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Panel de Ensayos de Cortocircuitos en un Sistema

42V PowerNet

AUTOR: Martina Vilar JorbaDIRECTOR: Javier Maixé Altés

FECHA: Noviembre / 2003

Panel de Ensayos de Cortocircuitos en un Sistema 42V PowerNet

Escola Tècnica Superior d’Enginyeria i

1. ESTADO DEL ARTE

1.1 ANTECEDENTES Y DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA .......................1

1.2 MOTIVOS DEL USO DE LA 42V POWERNET .......................................2

1.3 EXPLICACIÓN DE LA ARQUITECTURA DUAL VOLTAGE .............3

1.3.1 Ventajas y Retos de la Dual Voltage Architecture .............................5

1.4 OBJETIVOS DEL PROYECTO ................................................................9

2. ELEMENTOS DE PROTECCIÓN

2.1 DISPOSITIVOS PPTC ..............................................................................11

2.2 FUSIBLES CONVENCIONALES ...........................................................11

2.3 EL SMART POWER SWITCH ...............................................................11

2.3.1 Características Generales del Smart Power Switch..........................12

2.3.2 Función de Protección del Smart Power Switch .............................14

2.3.3 Desconexión de una Carga Inductiva ..............................................16

2.3.4 Voltaje de Funcionamiento Seguro (Voltage Rating) ......................16

2.3.5 Máxima Corriente Interrumpible....................................................16

2.3.6 Característica de Desconexión .........................................................16

2.3.7 Función de Desconexión Controlada ..............................................17

2.3.8 Características Técnicas de los BTS de Infineon .............................17

2.3.9 El BTS 660 P y el BTS 640 S2 .........................................................18

2.4 COMPARACIÓN DE LOS BTS CON LOS OTROS

DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN ........................................................19

2.4.1 Capacidad de Reutilización ..............................................................20

2.4.2 Modos de Fallo................................................................................20

2.4.3 Máxima Inductancia de Carga .......................................................21

2.4.4 Corrientes de Post-Desconexión ......................................................21

2.4.5 Disipación de Potencia en Modo Normal de Operación .................21

2.4.6 Protección de los Cables .................................................................24

2.4.7 Conexión en Paralelo de los Dispositivos de Protección .................25

2.5 COORDINACIÓN DE LA PROTECCIÓN..............................................26

2.6 COORDINACIÓN DE LAS CURVAS I-t ...............................................28


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3. DISEÑO DE LA PLACA Y LOS EXPERIMENTOS

3.1 CIRCUITO PROPUESTO ........................................................................29

3.2 EXPRIMENTOS A REALIZAR ...............................................................29

3.3 CIRCUITERÍA AUXILIAR NECESARIA ..............................................30

3.3.1 Cortocircuito 14V – GND ................................................................30

3.3.2 Cortocircuito 42V – GND ................................................................35

3.3.3 Cortocircuito 14V – 42 V .................................................................42

3.4 CIRCUITO FINAL ....................................................................................45

4. EXPERIMENTOS REALIZADOS

4.1 DESCRIPCIÓN DE LOS EXPERIMENTOS ..........................................47

4.2 ENSAYOS DE CORTOCIRCUITOS 14V – GND ..................................48

4.2.1 Observaciones del Ensayo 14V – GND.............................................53

4.3 ENSAYOS DE CORTOCIRCUITOS 42V – GND ...................................54

4.3.1 Observaciones del Ensayo 42V – GND.............................................56

4.4 ENSAYOS DE CORTOCIRCUITOS 14V – 42V .....................................57

4.4.1 Observaciones del Ensayo 14V – 42V ..............................................59

5. VERIFICACIÓN DE LA ROBUSTEZ

5.1 ¿POR QUÉ ES IMPORTANTE LA TEMPERATURA? .........................61

5.2 DEFINICIÓN DEL ENSAYO....................................................................62

5.3 ENSAYO EN CÁMARA CLIMÁTICA ....................................................63

5.3.1 Cortocircuitos a 65º C.......................................................................63




5.4 OBSERVACIONES DEL ENSAYO EN CÁMARA CLIMÁTICA .........69

5.5 ENSAYO DEL BTS SIN PROTECCIONES.............................................69

6. PLANOS

6.1 ESQUEMA DE PLACAS DE SC 1 Y 2 .....................................................73

6.2 DISTRIBUCIÓN DE COMPONENTES EN LAS PLACAS DE

SC 1 Y 2 ......................................................................................................74


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6.3 TRAZADO DE PISTAS EN LA CARA INFERIOR DE LAS

PLACAS DE SC 1 Y 2 ...............................................................................75

7. PRESUPUESTO

7.1 CUADRO DE PRECIOS............................................................................77

7.1.1 Material ............................................................................................77

7.1.2 Montaje ............................................................................................77

7.2 CANTIDADES ...........................................................................................77

7.2.1 Material ............................................................................................77

7.2.2 Montaje ............................................................................................78

7.3 APLICACIONES DE PRECIOS ...............................................................78

7.3.1 Material ............................................................................................78

7.3.2 Montaje ............................................................................................78

7.4 RESUMEN DEL PRESUPUESTO ............................................................79

7.4.1 Precio de Ejecución Material ...........................................................79

7.4.2 Presupuesto de Ejecución por Contrato ...........................................79

7.4.3 Precio de Licitación..........................................................................80

8. CONCLUSIONES

8.1 CORTOCIRCUITOS 14V-GND................................................................81

8.2 CORTOCIRCUITOS 42V-GND................................................................82

8.3 CORTOCIRCUITOS 14V-42V .................................................................82

REFERENCIAS Y BILIOGRAFÍA............................................................................83

ANEXO A: DATOS DEL ENSAYO DE CORTOCIRCUITOS ................................87

A.1 DATOS DEL ENSAYO DE CORTOCIRCUITOS 14 V–GND .................88

A.2 DATOS DEL ENSAYO DE CORTOCIRCUITOS 42 V–GND .................89

A.3 DATOS DEL ENSAYO DE CORTOCIRCUITOS 14V–42 V ...................90


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ANEXO B: GRÁFICAS ENSAYO CORTOCIRCUITOS .......................................91

B.1 GRÁFICAS ENSAYO CORTOCIRCUITOS 14V-GND ...........................92

B.2 GRÁFICAS ENSAYO CORTOCIRCUITOS 42V-GND ...........................98

B.3 GRÁFICAS ENSAYO CORTOCIRCUITOS 14V-42V ..........................102

ANEXO C: DATOS ENSAYO CÁMARA CLIMÁTICA .......................................107

C.1 DATOS OBTENIDOS DEL ENSAYO EN CÁMARA

CLIMÁTICA A 65º C .................................................................................108


CLIMÁTICA A 70º C .................................................................................110


CLIMÁTICA A 75º C .................................................................................110


CLIMÁTICA A 80º C .................................................................................110

ANEXO D: GRÁFICA S ENSAYOS CORTOCIRCUITOS EN

CÁMARA CLIMÁTICA.................................................................111

D.1 GRÁFICAS ENSAYOS CORTOCIRCUITOS 65º C...............................112





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Índice de Figuras

Figura 1.1 Niveles de tensión del sistema 42V PowerNet y especificaciones

para los semiconductores en este sistema ............................................ 2

Figura 1.2 Arquitectura Dual Voltage con alternador de 42V, batería de

36V y convertidor DC/DC 42V/14V................................................... 3

Figura 1.3 Arquitectura Dual Voltage con alternador de 42V, convertidor

42V/14V y dos baterías ...................................................................... 4

Figura 1.4 Arquitectura Dual Voltage de doble salida y dos baterías.................... 5

Figura 1.5 Distribución del calibre de los cables en función del sistema de

voltaje [10] ......................................................................................... 6

Figura 1.6 Comparación de interruptores de potencia de 14V y 42V a

280W [5] ............................................................................................ 7

Figura 1.7 Motivos de aparición y soluciones propuestas para los arcos

eléctricos [5]....................................................................................... 7

Figura 1.8 Puntos de aparición de cortocircuitos en un sistema Dual

Voltage[5] .......................................................................................... 8

Figura 2.1 Diagrama de bloques del BTS 660 P de Infineon [22]....................... 12

Figura 2.2 Característica I-V del BTS 660 P [3] ................................................ 12

Figura 2.3 Característica del BTS 660 P en función de la temperatura [3].......... 14

Figura 2.4 Tiempo de desconexión del BTS 410 E2 [9]..................................... 14

Figura 2.5 Característica de desconexión del BTS 650 P [3] .............................. 17

Figura 2.6 Tabla con las características de los Sense Profet de Infineon[24] ...... 18

Figura 2.7 Tabla de Infineon con las características de los High Current

Profet[24] ......................................................................................... 18

Figura 2.8 Disipación de potencia de los fusibles en función de la corriente

nominal [3]....................................................................................... 22

Figura 2.9 Disipación de potencia del BTS 640 S2 de Infineon en función

de la corriente mínima de fusión [3] ................................................. 23

Figura 2.10 Comparación de la disipación de potencia de los SPS de

Infineon y los fusibles convencionales en función de la corriente

mínima de fusión [3] ........................................................................ 23


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Figura 2.11 Comparación experimental de la disipación de potencia de los

PPTC antes y después de una desconexión[3] ................................... 24

Figura 2.12 Efecto del cambio de la resistencia térmica del BTS 550 P en su

característica I-V [9]......................................................................... 25

Figura 2.13 Estructura de árbol de los sistemas de protección coordinados[3] ..... 26

Figura 2.14 Coordinación de la protección de dos cargas con diferente

criticalidad [3] .................................................................................. 28

Figura 3.1 Circuito propuesto para la realización de los experimentos ............... 29

Figura 3.2 Modelo usado para simular los cortocircuitos 14V-GND.................. 30

Figura 3.3 Corriente en la batería y tensión en la carga durante un

cortocircuito 14V-GND.................................................................... 31

Figura 3.4 Tensiones antes y después del BTS durante un cortocircuito

14V-GND......................................................................................... 32

Figura 3.5 Circuito del ensayo 14V-GND con el diodo de protección................ 33

Figura 3.6 Resultado de la simulación 14V-GND con el diodo de

protección......................................................................................... 33

Figura 3.7 Circuito del ensayo 14V-GND con diodo y supresores de

tensión.............................................................................................. 34

Figura 3.8 Resultado de la simulación 14V-GND con diodo y supresores.......... 34

Figura 3.9 Modelo usado para simular los cortocircuitos 42V-GND.................. 35

Figura 3.10 Corriente en la batería y tensión en la carga durante un

cortocircuito 42V-GND.................................................................... 36

Figura 3.11 Tensiones antes y después del BTS en un cortocircuito 42V-

GND ................................................................................................ 37

Figura 3.12 Circuito del ensayo 42V-GND con diodo de protección.................... 37

Figura 3.13 Resultado de la simulación 42V-GND con el diodo de

protección......................................................................................... 38

Figura 3.14 Circuito del ensayo 42V-GND con diodo y supresores ..................... 39

Figura 3.15 Resultado de la simulación 42V-GND con diodo y supresores.......... 39

Figura 3.16 Resultados de la prueba de cortocircuito 42V-GND.......................... 40


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Figura 3.17 Estado de la placa después de que el BTS quede cortocircuitado

internamente..................................................................................... 41

Figura 3.18 BTS 660 P destruido......................................................................... 41

Figura 3.19 Modelo usado para simular los cortocircuitos 14V-42V.................... 42

