sistemas de baterías, los contactores de alto voltaje proporcionan una continuidad segura del circuito en vehículos híbridos y eléctricos, así como en sistemas de carga y aplicaciones industriales de alta potencia. Estos tipos de contactores pueden conectar y reconectar el circuito de forma rápida y segura, gestionando el arco eléctrico y las situaciones de corriente de irrupción (inrush current). Por ejemplo, en los vehículos eléctricos, los contactores normalmente abiertos unen de forma segura el paquete de baterías al sistema, desconectándolo cuando el vehículo no está en uso.

3. Una Solución más Rápida y Precisa

Existe una variedad de soluciones de protección de circuitos que pueden abrir un circuito con mayor rapidez que un fusible y hacerlo en condiciones más cercanas a la operación normal sin disparos accidentales. Esto resulta en un menor potencial de daños en comparación con el uso de un fusible térmico. Una de estas soluciones es el GigaFuse de la marca GIGAVAC de Sensata Technologies (Figura 2), el cual es un dispositivo electromecánico de acción rápida y sellado herméticamente. Posee una baja generación de calor que permite disparos de circuito a corrientes exactas y cuenta con un diseño que reduce significativamente la resistencia, elimina el envejecimiento térmico y aumenta la eficiencia del sistema.

Figura 2. El GigaFuse de GIGAVAC es un dispositivo de acción rápida que desconecta los circuitos a corrientes exactas y especificadas.

Disponible tanto en versiones pasivas como en combinaciones pasivas/activas, este dispositivo utiliza el campo magnético de la corriente —la fuerza de Lorentz— para activar la apertura del dispositivo. La Figura 3 muestra un ejemplo de cómo funciona el GigaFuse, donde la línea azul representa el umbral de disparo, demostrando que el dispositivo puede abrir el circuito más rápido que un fusible y de forma más ajustada a las condiciones de operación deseadas. La trayectoria del umbral de disparo puede ajustarse según la construcción del dispositivo de desconexión.

Debido a que el GigaFuse genera poco calor durante su funcionamiento, es inmune al envejecimiento térmico y a los disparos accidentales relacionados causados por los ciclos de calor/frío en el circuito. Con el tiempo, dichos ciclos de temperatura harían que el metal conductor de los fusibles se volviera quebradizo, reduciendo su vida operativa al comprometer la integridad física de la conexión. El GigaFuse tiene tiempos de interrupción rápidos y constantes independientemente de la temperatura ambiente. Estas características permiten al usuario final diseñar un circuito seguro y, al mismo tiempo, reducir los requisitos de rendimiento del contactor.

Figura 3. Este diagrama muestra cómo funcionan las soluciones de protección de circuitos, como el GigaFuse de GIGAVAC, donde la línea azul representa el umbral de activación, lo que demuestra que el dispositivo puede abrir el circuito más rápido que un fusible y más cerca de las condiciones de funcionamiento deseadas.

El GigaFuse también puede mejorar el rendimiento del contactor en el circuito. Un contactor mal emparejado con un fusible puede, de hecho, impedir que el fusible cumpla su función. A medida que el contactor experimenta levitación (separación de contactos por fuerzas electromagnéticas), comienza a disipar parte de la energía que debería estar disponible para activar el fusible, cargando en su lugar la corriente sobre el propio contactor. Un contactor sobrecargado puede evitar que el fusible “detecte” el cortocircuito, lo que puede resultar en una falla catastrófica.

Por ejemplo, en una situación con un contactor de 500 amperios y un fusible de 500 amperios, a 1000 amperios el fusible tardaría segundos en dispararse; en cambio, un GigaFuse puede configurarse a 1000 amperios y dispararse en 3 milisegundos. Con los fusibles térmicos existe una “zona gris” donde los niveles de corriente pueden superar la capacidad del contactor para interrumpir la carga sin llegar aún al punto térmico necesario para que el fusible se active. Este intervalo de tiempo —en el que se excede la capacidad de corte del contactor antes de que el fusible térmico pueda activarse— se elimina con el GigaFuse.

Los beneficios adicionales del GigaFuse incluyen una resistencia de contacto muy baja (menos de 0.15 mΩ), lo que se traduce en menores pérdidas de energía y una mayor eficiencia del sistema eléctrico.

3.1 Especificaciones Técnicas

• Seguridad Funcional: Tecnología pasiva con mecanismo de liberación electromecánico.
• Desconexión Rápida: Tiempo de interrupción (clear time) <3 ms, independiente del nivel de corriente.
• Coordinación de Protección del Sistema: Corriente de disparo ajustable para facilitar el emparejamiento con contactores de alto voltaje (HV).
• Control Activo Opcional: Para brindar a los diseñadores la flexibilidad de usar métodos de protección activos o pasivos.
• Capacidad de Interrupción: Hasta 10 MW.
• Corriente Continua: Soporta hasta 400 A (utilizando barras colectoras o busbars de 4/0); consulte con ingeniería para corrientes superiores.

4. Hacia el Futuro

La capacidad de los dispositivos de protección eléctrica como el GigaFuse para abordar la seguridad de los circuitos en sistemas de alta potencia no se limita únicamente a las baterías avanzadas. Una multitud de aplicaciones, desde el control de movimiento hasta la generación de energía alternativa, pueden beneficiarse de la eficiencia, el rendimiento térmico y la velocidad de un componente de este tipo. Este tipo de dispositivo electromecánico de acción rápida y sellado herméticamente es especialmente beneficioso en situaciones donde el envejecimiento térmico o los disparos accidentales resultan problemáticos. El GigaFuse de GIGAVAC también es ideal para la coordinación de contactores y la protección bajo condiciones de cortocircuito.