Figura 3.20 Tensiones en las cargas durante un cortocircuito 14V-42V ............... 43

Figura 3.21 Corrientes en las baterías durante un cortocircuito 14V-42V............. 43

Figura 3.22 BTS 640 S destruido......................................................................... 44

Figura 3.23 Circuito final .................................................................................... 45

Figura 4.1 Esquema de la placa diseñada para los ensayos................................. 47

Figura 4.2 Esquema utilizado para realizar cortocircuitos 14V-GND................. 48

Figura 4.3 Intentos de reconexión del BTS 640 en un cortocircuito 14V-

GND ............................................................................................... 49

Figura 4.4 Comportamiento del BTS 640 durante un cortocircuito 14V-

GND ............................................................................................... 49

Figura 4.5 Zoom in de la Figura 4.3 .................................................................. 50

Figura 4.6 Zoom in de la Figura 4.4 .................................................................. 51

Figura 4.7 Comportamiento del BTS 640 en los primeros instantes del

cortocircuito .................................................................................... 51

Figura 4.8 Zoom out de la Figura 4.7 ................................................................ 52

Figura 4.9 Tensión en el bus de 14 V y corriente en la batería .......................... 53

Figura 4.10 Esquema utilizado para realizar cortocircuitos 42V-GND................. 54

Figura 4.11 Tensiones en el bus y después del fusible en un cortocircuito

42V-GND......................................................................................... 54

Figura 4.12 Tensión y corriente en la batería de 42 V.......................................... 55

Figura 4.13 Tensión y corriente en la batería de 42 V.......................................... 56

Figura 4.14 Esquema utilizado para realizar cortocircuitos 14V-42V................... 57

Figura 4.15 Corrientes de ambas baterías en un cortocircuito 14V-42V............... 58

Figura 4.16 Tensiones en ambas cargas en un cortocircuito 14V-42V.................. 58

Figura 4.17 Tensiones en baterías y buses en un cortocircuito 14V-42V.............. 59


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Figura 5.1 Curvas de reducción térmica de la capacidad normal para tres

tipos de dispositivos [3] .................................................................... 62

Figura 5.2 Esquema utilizado para realizar cortocircuitos en cámara

climática .......................................................................................... 62

Figura 5.3 Tensiones antes y después del BTS a 65º C ...................................... 63

Figura 5.4 Tensión y corriente de la batería a 65º C .......................................... 64

Figura 5.5 Tensiones antes y después del BTS a 75º C ..................................... 65






Figura 5.11 Cortocircuito sin protecciones .......................................................... 70

Figura 5.12 Cortocircuito sin protecciones .......................................................... 70

Figura 5.13 Destrucción del BTS 660 P .............................................................. 71

Figura 5.14 Destrucción del BTS 660 P .............................................................. 72

Figura 5.15 Ensayo en cámara climática ............................................................. 72


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Nomenclatura

Imfc Mínima corriente de fusión. Menor corriente necesaria para que eldispositivo empiece la desconexión.

Ip Corriente Prospectiva (Prospective Current).Ilimit Límite de corriente de la fuente de alimentación limitada por corriente.Itrip Mayor valor de Imfc.Ihold Menor valor de Imfc.Inom Corriente nominal.Iload Corriente suministrada a la carga o a un grupo de cargas en condiciones

normales.Rth Resistencia térmica del SPS.R0 Resistencia nominal de un dispositivo de protección a temperatura ambiente.Tamb Temperatura ambiente.Tjmax Máxima temperatura de la unión de silicio del SPS. Cuando se alcanza esta

temperatura la desconexión se inicia.Tj Temperatura de la unión de silicio.VS Voltaje de la fuente.VDS Caída de tensión entre drenador y surtidor de un SPS.Vcl Voltaje al que el SPS empieza a conducir para protegerse a si mismo de un

sobrevoltaje.Vmax Tensión de operación máxima permitida para un dispositivo de protección.Tmelt Temperatura de “melting” o fundido.


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1. ESTADO DEL ARTE

1.1 ANTECEDENTES Y DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA

Hasta la década de los 50 los automóviles funcionaban con una batería de 6 V. Enese momento, debido al incremento de demanda eléctrica de los vehículos, los fabricantesdecidieron cambiar a 12 V.

Actualmente, los automóviles operan con un sistema de 12 V que, hasta hace poco,no presentaba inconvenientes. Sin embargo, la tendencia de los fabricantes de automóvileses instalar en los vehículos accesorios que incrementen el nivel de seguridad y confort paralos usuarios. Se pretende instalar, por ejemplo, múltiples computadoras, potentes equiposde sonido y lujos como asientos climatizados, volantes térmicos, displays y sistemas denavegación. Todos estos equipos representan una enorme carga para el sistema eléctricodel automóvil que no puede ser asumido con el sistema actual a 12 V. Debido alincremento de la demanda de potencia, los fabricantes de automóviles han llegado a laconclusión que el sistema actual a 12 V deberá ser sustituido para conseguir cubrir lasdemandas energéticas en el futuro.

Esta necesidad de un nuevo sistema de distribución eléctrica (EDS) es visible en elcreciente tamaño de los alternadores y las baterías. Algunos coches de lujo tienen dosalternadores y dos baterías para satisfacer las demandas de potencia.

Así pues, el “Vehicle Electrical System Architecture Forum” en conjunción con el“MIT Industry Consortium” han propuesto la nueva fuente de voltaje.

En un futuro no muy lejano, los automóviles dispondrán de un sistema eléctrico quefuncionará a 42 V. Este nuevo sistema eléctrico se llama 42V PowerNet.

El cambio de 6 a 12 V llevado a cabo en los años 50 no presentaba tantosinconvenientes tecnológicos como el que se plantea ahora. La transición al nuevo sistemade 42 V no es fácil desde el punto de vista técnico y, por tanto, tampoco lo es desde elpunto de vista económico. Para realizar la transición con éxito se pasará por una etapa en lacual habrá un sistema híbrido 12V-42V de voltaje dual. Ésta es la llamada Dual VoltageArchitecture.

Uno de los puntos clave en el desarrollo de este nuevo sistema es la función deprotección. En la actualidad el sistema de distribución eléctrica se protege con fusibles uotros tipos de dispositivos de protección. Y en este punto se plantea el primer problema.Los fusibles de automoción de la actualidad no pueden trabajar a 42 V. Los fabricantes defusibles también se están adaptando a la nueva tensión de trabajo pero, mientras tanto, sehan desarrollado nuevas tecnologías más avanzadas que tienen la capacidad de sustituir alos fusibles convencionales.

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1.2 MOTIVOS DEL USO DE LA 42V POWER NET

Se han escogido los 42 V como fuente de alimentación por diversas razones:

Los 42 V serán capaces de suministrar la corriente necesaria para operar todos lossistemas que llevarán los automóviles sin necesidad de instalar cables de una sección muygrande. Estos grandes cables presentarían inconvenientes de peso e instalación. Así pues,la primera razón para el incremento de voltaje a 42 V es la necesidad de potencias mayoresy la inviabilidad de aumentar las corrientes.

Uno de los motivos por los cuales se evita aumentar las corrientes es una razónpuramente económica. Las corrientes altas requieren mayor área y siguiendo la fórmula“área de chip = coste” que se aplica en la industria de los semiconductores, se desprendeque reduciendo la corriente se pueden ofrecer mayores prestaciones a menor precio.

Al reducirse las corrientes en un factor de 3 a causa del mayor voltaje, se puedenreducir los semiconductores de potencia 20% del tamaño de chip original. Además, loscables pueden ser 6 Kg más ligeros en el peor de los casos. Se incrementasignificativamente la eficiencia en generación, distribución y conmutación de la potenciaeléctrica. En cuanto al generador, sería posible incrementar el nivel de eficiencia del 40 %actual a, quizás, el 85% [5].

Otro de los desafíos a que se enfrenta la industria del automóvil es la necesidad deuna reducción significativa del consumo de combustible. Es necesario tanto desde el puntode vista económico como ecológico. El consumo de combustible adicional para lageneración de potencia eléctrica necesaria en un coche actual (media) es de 1’5 l/100 Km.El reto es reducir este consumo en vista de que se van introduciendo nuevos componentesaccionados eléctricamente [4]. El hecho de reducir el peso de los cables también repercuteen un ahorro de combustible.

Figura 1.1 Niveles de tensión del sistema 42V PowerNet y especificaciones para lossemiconductores en este sistema

También se pretende sustituir la mayor parte de sistemas mecánicos e hidráulicospor sistemas eléctricos, lo cual representará un aumento en flexibilidad, confianza en el

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desarrollo y facilidad de montaje, con un ahorro simultáneo de combustible. Éstos sistemassólo consumen combustible cuando son usados. Representan una ventaja ya que pueden sercontrolados y regulados, pueden ser “inteligentes” usando el enorme potencial de lamicroelectrónica. Esto reduce mucho el tiempo de desarrollo ya que permite cambiosmodificando únicamente el software [4].

La elección de esta tensión de alimentación no ha sido arbitraria. Los límites deseguridad por las personas recomendados por el Global Standard Setting Bodies establecenuna máxima tensión en continua en el automóvil, incluidos sobrepicos transitorios, de 60V. En la Figura 1.1 se pueden observar las características de tensión de este sistema 42VPowerNet.

1.3 EXPLICACIÓN DE LA ARQUITECTURA DUAL VOLTAGE

No podemos perder de vista que el Dual Voltage Architucture no es un sistemaválido por sí mismo. Es decir, no es una solución para conseguir satisfacer las demandas depotencia eléctrica. Es un sistema de transición necesario para poder llevar la automocióndel futuro al sistema definitivo de 42 V.

La Dual Voltage Architecture se basa en la coexistencia de 2 redes de alimentaciónen un mismo automóvil. Así pues, habrá una parte del vehículo alimentada a 14 V y la otraparte a 42 V. Existen varias posibilidades para la implementación de esta arquitectura dual.A continuación se detallarán las más interesantes.

- Alternador de 42V, batería de 36V y convertidor DC/DC 42V/14V:

El esquema básico de esta arquitectura aparece en la Figura 1.2:

Figura 1.2 Arquitectura Dual Voltage con alternador de 42V, batería de 36V y convertidorDC/DC 42V/14V

Al no disponer de una batería de 12V aparecen los siguientes requerimientos para elsistema:

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- El convertidor debe implementarse mediante convertidores redundantes pormotivos de seguridad. De otra manera un fallo en el convertidor podría dejar elbus de 14V sin alimentación.

- Los convertidores de alta potencia disminuyen su eficiencia cuando trabajan abajas corrientes. Por tanto, es necesario añadir un convertidor DC/DC de bajascorrientes para proporcionar las corrientes de modo de espera (stand-bycurrents) al bus de 14V para evitar la descarga de la batería de 36 V.

- El convertidor debería ser capaz de suministrar corrientes tanto continuas comopulsantes lo que aumenta el coste de dicho convertidor.

- Alternador de 42V, convertidor DC/DC 42V/14V y baterías de 36V y 12V.

El esquema básico puede verse en la Figura 1.3:

Figura 1.3 Arquitectura Dual Voltage con alternador de 42V, convertidor 42V/14Vy dos baterías

- Las cargas que requieren alimentación aunque el vehículo esté apagado sonaisladas de la batería de puesta en marcha (36V) y se conectan a la de 12V demanera que se reduce la posibilidad de sufrir una descarga.

- Si el convertidor es bidireccional se puede traspasar energía de la batería de12V a la de 36V. De esta manera se puede realizar una carga superficial de labatería de puesta en marcha en caso de que ésta no disponga de suficienteenergía.

- Al haber dos baterías, éstas pueden suministrar los picos de corriente quedemanden sus respectivas cargas. De esta manera se rebaja el coste delconvertidor respecto a la anterior arquitectura.

- La principal desventaja es el peso añadido por la segunda batería lo cualrepercute en el consumo de combustible. También hay que tener en cuenta elcoste de esta segunda batería.

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- Alternador de 2 salidas (14V y 42V) y baterías de 12V y 36V

En esta topología se dispone de un alternador de doble estátor que suministra ambastensiones de 14V y 42V a sendos buses y baterías.

El esquema básico puede verse en la Figura 1.4:

Figura 1.4 Arquitectura Dual Voltage de doble salida y dos baterías

El principal inconveniente de esta arquitectura es la dificultad que presenta elcontrol de las tensiones del alternador. Una posibilidad es utilizar control por flujo estándarpara regular la tensión del bus de 42V, y un rectificador controlado para la tensión del busde 14V.

Es muy importante, como explicaremos más adelante, el control de posibles fallosya que se tendrán tensiones mucho mayores a las actuales. Se debe tener especial cuidadocon los cortocircuitos entre las dos redes que son el tema principal de este proyecto. Lagestión y el control de las cargas se realizará a través de uno o varios controladores que, asu vez, avisarán al usuario cuando se produzca un fallo.

1.3.1 Ventajas y Retos de la Dual Voltage Architecture

Ventajas del sistema dual de voltaje

- Permite la implementación de funcionalidades que no se pueden lograr únicamente con lafuente de 14 V.

- Mantiene los 14 V para los componentes que operan mejor a bajas tensiones.

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- Permite que el trabajo de rediseñar todo el sistema de los automóviles se haga de maneraescalada. Es decir, no hay que hacer todo el esfuerzo de golpe sino que la transformaciónes progresiva.

- Los fabricantes de componentes no deben adaptar toda su producción a los 42 V degolpe. Éstos fabricantes también sufrirán el cambio de manera progresiva[10].

- Reducción del cableado. Al incrementarse el voltaje en un factor de 3, de 14 V a 42 V, enprincipio la resistencia de los cables puede incrementarse en un factor de 9 siempre ycuando exista la misma disipación de potencia para iguales longitudes de cable. Esteincremento de resistencia implica una reducción de la sección de los cables con lo que sereduce mucho el peso de los mismos. A consecuencia de esto se produce un ahorro decombustible y, por tanto, menor emisión de contaminantes. Pero además se consigue que eldiseño sea menos restrictivo ya que no hará falta tanto espacio para ubicar los cablesdentro del vehículo. La reducción del cableado puede verse esquematizada en la Figura1.5.

Figura 1.5 Distribución del calibre de los cables en función del sistema de voltaje[10]

- Un estudio ha demostrado que no hace falta protección contra contactos accidentales,factor que hubiera aumentado mucho los costes [4].

- En el nuevo sistema un dispositivo central de protección asegura que bajo ningunacircunstancia habrá picos de más de 58 V. Esto reduce los requerimientos de loscomponentes. En vehículos con 14V/42V dual voltaje EDS, el sistema de 14 V se vetambién beneficiado[4].

- Por tanto, se neutraliza la interferencia más molesta en el sistema eléctrico de losvehículos: el pulso “load dump”. Se define como un pico de 200 V para vehículos conalimentación a 28 V. En un sistema de 42 V, extrapolando los datos, aparecería un pico de300 V lo que haría prácticamente imposible el uso de electrónica y microelectrónica.

- Como se ha mencionado, las corrientes menores hacen posible reducir el tamaño de lossemiconductores empleados y por lo tanto su coste. Pero no sólo se reduce el coste por el

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silicio, los packages también serán menores y, las placas también verán reducido sutamaño.

En la Figura 1.6 podemos ver una comparación entre la conmutación de una cargaoperativa a 280 W. A 14 V, esta función puede ser hecha con un switch de 2,9mO en unpackage TO. En cambio, un D-PAk con 18 mO es suficiente a 42 V y con menosdisipación de potencia. La menor área de chip con un package menor, más la disipación depotencia reducida implican naturalmente beneficios de coste en este ejemplo.

Figura 1.6 Comparación de interruptores de potencia de 14V y 42V a 280W [5]

Inconvenientes del sistema dual de voltaje

· Los arcos eléctricos son un gran problema ya que conllevan riesgo de incendio. Esteproblema es mayor en el bus de 42V que en el bus de 14V.

Figura 1.7 Motivos de aparición y soluciones propuestas para los arcos eléctricos [5]

Los arcos eléctricos ocurren cuando la corriente está circulando y se realiza elcambio de un fusible, o se rompe un cable, o se abre/cierra un interruptor, u ocurre uncortocircuito [5]. Los relés e interruptores no presentan un problema pues se puedenencapsular y equipar con un extintor magnético de arcos eléctricos [6]. Las solucionespropuestas por [5], que se pueden observar en la Figura 1.7, están basadas en el sensado dela corriente, para detectar el arco eléctrico, y la desactivación del circuito involucrado.

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· La posibilidad de cortocircuitos entre las 2 redes de alimentación en vehículos con DualVoltage Architecture es también una amenaza. Antes sólo existía el cortocircuito 14 V-GND pero ahora además habrá el de 42 V-GND y el de 14V-42V que es el más peligrosopues las cargas de 14 V quedan sometidas a una tensión mayor que la nominal hasta queentran en funcionamiento los dispositivos de protección.

Figura 1.8 Puntos de aparición de cortocircuitos en un sistema Dual Voltage[5]

· Dificultades en el arranque de emergencia “jump start”. Cuando un vehículo necesitade la ayuda de otro para arrancar es posible que se conecten mal los terminales de labatería (en inversa) o incluso se podría dar el caso de conectar una batería de 36 V a una de12 V. La polarización inversa en el sistema de 14 V es habitual y frecuentemente permitidaen las especificaciones con un valor de –12 V durante un minuto a una temperatura de 25ºC [5]. El arranque asistido se complica mucho con un coche Dual Voltage y un coche queno lo es ya que existe la posibilidad de conectar una batería de 36 V con una de 12 V.Algunos fabricantes están trabajando en un tercer terminal de las baterías que llevarán losautomóviles Dual Voltage. Este tercer cable es de comunicaciones y sirve para que elvehículo conozca a que tipo de automóvil va a asistir el arranque. Si es otro coche DualVoltage, con lo que se producirá una comunicación entre los dos vehículos, dará 36 V. Sipor el contrario el coche no recibe respuesta por el tercer cable se deducirá que el otrovehículo tiene una arquitectura tradicional y, por tanto, entregará 12 V.

Por otra parte, algunos fabricantes de automóviles también están trabajando en el“SoC & SoH” para las baterías de la Arquitectura Dual Voltage. Esto es un circuito que vacolocado entre los terminales de la batería y va sensando para que el control centralconozca en todo momento el Estado de Carga y el Estado de Salud de ambas baterías. Así,antes de asistir el arranque a otro vehículo se sensa el estado de las baterías para determinarsi se puede realizar el arranque y cuánto tardará. También calculará si el coche “donante”va a resultar perjudicado debido a que sus baterías van a descargarse. En ese caso nopermitirá la conexión de las baterías.

En caso de que no se tenga acceso a la batería de 36V, la descarga de ésta seconvierte en un serio problema, para ello en [7] se propone un convertidor elevador“boost” que a partir de la batería de 12V, con o sin ayuda de potencia exterior, efectuaráuna carga superficial de la batería de 36V. En [8] se opta por evitar la polarización inversamecánicamente, esto es diseñando conectores específicos para el borne positivo y negativode la batería.

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1.4 OBJETIVOS DEL PROYECTO

Como se ha mencionado anteriormente los Interruptores de Potencia Inteligentesserán de vital importancia en el sistema eléctrico de los automóviles para la protección ygestión de cortocircuitos. Por tanto, en este proyecto se pretende profundizar en esteaspecto desarrollando los siguientes objetivos:

- Estudio de los distintos dispositivos de protección que se pueden usar en laactualidad y en un inmediato futuro en el entorno de la automoción

- Estudio de las características generales de los Smart Power Switches así como susmodos de operación y protección

- Modelo dinámico del BTS y viabilidad de su uso como elemento de protección encortocircuitos 14V-GND, 42V-GND y 14V-42V. Determinar en su caso lacircuitería auxiliar necesaria

- Realización de los ensayos reales

- Verificación de la fiabilidad

- Conclusiones

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Elementos de Protección


2. ELEMENTOS DE PROTECCIÓN

2.1 DISPOSITIVOS PPTC

Básicamente podemos decir que son resistencias dependientes con la temperatura.Al poner un PPTC en un circuito cuyas corrientes sean lo suficientemente altas, la potenciadisipada en el hará que se caliente y su resistencia aumentará. Cuando la resistenciaaumenta, la corriente de cortocircuito se reduce. Finalmente el PPTC alcanza el “steadystate” de distribución de temperatura en el cual la disipación eléctrica de potencia es iguala la disipación de calor al ambiente. Ya que la resistencia varía mucho con la temperatura,el dispositivo en el estado de desconexión actúa casi como un dispositivo de potenciaconstante. Además, la mínima corriente para mantener el dispositivo desconectado esmenor que la corriente que le causa la desconexión. Así, si el circuito vuelve a lascondiciones de pre-fallo el dispositivo no se reseteará. La única manera de resetear unPPTC es desconectar la corriente y esperar a que el dispositivo se enfríe.

2.2 FUSIBLES CONVENCIONALES

Todos los fusibles convencionales funcionan de la misma manera. Hacen circular lacorriente a través de un contacto hecho de un material fusible. Cuando la corriente alcanzaun valor determinado, la energía disipada en el contacto provoca que éste se funda y sevaporice. De esta manera, la corriente ya no puede circular por el circuito defectuoso y seevitan los daños. Evidentemente un fusible convencional no es reutilizable ya que, una vezha funcionado para solucionar una condición de fallo, no puede volver a pasar corrientedebido a que el contacto ha desaparecido. Por tanto, debe ser sustituido.

2.3 EL SMART POWER SWITCH

Los Smart Power Switches (SPS) son llamados por Infineon PROFET (protectionmosfet). Estos dispositivos son interruptores mosfet semiconductores de potencia.

En la Figura 2.1 se puede ver el diagrama de bloques de un SPS básico.Concretamente corresponde al BTS 660 P de Infineon.

Las funciones de los interruptores inteligentes de potencia se pueden dividirbásicamente en 2 grupos: funciones directas de conmutación y funciones suplementarias.

Las funciones directas de conmutación se refieren a la conexión o desconexión deuna carga tal y como se haría con un interruptor mecánico.

Las funciones suplementarias son: protección contra cortocircuitos, proteccióncontra sobrecargas, protección contra sobrevoltaje, feedback de diagnóstico con sensado dela corriente de carga, protección contra sobretemperatura, desenergización rápida de cargasinductivas y protección contra descargas electrostáticas (ESD) entre otras.

Difieren, por tanto, en muchos aspectos de los fusibles convencionales (CF) y delos fusibles de polímero de coeficiente de temperatura positivo (PPTC).



Figura 2.1 Diagrama de bloques del BTS 660 P de Infineon [22]

Aunque no hay que tener en cuenta sólo las ventajas puramente funcionales de losinterruptores semiconductores inteligentes. También existe una reducción de la energíanecesaria y como consecuencia un menor consumo de combustible [1].

2.3.1 Características Generales del Smart Power Switch

El elemento principal de los SPS es el mosfet de potencia que actúa como uninterruptor y lleva la corriente de carga. La característica I-V del mosfet de potencia sepuede ver en la Figura 2.2.

Figura 2.2 Característica I-V del BTS 660 P [3]



Las líneas finas representan esta característica para dos tensiones de puertadiferentes. Cuando la VDS del SPS crece por encima de un valor llamado fold back voltage,el dispositivo conmuta y pasa a tener una característica de menor corriente. Esto lo haceautoajustando el voltaje de puerta del mosfet. Esta característica corresponde a la líneaancha que también aparece en la Figura 2.2. Debido a la naturaleza térmica delsemiconductor, la característica I-V del SPS es dependiente con la temperatura de unióndel silicio.

Un interruptor inteligente de potencia ofrece funciones extra. Por ejemplo, uncortocircuito no destruirá el switch, el cable o la carga. Los Smart Power Switches deInfineon están diseñados para sobrevivir a los cortocircuitos, incluyendo por supuesto,cortocircuitos con líneas inductivas. También resisten el sobrecalentamiento y desconectancualquier carga cuando la temperatura excede un cierto límite. Aunque no diferencia si elincremento de temperatura es causado por un exceso de corriente peligroso o porcircunstancias ambientales.

Los semiconductores inteligentes de potencia ofrecen un rango nominal bastanteamplio (de 5 a 60 V). Las funciones de protección en picos de µs son por encima de 58V.Infineon selecciona voltajes de rotura de 75 a 90 V. En polarización inversa un dispositivosemiconductor debe soportar -2V durante 100 ms con ninguna circuitería adicional [5].

También tienen protección contra sobretensiones (p.ej. load dumping o Shaffnerpulses). Esta capacidad incluye la desconexión de cargas inductivas. El voltaje de picoinverso que ocurre está limitado a valores de -50 o -60V. En contraste con los interruptoresmecánicos, no hacen falta componentes adicionales [1].

Ofrecen características de diagnóstico. Son especialmente útiles en el sistema detroubleshooting. Ya que el feedback de estado nos dice el estado del SPS en formato digitallo cual es muy interesante para el controlador del sistema.

En aplicaciones con altas corrientes es indispensable en conocimiento en cadamomento de nivel de corriente. Los PROFET permiten la evaluación de la corriente poruna señal de sensado lineal referida a masa. Esto permite detectar sobrecargas ocortocircuitos antes que se sobrepase su duración máxima permitida. Esta característicadispensa la necesidad de fusibles. Además, la sección de los cables (conductores) puede serperfectamente ajustada a las corrientes de carga de manera que se reducen los costes.

Si se añade al SPS un disipador de calor, se modifica la Rth del dispositivo con lose consigue variar la Imfc. Por tanto, podemos usar un tipo de SPS como un fusible convarios valores de Imfc escogiendo el disipador de calor apropiado.

Dependiendo de su diseño pueden ser usados a altas frecuencias. P.ej: se puedeimplementar un PWM [1]. Aunque debe tenerse en cuenta la frecuencia de conmutaciónmáxima que se encuentra en los data sheets.

Las curvas de la Figura 2.3 son la característica I-V del Profet cuando latemperatura de la unión de silicio es mantenida constante.



Figura 2.3 Característica del BTS 660 P en función de la temperatura [3]

Cuando el dispositivo conduce altas corrientes la disipación de potencia provocaque la unión de silicio del SPS se caliente por encima de la temperatura ambiente. Portanto, el dispositivo trabaja en un rango de temperaturas que depende de la corriente decarga. Si la temperatura de unión sobrepasa el valor Tjmax el SPS se desconectará. Estoprotege al dispositivo de alcanzar temperaturas excesivas que lo destruirían.

2.3.2 Función de Protección del Smart Power Switch

Figura 2.4 Tiempo de desconexión del BTS 410 E2 [9]



Los SPS se comportan como fusibles para sobre-corrientes pequeñas. Pero amedida que las sobre-corrientes aumentan de valor actúan de manera diferente. Se puededibujar la gráfica del tiempo de desconexión versus la corriente que circularía si eldispositivo tuviera la resistencia Ron que tiene cuando su unión está a Tamb = 25º C. A estacorriente se la llama “prospective current” y es la que se puede ver en la Figura 2.4.

La característica se divide en diferentes regímenes de operación que se puedenanalizar independientemente.

En la región A el SPS está actuando como un fusible. El calentamiento del mosfetproducido por la disipación de potencia se mantiene en equilibrio con la potenciaabsorbida. La energía calorífica se transmite al ambiente y la temperatura no aumenta.

En la región B la potencia disipada es siempre creciente pero el máximo calor quese puede disipar se mantiene a un valor igual a la constante de temperatura del ambiente.Esto provoca que el semiconductor se caliente rápidamente y sólo parte de la energía sepuede transmitir al ambiente.

En la región C sucede algo interesante. El SPS aún está en su estado resistivo y R esfunción únicamente de la temperatura R=f(Tj). A medida que se calienta va alcanzando laVDS fold back en que empieza a actuar la limitación de corriente.

En la región D el SPS empieza en la zona de limitación de corriente y su disipaciónes ahora Ilimit* VDS ,dónde VDS = Vbb – Vload y Vload = Rload * Iload. La disipación de potenciaahora no es dependiente de I2 sino de VDS.

En la región E1 la corriente está limitada y la tensión en la puerta del mosfet noexcede un determinado valor por lo que la corriente es independiente de VDS. En estosregímenes la desconexión se logra alcanzando un límite de temperatura Tjmax.

La Figura 2.4 incluye unos regímenes adicionales que existen en ciertosdispositivos SPS. Éstos tienen una desconexión adicional basada en la monitorización delvoltaje VDS. Si un valor fijado para VDS es excedido el SPS se desconecta en un tiempodesignado. Infineon llama a este régimen de operación de monitorización de voltaje SCprotection.

El régimen E2 es una transición desde el régimen de VDS limitada al régimen decortocircuito y E3 es el régimen de cortocircuito limitado por un retardo inicial de tiempo.

Es importante saber que una corriente mayor que el máximo pico de corriente decortocircuito no debe ser excedido. No puede existir ni siquiera para transitorios. Esto dejasólo los regímenes A y B para “inrush currents”. Las corrientes en la región C y másadelante son “prospective currents” sólo, físicamente las corrientes en estos regímenes nopueden existir. Si una corriente así pudiera ser suministrada al dispositivo a través de unafuente de corriente ideal, el chip sería destruido por disipación de calor ya que no podríadesconectar la corriente.

El comportamiento hasta este punto podría ser considerado equivalente alcomportamiento de “prearcing” del fusible con la limitación de corriente añadida.



Para conseguir interrumpir satisfactoriamente una corriente, el SPS debe ser capazde llevar a cabo la desconexión inductiva.

2.3.3 Desconexión de una Carga Inductiva

En el momento que el SPS alcanza su límite térmico (Tj>Tjmax) desconecta lapuerta. Sin embargo, para prevenir voltajes excesivos inducidos a través del SPS, el SPSpuede conectarse parcialmente para limitar el voltaje a través del dispositivo a un valor Vcl.Este voltaje es más o menos constante ya que es un voltaje especificado por el voltajezener del diodo zener conectado a la puerta [3].

2.3.4 Voltaje de Funcionamiento Seguro (Voltage Rating)

Los dispositivos tienen un límite de voltaje Vmax. Éste se refiere a la tensión a laque se puede someter al dispositivo. Cuando un dispositivo sufre un fallo y desconecta lacorriente, el voltaje del dispositivo es del orden del de la fuente Vs y, por tanto, Vs nodebería ser mayor que Vmax. Durante transitorios éste voltaje puede ser excedido en unvalor determinado.

Los SPS tienen una tensión Vcl fija durante la desconexión de una carga inductiva.Éste voltaje es el máximo a que se debería someter al SPS. En los data sheets se describeque los SPS pueden soportar sobretensiones transitorias mayores de Vcl. Sin embargo, lainterrupción eficaz y segura de las corrientes en caso de fallo no está garantizada bajo éstascondiciones extremas. Infineon sólo garantiza la interrupción de corrientes de manerasegura a unos límites de voltaje determinados.

2.3.5 Máxima Corriente Interrumpible

La máxima corriente de fusión es la máxima “prospective current” que eldispositivo puede interrumpir de manera segura a un determinado voltaje (habitualmenteVmax). Cualquier corriente prospectiva mayor que la máxima corriente de fusión no puedeser interrumpida con seguridad. Esto provoca un límite inferior en la resistencia serieequivalente de la fuente y la resistencia del cable.

2.3.6 Característica de Desconexión

La característica de cut-off es medida a una determinada temperatura ambiente yexpresa en una gráfica la mayor corriente instantánea que un fusible va a soportar durantela interrupción en función de la corriente prospectiva.

Los SPS tienen una característica de cut-off algo interesante. Dependiendo decómo se produce el fallo existen 2 características de cut-off. Las dos son constantes porencima de un determinado valor de corriente prospectiva. Si el fallo se produce cuando eldispositivo está conduciendo corriente, a la circuitería interna le lleva un poco de tiemporeducir el voltaje en la puerta. No obstante, si el dispositivo está apagado cuando ocurre elfallo la operación empieza con el voltaje de puerta ya reducido.



Figura 2.5 Característica de desconexión del BTS 650 P [3]

La característica de cut-off es importante porque muestra la máxima corrienteinstantánea que puede estar presente en el circuito. Esta corriente debería ser usada a lahora de calcular las tensiones mecánicas en los dispositivos protegidos (motores y cables).Además el valor instantáneo de cualquier pico de corriente no puede exceder el valor dadoen este gráfico. Si un pico de corriente transitorio como éste pudiera existir sin la presenciadel dispositivo de protección en el circuito, no podría aparecer con el dispositivo en elcircuito. Un ejemplo de características de cut-off de un SPS puede verse en la Figura 2.5.

2.3.7 Función de Desconexión Controlada

Los BTS de Infineon disponen de una función de sensado de la corriente quecircula a través de ellos. Disponen de un pin de salida que muestra una corrienteproporcional a la que circula a través del BTS. Esta funcionalidad resulta muy útil paralimitar la corriente permitida en cada carga. Utilizando una resistencia adecuada en este pinse puede escalar la tensión para que, mediante un conversor A/D, el controlador delsistema gestione en cada momento la corriente que circula por cada carga.

Por ejemplo, una carga defectuosa que consume más que su corriente nominalpuede ser detectada mediante esta funcionalidad.

2.3.8 Características Técnicas de los BTS de Infineon

Anteriormente se han mencionado una serie de funcionalidades de los Smart PowerSwitches. A continuación podemos ver parte de todos los BTS que fabrica Infineon conalgunas de sus características adicionales. En la Figura 2.6 podemos ver una tabla deInfineon con los Sense Profet que son los BTS indicados especialmente para el sensado ycontrol de los circuitos.



Figura 2.6 Tabla con las características de los Sense Profet de Infineon [24]

En la Figura 2.7 podemos ver los High Current Profet de Infineon que son, comosu propio nombre indica, los adecuados para aplicaciones con altas corrientes.

Figura 2.7 Tabla con las características de losHigh Current Profet de Infineon [24]

2.3.9 El BTS 660 P y el BTS 640 S2

Para realizar el estudio de este proyecto se han escogido estos dos dispositivos.

El motivo para escoger el BTS 660 P de Infineon para la parte de 42 V es que esideal para aplicaciones de altos voltajes. Tiene un voltaje de operación de hasta 58 V y alllegar a 70 V en su entrada empieza a actuar la protección de sobretensiones. Su corriente



de carga en modo normal de operación es de 44 A. Su resistencia en modo de conducciónes de 9 mΩ. Además, tiene un rango de temperaturas de operación muy amplio que vadesde –40º C a +150º C. En la industria de la automoción, en las nuevas aplicaciones dealtas potencias que se están desarrollando, el BTS 660 P es el dispositivo más usado.

El motivo para escoger el BTS 640 S2 para la parte de 14 V es que es el SenseProfet de 1 canal de que dispone Infineon. Soporta 12.6 A de corriente de carga encondiciones normales y su rango de operación va de 5 a 34 V. La limitación de corrienteempieza a actuar a 24 A. Es un dispositivo con histéresis de manera que una vez se hadesconectado, intentará reconectarse indefinidamente. Su resistencia en modo deconducción es de 30 mΩ y el rango de temperaturas de operación es de –40º C a +150º C.Por todo esto es ideal para aplicaciones de automoción ya que pueden trabajar a las altastemperaturas que se dan fácilmente en el motor de los vehículos.

Cabe decir que muchas de las empresas del sector de la automoción, como porejemplo Lear Automotive EEDS usan estos dos dispositivos para sus aplicaciones de DualVoltage.

2.4 COMPARACIÓN DE LOS BTS CON LOS OTROS DISPOSITIVOS DEPROTECCIÓN

Los semiconductores están cambiando el mundo, y esto incluye las aplicaciones delautomóvil. Un creciente número de funciones son ahora controladas y monitorizadas poralgoritmos electrónicos. El objetivo emergente a largo plazo es que cualquier cosa que dealguna manera se mueva, deslice, rote, bombee, se caliente, se enfríe o vibre seaselectivamente activada por semiconductores de potencia [2].

Los smart power switches ejecutan estas tares de una manera ejemplar. Esto serefiere no sólo a la operación de conmutación sino también a la ejecución de tareas comoprotección de líneas contra cortocircuitos, sensado de la corriente en cualquier momento,diagnósticos de carga así como control de cargas mediante PWM [2].

El sensado de corriente que incorporan los BTS permiten al usuario fijarinicialmente las condiciones de la función de fusible. P ej : los picos altos de corrientepueden ser permitidos para conmutar la carga, pero al cabo de un cierto tiempo deoperación ya no lo serán.

A continuación se comparará el comportamiento de los Smart Power Switches conotros dispositivos de protección. Estos dispositivos son los fusibles convencionales (CF) ylos fusibles de polímero de coeficiente de temperatura positivo (PPTC).

En este apartado se compararán los tres dispositivos de protección introducidosanteriormente desde diferentes puntos de vista o funcionalidades.



2.4.1 Capacidad de Reutilización

Los fusibles convencionales (CF) no son reseteables. Su diseño garantiza quedespués que hayan funcionado no circulará ninguna corriente por el circuito hasta que elfusible sea reemplazado. Por tanto, un fusible que haya funcionado debe ser reemplazado.Los SPS y los PPTC son dispositivos reseteables. En este aspecto, estos dispositivospueden ser mejor que los fusibles ya que no deben ser físicamente reemplazados despuésque han interrumpido un fallo. Así, para cada cortocircuito necesitaremos cambiar unfusible mientras que un PPTC y un SPS servirían para toda la vida útil del circuito.

De todas maneras, el grado de reutilización varía dependiendo de los dispositivos.Existen 2 variantes para los SPS. Los del primer tipo tienen un reset automáticoincorporado. Después de que ocurra un fallo, el dispositivo volverá a conectarse una vezhaya disminuido su temperatura un valor determinado. Los de la segunda clase tienen unafunción de latch. El dispositivo no será reseteado hasta que su entrada de control reciba unciclo (on->>off->>on). Entonces, el SPS se volverá a conectar sólo si su temperatura habajado a la cantidad mencionada anteriormente.

Sólo enfriando se puede resetear un PPTC. Si el circuito es devuelto a lascondiciones nominales se quedará desconectado ya que la disipación de potencia encondiciones normales es suficiente para mantener el dispositivo desconectado. Por esto, senecesita una desconexión manual de la corriente. Cuando la corriente se desconecta eldispositivo se enfría y su resistencia vuelve a ser la nominal. Si el fallo se soluciona elPPTC volverá a funcionar del modo normal. Por tanto, un circuito protegido con un PPTCdebe tener un interruptor asociado para que el PPTC sea reutilizable.

2.4.2 Modos de Fallo

Bajo ciertas condiciones el dispositivo puede dejar de funcionar según susespecificaciones. Esto puede ocurrir porque haya llegado el final de la vida útil deldispositivo o porque se exceda alguna de sus especificaciones (por ejemplo Vmax) y seestropee. Existen 2 modos de fallo: como cortocircuito y como circuito abierto. Undispositivo que falla como un circuito abierto aún protege al resto del circuito de cualquierfallo de corriente pero debe ser reemplazado. Por tanto, este modo de fallo no causa ladestrucción de los otros elementos del circuito y se asemeja al funcionamiento de unfusible. De hecho, este es el modo normal de operación de un fusible bajo condiciones defallo con la diferencia que un fusible abre el circuito de manera segura. Así, si excedemosel límite de voltaje para un fusible puede dejar de funcionar correctamente pero siemprefallará quedándose en circuito abierto.

Por otro lado, los SPS y los PPTC pueden fallar como cortocircuito o como circuitoabierto. Así que ambos pueden quedarse permanentemente conectados o desconectados.Evidentemente la peor situación es si fallan quedándose cortocircuitados pues el resto delcircuito se quedaría sin protección.

Si el voltaje de un SPS es incrementado sustancialmente no será capaz de bloquearla corriente por mucho tiempo. Pasado este tiempo puede fallar como un cortocircuito o, enalgún caso, quemarse y pasar a ser un circuito abierto. Estas circunstancias pueden darse y,



por tanto, el rango de operación normal no debe excederse ya que la interrupción normalde la corriente no está garantizada y podría declararse fuego.

De manera similar, un fusible interrumpirá la corriente a una tensión mayor queVmax pero podrían aparecer arcos en los terminales, éstos se podrían fundir y tambiénpodría provocarse un incendio.

Los PPTC también tienen limitaciones de corriente que, en caso de excederse,podrían causar que el PPTC fallase como cortocircuito.

2.4.3 Máxima Inductancia de Carga

Para los PPTC y los CF la máxima inductancia de carga no es importante durante elmodo normal de operación. En cambio, en el caso de los SPS si lo es ya que es elinterruptor encargado de desconectar la corriente nominal. Por tanto, para los SPS existeun valor máximo de inductancia de carga durante el modo normal de operación ya que elSPS debe ser capaz de conmutarla sin destruirse a si mismo. El máximo valor deinductancia de carga para un circuito puramente inductivo puede encontrarse en los datasheets. Este valor causa la máxima disipación de potencia posible permitida en el SPS.

2.4.4 Corrientes de Post-Desconexión

Los SPS con reset automático (reset térmico) y los PPTC tienen alguna corriente através de ellos después que hayan interrumpido un fallo. El valor RMS de esta corriente esimportante ya que puede ser usado para calcular la energía entregada a un circuitodefectuoso. Es interesante señalar que incluso los fusibles a menudo dejan pasar algunacorriente después de fundirse (aunque la magnitud de esta corriente es insignificante) [3].

2.4.5 Disipación de Potencia en Modo Normal de Operación

A medida que las automotive junction boxes se van haciendo cada vez máspequeñas, el espacio del que disponen los dispositivos de protección se reduce. Por otrolado, el número de circuitos a proteger no sólo no disminuye sino que se incrementaconstantemente. Estos dos factores provocan que los dispositivos de protección estén muyjuntos dentro de las cajas de distribución. Si la disipación de potencia es demasiadoelevada el dispositivo de protección calentará a los que tenga cerca. Para poder compararlos distintos dispositivos de protección con respecto al calor que generan se debe investigarla disipación de potencia.

Todos los dispositivos de protección se comportan como resistencias durante sumodo normal de operación (sin la presencia de fallos). O sea que incluso en modo normalse calientan. Este calentamiento implica que el dispositivo opere a una temperatura mayorque la de ambiente y, por tanto, su resistencia cambia y esto afecta a la disipación depotencia.



Figura 2.8 Disipación de potencia de los fusibles en función de lacorriente nominal [3]

En la Figura 2.8 se pueden ver las gráficas de la disipación de potencia de dos tiposde fusibles convencionales. Esta disipación resulta de multiplicar la corriente nominal porla caída de tensión en el fusible en condiciones normales de operación. Estos datos sonpublicados por los fabricantes. Por ejemplo, en la Figura 2.8 se pueden ver la gráfica parael fusible 32 V ATO de Littelfuse y la gráfica correspondiente a datos preliminares de losfusibles para automoción de 42 V de Pudenz.

En el sistema de 42 V el fusible necesario para proteger una carga de la mismapotencia que en el sistema de 14 V es un tercio menor. Es decir, se necesita un fusible conmenos grado de protección. Esto implica que la disipación de potencia también se reduciríaun tercio al aumentar el voltaje de 14 a 42 V. De todas maneras estos fusibles de 42 Vtodavía no están estandarizados por lo que cabe pensar que los fusibles de 42 V podríantener una disipación de potencia mayor o menor de la presentada en la Figura 2.8.

No hay una manera estándar de calcular la disipación de potencia de un SPS a sucorriente nominal. Al añadir un disipador de calor se modifica la resistencia térmica delSPS con lo que la corriente nominal y la disipación de potencia varían. Para podercomparar la disipación de potencia de los dispositivos supondremos una Tamb= 25º C y latemperatura de la unión Tjmax = 150º C. La disipación de potencia se dibuja en función dela corriente. Ya que la temperatura del dispositivo se considera constante a medida que ladisipación de potencia cambia cada punto de la gráfica corresponde a diferentes valores dela resistencia térmica. Estos cambios en la resistencia térmica se consiguen, como se hadicho anteriormente, añadiendo un disipador de calor al dispositivo. Ya que la temperaturaescogida está en el umbral entre el modo normal de operación y la desconexión, ladisipación de potencia se representa en función de la corriente mínima de fusión Imfc. Así,cada valor de corriente mínima de fusión y de disipación de potencia corresponde a undeterminado disipador de calor. Estas gráfica se puede ver en la Figura 2.9.



Figura 2.9 Disipación de potencia del BTS 640 S2 de Infineon en función de la corrientemínima de fusión [3]

En la gráfica de la Figura 2.9 el mínimo valor de disipación de potenciacorresponde al SPS sin disipador de calor añadido. No obstante, para poder comparar ladisipación de potencia de los SPS con la de los fusibles convencionales, se puederepresentar la disipación de potencia de los SPS disponibles sin disipador de calor añadidoen función de la Imfc. En la Figura 2.10 se pueden ver representadas la disipación depotencia de los fusibles convencionales y de los SPS (sin disipador de calor añadido) paralos dos tipos de EDS ( 14 V o 42 V).

Figura 2.10 Comparación de la disipación de potencia de los SPS de Infineon y losfusibles convencionales en función de la corriente mínima de fusión [3]



En la Figura 2.10 se puede ver que la disipación de potencia de los SPS de Infineonactuales es mayor que la disipación de potencia de los fusibles convencionales.

Para predecir teóricamente la disipación de potencia de un PPTC, se necesita unbuen modelo teórico. Al no existir este modelo y por la carencia de datos experimentalesdados por el fabricante, hay estudios publicados que se hicieron experimentalmente ysirven para dar una idea de la disipación de potencia de los PPTC.

Los diferentes valores de disipación de potencia se midieron en función de Ihold delos dispositivos. En la Figura 2.11 se pueden ver las gráficas de la disipación de potenciade dos tipos de dispositivos (unos para trabajar en un EDS de 14 V y otros en un EDS de42 V). También se representa la gráfica de los fusibles convencionales para poder hacer lacomparación. Se puede ver que la disipación de potencia de los dispositivos que trabajan a42 V es mayor que la disipación de potencia de los dispositivos que trabajan a 14 V.Además, ya que la disipación de potencia es diferente para los dispositivos que hanexperimentado una desconexión que la de los dispositivos que nunca se han desconectadopara solucionar un fallo, para cada PPTC se midieron dos puntos. Así se puede comprobarque la disipación de potencia es mayor para el dispositivo después que se hayadesconectado y se haya puesto de nuevo en funcionamiento [3].

Figura 2.11 Comparación experimental de la disipación de potencia de los PPTCantes y después de una desconexión [3]

2.4.6 Protección de los Cables

En el entorno automotriz el elemento del equipamiento más importante a protegerson los cables. Para prevenir daños en el cableado la temperatura del cable no deberíaexceder una cierta temperatura a la cual el aislamiento de los cables empieza a deteriorarse.Ilija Jergovic [3] hace un análisis detallado de la protección de los cables para cadadispositivo. Divide el análisis en dos supuestos. El primero cuando la temperatura



ambiente del dispositivo y del cableado es la misma y el segundo cuando están a diferentestemperaturas de ambiente. Llega a la conclusión que el SPS puede proporcionar el mejorgrado de protección al cableado en ambos casos.

2.4.7 Conexión en Paralelo de los Dispositivos de Protección

En alguna situación puede resultar complicado encontrar el dispositivo deprotección con una Imfc apropiada. En este caso se pueden usar dos dispositivos deprotección conectados en paralelo. No obstante no queda claro de inmediato cuál es lamáxima corriente nominal para esta conexión en paralelo.

Un análisis para un CF ha demostrado que la corriente máxima permitida es el peorcaso de análisis dado por la suma de las corrientes nominales de los dos dispositivosindividuales (asumiendo el mismo material del link del fusible para ambos fusibles). Peroen la realidad esto no es cierto del todo ya que los fusibles no se calientan de la mismamanera. Esta corriente debe ser reducida en un factor de 0.75 (según indicaciones delfabricante para un solo dispositivo) [3].

Figura 2.12 Efecto del cambio de la resistencia térmica del BTS 550 P en su característicaI-V [9]



Cuando los dispositivos conectados en paralelo son PPTC (sólo PPTC del mismotipo y grado) la máxima corriente permitida es sólo 40% más que la corriente máximapermitida de un solo PPTC Ihold (así 1.4*Ihold). Esta limitación es dada por el fabricante ypuede encontrarse en [21].

No es necesario usar los SPS’s en paralelo ya que su Imfc puede ser ajustadaañadiendo un disipador de calor con lo que varía su resistencia térmica. Entonces, un BTS550 P puede actuar como dispositivo de protección con un rango de Imfc de 17A a 50+A[3].La Figura 2.12 muestra la dependencia de la característica I-t del BTS 550 P con laresistencia Rthja del dispositivo [9].

No obstante, el consenso general es que los dispositivos no deben ser conectados enparalelo ya que la máxima corriente de fusión de un dispositivo puede ser excedida debidoa las diferentes velocidades de operación. Por tanto, siempre se deben buscar alternativas.Si aún así se desea conectar diferentes dispositivos de protección en paralelo no debenmezclarse los distintos tipos. Los SPS no necesitan conexión en paralelo así que la mezclase podría dar entre CF y PPTC. Aunque se pudieran encontrar los límites defuncionamiento del conjunto y establecer la corriente nominal, tendríamos un dispositivode protección no reseteable con lo que perderíamos una de las ventajas del PPTC.

2.5 COORDINACIÓN DE LA PROTECCIÓN

Partiendo de la base que hay más de un dispositivo de protección entre la fuente dealimentación y la carga, en este apartado se discutirá la organización jerárquica de losdispositivos de protección.

Citando a Jergovic [3] “La coordinación de protección es la coordinación de lascaracterísticas de operación de dos o más dispositivos de protección de manera que bajocondiciones de fallo el dispositivo que se pretende que funcione lo haga mientras losdemás dispositivos permanecen inafectados”.

Figura 2.13 Estructura de árbol de los sistemas de protección coordinados [3]



En el entorno automotriz los dispositivos de protección suelen estar organizados enuna estructura de árbol como la representada en la Figura 2.13.

Para proseguir el análisis de la coordinación de la protección es interesanteintroducir el concepto de órdenes para facilitar la explicación. Así, se asigna el primerorden a los dispositivos conectados directamente a las cargas. Después se van asignandolos órdenes correlativamente siguiendo la trayectoria que va desde la carga y el terminalpositivo de la fuente de tensión. Éstos órdenes también se pueden ver en la Figura 2.13.

El objetivo de tener un sistema de protección coordinado es asegurar que, despuésde un fallo, la mayor parte del sistema siga funcionando. La manera más fácil de conseguiresto es con un solo orden de protección. Así, cada carga tendría su dispositivo deprotección y, después de un fallo, sólo quedaría desconectada la carga afectada. Pero estasolución es inviable dado que se necesitarían cables de la fuente de alimentación a cadacarga de manera individual. Se tendrían multitud de cables dentro de un vehículo querepercutirían en mayor dificultad de manufactura, mayor coste y mayor consumo decombustible. Si se mira la Figura 2.13 se puede ver que la energía llega a un grupo decargas por un solo cable. Estos grupos son cargas que están situadas cerca la una de la otradentro de un vehículo. Por ejemplo, todas las cargas que van dentro del compartimiento depasajeros reciben la energía a través de un sólo cable protegido por un fusible de segundoorden. Una vez la energía llega a este fusible de segundo orden es distribuida a cada cargacon su correspondiente cable individual. Cada carga está protegida por su propio fusible deprimer orden.

No obstante, esto implicaría tener más de 100 fusibles. Es un coste que no puedeser asumido en la industria automotriz actual. De manera que se agrupan las cargas nocríticas para protegerlas con un sólo fusible. Las cargas críticas tienen un fusible individualpara cada una.

Hay que tener en cuenta que cada dispositivo de protección conlleva una caída detensión asociada. Es decir, cada dispositivo se queda una parte de energía que no llegará ala carga. Por tanto, el número de dispositivos de protección (el orden) debería ser lo máspequeño posible.

Se puede dar la situación que alguna carga tenga más de un dispositivo deprotección asociado a ella mientras que otra carga tenga sólo uno. Esto requiere que elorden de un dispositivo de protección sea determinado de manera relativa a unadeterminada carga. Es decir, respecto a una u otra carga, el dispositivo de protección tendráun orden u otro. Llegados a este punto hay que tener especial cuidado con las cargascríticas. El orden del dispositivo menos crítico debe ser por lo menos igual al de la cargacrítica. De esta manera se asegurará que un fallo en la carga menos crítica deje fuera defuncionamiento a la carga crítica sin que en ella se haya dado el fallo directamente. Estasdependencias quedan claras en la Figura 2.14.

Para conseguir una coordinación correcta un dispositivo de protección de orden 1relativo a un fallo debe desconectar la carga defectuosa y dejar inafectados a losdispositivos de mayor orden. Este principio requiere una coordinación temporal que setrata en el siguiente apartado.



Figura 2.14 Coordinación de la protección de dos cargas con diferente criticidad [3]

2.6 COORDINACIÓN DE LAS CURVAS I-t

Ilija Jergovic hace hincapié en esta necesidad de coordinar las curvas I-t de losdistintos dispositivos de protección de una misma carga. El principio en que se basa es quecuando se produce un fallo el dispositivo de primer orden es quien debe solucionarlo. Ydebe hacerlo antes que actúen los otros dispositivos implicados (los de orden mayor). Siocurre una situación de fallo en una carga y el dispositivo de primer orden es más lento queel de segundo orden, no se está consiguiendo una coordinación de la protección correcta yaque quedarían cargas funcionales desconectadas sin necesidad.

Diseño de la Placa y los Experimentos


3. DISEÑO DE LA PLACA Y LOS EXPERIMENTOS

Para comprobar si los BTS podrían reemplazar en un futuro a los fusiblesconvencionales se diseñaron una serie de ensayos para probar su funcionalidad y sueficacia. Asimismo, se diseñó una placa que sólo contiene el hardware básico de maneraque no se aplica ninguna lógica de control para detectar y gestionar cortocircuitos.Únicamente los Smart Power Switch son los encargados de detectar y solucionarsituaciones de fallo.

3.1 CIRCUITO PROPUESTO

El esquema de la placa aparece en la Figura 3.1:

Figura 3.1 Circuito propuesto para la realización de los experimentos

En la placa se tiene el bus de 42 V y el bus de 14 V así como las entradas y salidasrespectivas. Podemos ver que en cada extremo de los buses hay un BTS. En el bus de 14 Vson BTS 640 S y en el caso del bus de 42 V son BTS 660 P ambos de Infineon. Losfusibles convencionales se colocan como protección pero, evidentemente, si el circuito ylos BTS funcionan correctamente no deben fundirse.

3.2 EXPERIMENTOS A REALIZAR

Se realizan 3 tipos de cortocircuitos. Cortocircuitos entre el bus de 14 V y masa,entre el bus de 42 V y masa y, por último, cortocircuitos entre los dos buses.



Los cortocircuitos se provocan uniendo dos placas de cobre que, dependiendo delcaso, van conectadas al bus de 14 V, al bus de 42 V o a masa.

Antes de la realización de los experimentos se realizaron algunas simulacionespreviendo el comportamiento del circuito incluidos los elementos parásitos. El fabricanteno proporciona el modelo de los BTS, por tanto, en las simulaciones se sustituyó esteelemento por una interruptor normal.

En estas simulaciones se pretende comprobar si el circuito funciona según loprevisto y, en su caso, los elementos adicionales que se le deben incorporar.

3.3 CIRCUITERÍA AUXILIAR NECESARIA

3.3.1 Cortocircuito 14V - GND

Para facilitar la simulación se ha usado el circuito que aparece en la Figura 3.2 enel cual no se tiene en cuenta el segundo BTS. Este BTS sirve para activar y desactivar lacarga pero no interviene en la protección contra cortocircuitos.

Figura 3.2 Modelo usado para simular los cortocircuitos 14V-GND

A continuación puede verse el resultado de la simulación realizada con el programaPspice.

Para poder apreciar mejor las gráficas se han tomado por separado. En la Figura 3.3se puede ver en color rojo la tensión en la carga y en color azul la corriente en la batería de12 V. Esta gráfica no presenta ningún punto problemático a primera vista, de manera que,en principio no habrá complicaciones en los experimentos reales.



Figura 3.3 Corriente en la batería y tensión en la carga durante un cortocircuito 14V-GND

En la Figura 3.3 podemos ver como la corriente crece a partir del momento en quese produce el cortocircuito. Los valores que aparecen no son fiables ya que en estasimulación se pretende prever acontecimientos pero nunca valores límite. De esta manerallegamos a la conclusión que la corriente crece hasta que el BTS logra desconectarse.

En la simulación, el interruptor que actúa como un BTS se abre cuando pasan 50 µsdesde que comienza el cortocircuito. Por tanto, no responde a las condiciones del circuitocomo hará un BTS en la realidad. Así, podemos decir que sabemos que es lo que haría lacorriente en las pruebas físicas si nada se lo impidiese. Pero en nuestras pruebas existe unBTS que en el momento de sobrepasarse sus límites entrará en modo de protección y lacorriente dejará de crecer.

En la Figura 3.4 se puede ver en rojo la tensión antes del BTS y en azul la tensióndespués del BTS que corresponde al bus de 14 V.



Figura 3.4 Tensiones antes y después del BTS durante un cortocircuito 14V-GND

En la Figura 3.4 se observan acontecimientos muy interesantes. Se producen unospicos de tensión en ambas tensiones pero invertidas. Es decir, antes del BTS se produce unpico de tensión positivo y justo en ese momento se produce un pico de tensión negativodespués del BTS. Estos picos de tensión son debidos a las inductancias parásitas presentesen el circuito. Estas inductancias son muy importantes en el sistema eléctrico de losautomóviles debido a los largos cables que se usan.

Al producirse el cortocircuito, la corriente va creciendo de manera que, se llega aun punto en que el BTS detecta una condición de peligro y actúan sus protecciones. ElBTS se abre para solucionar la condición de cortocircuito pero las inductancias parásitasque aparecen en el circuito impiden una discontinuidad de corriente por lo que la diferenciade tensión en sus terminales se modifica de manera que fuerzan a la corriente a seguircirculando como lo hacía hasta ese momento. Asimismo, fuerzan al BTS a seguirconduciendo. De esta manera aparece un pico positivo antes del BTS y un pico negativodespués del BTS.

Dependiendo de la magnitud de estos picos de tensión se podrían tener problemas.Si se alcanza la máxima diferencia de tensión en bornes del BTS se podría causar la roturadel interruptor.

Para evitar ocasionar daños al BTS se puede añadir una circuitería de protección. Sise añade un diodo en el bus de 14V se evita el pico negativo. En la Figura 3.5 se puede verel circuito modificado y en la Figura 3.6 el resultado de la simulación.



Figura 3.5 Circuito del ensayo 14V-GND con el diodo de protección

Figura 3.6 Resultado de la simulación 14V-GND con el diodo de protección

Como se puede observar el la Figura 3.6 se ha eliminado el pico de tensiónnegativo que aparecía en el bus de 14V.



Eliminando el pico de tensión negativo en el bus ya se ha reducido la diferencia detensión en bornes del BTS pero, aún así, se sigue teniendo un pico positivo a la entrada.Para reducir este pico de tensión se añaden unos supresores de tensión de manera que selimita la tensión a la entrada del BTS para mantenerla dentro de su margen de valores defuncionamiento seguro. El circuito resultante es el de la Figura 3.7.

Figura 3.7 Circuito del ensayo 14V-GND con diodo y supresores de tensión

Figura 3.8 Resultado de la simulación 14V-GND con diodo y supresores



El resultado de la simulación puede verse en la Figura 3.8. se obsreva como se hareducido el pico de tensión antes del BTS.

Una vez determinado el circuito para cortocircuitos de 14V-GND se ha hecho unaprueba. Lo que se pretende es comprobar si el circuito resiste los cortocircuitos y no sedestruye ninguno de los componentes. Por tanto, se ha realizado un cortocircuito 14V-GND. Se ha podido comprobar que el circuito resiste el ensayo.

Una vez comprobada la fiabilidad de la placa con los elementos de protección, seha hecho otra prueba sin éstos. Es decir, se han eliminado el diodo y los supresores paracomprobar si realmente son necesarios. El circuito también ha soportado el cortocircuito.De esta manera se ha llegado a la conclusión que no son necesarios elementos deprotección para los ensayos de cortocircuitos de 14V-GND.

Se puede concluir que para este tipo de ensayo no se necesita ninguna circuiteríaadicional de protección.

3.3.2 Cortocircuito 42V - GND

De igual forma que en el caso de los cortocircuitos de 14V-GND en el circuito deestas simulaciones se ha usado sólo el BTS que tiene funciones de protección. El circuitoutilizado en este apartado es el que aparece en la Figura 3.9.

Figura 3.9 Modelo usado para simular los cortocircuitos 42V-GND



Figura 3.10 Corriente en la batería y tensión en la carga durante un cortocircuito 42V-GND

En la Figura 3.10 se puede ver en color rojo la tensión en la carga y en color azul lacorriente de la batería de 36 V.

Como puede comprobarse, aparecen las mismas formas de onda que encortocircuito 14V-GND. Como hemos explicado antes, los valores no deben tenerse encuenta dado que corresponden a una simulación muy sencilla. Así pues, todo lo explicadoantes sobre la corriente se puede aplicar en este tipo de cortocircuito. En la carga tampocoaparecen problemas en las simulaciones, por tanto, no cabe esperarlos en las pruebasreales.

En la Figura 3.11 pueden verse las tensiones antes y después del BTS. En colorrojo se puede ver la tensión antes del BTS y en color azul la tensión después del BTS (busde 42V)

Las formas de onda son parecidas a las que aparecían en el cortocircuito 14V-GND.Los picos de tensión aparecen por el mismo motivo, las inductancias parásitas del circuito.En este caso, los valores alcanzados son mayores y también pueden aparecer problemas sise superan los límites de funcionamiento del BTS.



Figura 3.11 Tensiones antes y después del BTS en un cortocircuito 42V-GND

Se ha decidido añadir algunos elementos de protección al circuito para asegurar queno se dañe el BTS.

Para eliminar el pico negativo se ha puesto un diodo en el bus de 42V. El circuitoqueda según la Figura 3.12.

Figura 3.12 Circuito del ensayo 42V-GND con diodo de protección



Al añadir este diodo se impide que pueda haber tensiones negativas en el bus, conlo que se reduce la máxima diferencia de tensión en bornes del BTS que puede existir.

En la Figura 3.13 se pueden ver de nuevo las tensiones antes y después del BTSdespués de esta modificación.

Figura 3.13 Resultado de la simulación 42V-GND con el diodo de protección

Como se puede comprobar observando la Figura 3.13, se ha eliminado el piconegativo de tensión después del BTS.

Aun así, puede ocurrir que el pico de tensión positivo antes del BTS sea losuficientemente grande como para dañar el dispositivo. Para evitar esto se pueden añadirunos supresores de tensión antes del BTS que limiten el valor de esta tensión de maneraque no pueda perjudicar al BTS. El circuito modificado es el que aparece en la Figura3.14.



Figura 3.14 Circuito del ensayo 42V-GND con diodo y supresores

Con la adición de los supresores el resultado de la simulación es el que aparece enla Figura 3.15.

Figura 3.15 Resultado de la simulación 42V-GND con diodo y supresores

Como se puede observar en la Figura 3.15 se ha reducido bastante el pico detensión a la entrada del BTS. De esta manera se puede conseguir mantener esta tensióndentro de los límites de funcionamiento del BTS.



De manera similar que en el caso anterior, se ha querido comprobar la resistenciadel circuito a los ensayos. Para ello, se ha sometido la placa a un cortocircuito 42V-GND yse ha comprobado que ningún elemento resulta dañado.

Una vez comprobada la fiabilidad de la placa, se ha querido asegurar la necesidadde la presencia de los dispositivos de protección. Para ello, se han eliminado el diodo y lossupresores y se ha hecho un cortocircuito. La Figura 3.16 muestra los resultados de esteensayo.

Figura 3.16 Resultados de la prueba de cortocircuito 42V-GND

En la Figura 3.16 podemos ver en el Canal 1(negro) la tensión en la batería de 36V.En el Canal 2 (azul) se representa la tensión después del BTS y en el Canal 3 (rojo) latensión antes del BTS. Por último, el Canal 4 (verde) muestra la corriente en la batería de36 V.

Analizando las gráficas se puede observar como en el momento en que el BTSintenta desconectarse aparecen en sus bornes 78 V. Este dispositivo sólo tolerasobretensiones de 70 V. En ese mismo instante se alcanza una corriente en la batería de 36V de 420 A (210mV_lectura del osciloscopio*10_atenuación aplicada en elosciloscopio*10_atenuación de la sonda del osciloscopio). La corriente máxima decortocircuito que soporta el BTS 660 es de 180 A. Estos factores provocan que al intentardesconectarse el BTS quede dañado, queda cortocircuitado internamente. La corrientesigue incrementándose hasta unos 600 A cuando el fusible se funde.



Figura 3.17 Estado de la placa después de que el BTS quede cortocircuitado internamente

En la Figura 3.17 podemos ver el estado en que quedan el BTS y la placa cuando elBTS queda cortocircuitado y se destruye.

Figura 3.18 BTS 660 P destruido

En la Figura 3.18 se puede ver el estado en que queda un BTS 660 P después quehaya fallado en modo de cortocircuito interno.

Podemos concluir que el diodo en el bus de 42V y los supresores a la entrada delBTS son necesarios para asegurar la supervivencia y el buen funcionamiento del BTS.



3.3.3 Cortocircuito 14V- 42V

En este tipo de cortocircuito cabe esperar que la corriente fluya desde la batería de36 V hacia la batería de 12 V. Para evitar el cortocircuito el BTS 640 (red de 14 V) deberíadesactivarse. No obstante, las protecciones en inversa no funcionan. Los BTS tienen undiodo en antiparalelo de manera que la corriente fluirá libremente a través de éste. Lamanera de que el cortocircuito se solucione pasa por el BTS 660 (red de 42V). Éste deberíadesactivarse si detecta las condiciones de fallo. Por éste motivo, el circuito utilizado paralas simulaciones es el que aparece en la Figura 3.19 donde sólo hay un BTS que es el quedebe actuar.

Figura 3.19 Modelo usado para simular los cortocircuitos 14V-42V

En la Figura 3.20 se puede ver en color rojo la tensión en la carga de 42 V y encolor azul la tensión en la carga de 14 V. Como se puede observar, una vez desactivado elBTS 660 todas las cargas quedan alimentadas a 14 V.



Figura 3.20 Tensiones en las cargas durante un cortocircuito 14V-42V

Figura 3.21 Corrientes en las baterías durante un cortocircuito 14V-42V



En la Figura 3.21 está representada en color rojo la corriente en la batería de 36 V yen color azul la corriente en la batería de 12 V. Hay que tener en cuenta que la corrienteque absorbe la batería de 12 V es bastante grande y, el diodo en antiparalelo del BTS 640debe poder soportarla. Si el diodo es demasiado pequeño se deberá añadir otro diodo enantiparalelo mayor.

Para comprobar el funcionamiento de la placa en este tipo de cortocircuitos se hahecho una prueba y se ha comprobado que el diodo es demasiado pequeño para soportartoda la corriente que debe circular en inversa a través del BTS640. De manera que hay queañadir otro.

En la Figura 3.22 se puede ver el estado en que queda el BTS 640 S cuando sedestruye su diodo interno por una corriente excesiva en inversa.

Figura 3.22 BTS 640 S destruido

Una vez añadido el diodo en antiparalelo se ha realizado otra prueba y se hacomprobado que el BTS 660 P no se desconecta y al final, el fusible de la batería de 12 Vse funde. Las corrientes de cortocircuito que se dan en este tipo de ensayos son menoresque en los casos anteriores y el BTS 660 no detecta la situación de peligro. Por tanto, lasprotecciones no entran en funcionamiento y el cortocircuito no se evita.

Cuando el fusible de la batería de 12 V se funde, unos 12 ms después del inicio delcortocircuito, todas las cargas quedan alimentadas a 42 V. Esta circunstancia es perjudicialpara las cargas de 14 V ya que se ven obligadas a funcionar a una tensión superior a sutensión nominal.

No obstante, se dispone de 12 ms para detectar y solucionar el cortocircuitomediante los sistemas de control y gestión.



3.4 CIRCUITO FINAL

El circuito resultante tras todas las modificaciones es el que aparece en la Figura3.23 este es el circuito que se utilizará en los experimentos.

Figura 3.23 Circuito final

Experimentos Realizados


4. EXPERIMENTOS REALIZADOS

Para comprobar si los BTS podrían reemplazar en un futuro a los fusiblesconvencionales como elementos de protección se diseñaron una serie de ensayos paraprobar su funcionalidad y su eficacia. En este capítulo se pretende comprobar físicamentesi los BTS ofrecen seguridad y robustez por si mismos.

4.1 DESCRIPCIÓN DE LOS EXPERIMENTOS

Para la realización de los experimentos se utiliza la placa diseñada en el capítulo 3.El esquema de la placa puede verse en la Figura 4.1.

Figura 4.1 Esquema de la placa diseñada para los ensayos

Los experimentos se realizaron en el Laboratorio I+D de la ETSE, facultadperteneciente a la Universitat Rovira i Virgili de Tarragona.

Para realizar los ensayos se utilizaron baterías reales de automoción. Para la partede 14 V se ha utilizó una batería de 12 V 45 A/h. Al no disponer de una batería de 42 V seconectaron 3 baterías de 12 V 47 A/h en serie. Como se ha mencionado anteriormente, loscortocircuitos en este ensayo se hicieron manualmente mediante la unión de 2 placas decobre que, dependiendo del caso, van conectadas al bus de 14 V, al bus de 42 V o a masa.



Los osciloscopios usados para la obtención de las gráficas han sido los modelosTDS 3012 B y TDS 754 C. Para medir corrientes se usó el AM503B current probeamplifier y el A6304XL current probe. Todo este instrumental es de Tektronix.

De cada uno de los cortocircuitos realizados en este apartado se han obtenidográficas con los osciloscopios y, de ellas, se han calculado los valores significativos. En laexplicación de cada cortocircuito que se hace de aquí en adelante no aparecen las gráficasobtenidas en todo el ensayo sino una muestra o ejemplo. No obstante, todas las gráficasaparecen el en Anexo B y las tablas obtenidas con los datos en el Anexo A.

4.2 ENSAYOS DE CORTOCIRCUITOS 14 V – GND

Como carga se ha usado una resistencia de 10 Ω a 200 W y el esquema de la placaes el que aparece en la Figura 4.2.

Figura 4.2 Esquema utilizado para realizar cortocircuitos 14V-GND

El hecho de provocar los cortocircuitos dejando caer una placa encima de otraocasiona unos rebotes de las placas de manera que, en realidad, no se produce uncortocircuito sino varios. Esto provoca que en este ensayo, en el que se considera bastantetiempo, aparezca el mismo comportamiento en tres zonas de la gráfica. Hay zonas de lagráfica, por ejemplo, dónde la tensión en el bus es de 14 V, esto indica claramente que lasdos placas no estaban en contacto en ese momento.

La Figura 4.3 muestra el comportamiento del BTS 640, en un periodo de tiempogrande (del orden de ms), durante el cual se provoca un cortocircuito 14 V-GND. El Canal1 corresponde a la tensión en la batería de 12 V y el Canal 2 a la tensión después delfusible. Como se puede observar en esta figura, el BTS 640 se desconecta al producirse elcortocircuito y luego intenta reconectarse indefinidamente. Este comportamiento vieneperfectamente caracterizado en el data sheet de manera que es lo que cabía esperar.



Figura 4.3 Intentos de reconexión del BTS 640 en un cortocircuito 14V-GND

Figura 4.4 Comportamiento del BTS 640 durante un cortocircuito 14V-GND



En la Figura 4.4 el Canal 1 muestra la corriente en la batería de 12V y el Canal 2 latensión en el bus de 14V. Como se puede observar mientras el BTS640 esta desactivado ointenta reconectarse el voltaje es 0V. Como se ha explicado antes, las zonas donde el busestá a 14 V son zonas entre 2 cortocircuitos sucesivos.

A continuación se han tomado las mismas gráficas pero con una escala de tiemposmenor para verlas más detalladamente. Así, las Figuras 4.5 y 4.6 son un zoom in de lasFiguras 4.3 y 4.4 respectivamente.

Figura 4.5 Zoom in de la Figura 4.3

Seguidamente se analizará el comportamiento del BTS 640 solamente en losprimeros instantes (ms) posteriores al cortocircuito. De esta manera los rebotes que estabanpresentes en el ensayo anterior desaparecen y se analiza un solo cortocircuito.

En la Figura 4.7 el Canal 1 muestra la tensión en la batería de 12 V y el Canal 2 latensión después del fusible. Como se puede observar, durante el cortocircuito, el voltajecae a menos de 4 V con una pendiente muy rápida, del orden de ps. Al cabo de 128 µs elBTS 640 se desactiva por primera vez y el voltaje en la batería se recupera.



Figura 4.6 Zoom in de la Figura 4.4

Figura 4.7 Comportamiento del BTS 640 en los primeros instantes del cortocircuito



Figura 4.8 Zoom out de la Figura 4.7

La Figura 4.8 es un zoom out de la Figura 4.7. En ella se puede observar comodespués de 2.56 ms el BTS640 intenta reconectarse, pues se ha enfriado, y lo continuahaciendo con una frecuencia de 1 ms aproximadamente, con cada intento de reconexión setienen picos de voltaje de alrededor de 18V. Por este motivo es necesario desactivarexternamente el BTS640 para evitar que logre reconectarse pudiendo ser perjudicial paralas cargas.

En la Figura 4.9 el Canal 1 muestra la corriente en la batería de 12 V y el Canal 2el voltaje en el bus de 14 V. Como se puede observar, durante el cortocircuito, el voltaje enel bus cae a 0V y no volverá a subir, a menos que se elimine el cortocircuito o el BTS 640logre reconectarse. En el Canal 1 se puede observar la corriente en la batería que, duranteel cortocircuito, llega a 100A aproximadamente. Al desactivarse por primera vez el BTS640 desciende de forma exponencial inversa y se incrementa hasta 42A con cada intentode reconexión. Cuando el BTS 640 se desconecta la corriente baja hasta 0A, este ciclo varepitiéndose con una frecuencia de 1 ms.



Figura 4.9 Tensión en el bus de 14 V y corriente en la batería

En total se realizaron 10 ensayos de cortocircuitos de 14 V – GND. Todas lasgráficas obtenidas pueden encontrarse en el Anexo B y los datos extraídos de los ensayosen el Anexo A.

4.2.1 Observaciones del Ensayo 14V-GND

El BTS 640 se comporta según lo especificado en el data sheet y, después de ladesconexión queda permanentemente intentando reconectarse. Por este motivo es necesariodesactivarlo. El fusible no se daña en este tipo de cortocircuitos. El tiempo de reacción delBTS es de 140 µs aproximadamente. El pico de corriente máximo provocado por elcortocircuito es de unos 97 A. En los intentos de reconexión, antes del que el BTS 640 seadesactivado, se alcanzan unos picos de corriente de aproximadamente 53 A.



4.3 ENSAYOS DE CORTOCIRCUITOS 42V - GND

El esquema utilizado para la realización de éstos experimentos es el que aparece enla Figura 4.10:

Figura 4.10 Esquema utilizado para realizar cortocircuitos 42V-GND

Como carga se ha usado una resistencia de 100 Ω a 300 W.

Figura 4.11 Tensiones en el bus y después del fusible en un cortocircuito 42V-GND



En la Figura 4.11, el Canal 1 corresponde al voltaje en el bus de 42 V y el Canal 2al voltaje después del fusible. Como se puede observar, cuando se presenta el cortocircuito,el bus de 42 V cae hasta 10 V casi de forma inmediata. A partir de los 80 µs el BTS660(junto a la batería) comienza a reaccionar, presentando una impedancia muy grande, con loque el voltaje en la batería se incrementa hasta 65V, 32 µs después el BTS660 se abre yelimina el cortocircuito. En un total de 112 µs el cortocircuito se ha eliminado, el BTS660se queda desconectado, la batería recupera su valor inicial y el fusible no se ha fundido.

En las Figuras 4.12 y 4.13, el Canal 1 corresponde a la corriente de la batería de36V y el Canal 2 al voltaje de la misma. Como se puede observar la batería tiene un picode corriente, a los 75 µs de haberse presentado el cortocircuito, de 438 A (876mV*10_atenuación de la sonda*50 A/DIV), que coincide aproximadamente con el iniciode la desactivación del BTS660. Al cabo de 108 µs la corriente en la batería es 0, con loque el cortocircuito se ha eliminado.

Figura 4.12 Tensión y corriente en la batería de 42 V



Figura 4.13 Tensión y corriente en la batería de 42 V

Se realizaron 10 ensayos para determinar el comportamiento de los BTS. En elAnexo B se encuentran las gráficas obtenidas y en el Anexo A los datos extraídos de losensayos.

4.3.1 Observaciones del Ensayo 42V-GND

Una vez añadidos el diodo y los supresores el circuito funcionó correctamente. LosBTS detectaban los cortocircuitos en unos 130 µs y el fusible no se dañaba. La máximacorriente que se da durante el cortocircuito es de unos 410 A. El BTS queda desconectado.



4.4 ENSAYOS DE CORTOCIRCUITOS 14V – 42V

Como carga de 14 V se ha usado un resistencia de 10 Ω a 200 W y como carga de42 V una resistencia de 100 Ω a 300 W. El esquema del circuito es el que aparece en laFigura 4.14:

Figura 4.14 Esquema utilizado para realizar cortocircuitos 14V-42V

En la Figura 4.15 se muestra en el Canal 1 la corriente en la batería de 12V y en elCanal 2 la corriente en la batería de 36 V.

La corriente de la batería de 12 V es negativa ya que está absorbiendo la corrienteque cede la batería de 36 V.



Figura 4.15 Corrientes de ambas baterías en un cortocircuito 14V-42V

Figura 4.16 Tensiones en ambas cargas en un cortocircuito 14V-42V



En la Figura 4.16, el Canal 1 corresponde al voltaje en la carga de 36 V y el Canal2 al voltaje en la carga de 12 V. Podemos comprobar como la carga de 12 V, después delcortocircuito queda alimentada con el 42 V. Esta circunstancia puede ser perjudicial para lacarga.

En la Figura 4.17, el Canal 1 corresponde a la tensión en la batería de 12 V, elCanal 2 a la tensión en la batería de 36 V. El Canal 3 es el voltaje en el bus de 14 V y elCanal 4 el voltaje en el bus de 42 V.

Figura 4.17 Tensiones en baterías y buses en un cortocircuito 14V-42V

Se realizaron 7 cortocircuitos de 14V-42V. En el Anexo B se encuentran lasgráficas obtenidas y en el Anexo A los datos extraídos de los ensayos.

4.4.1 Observaciones del Ensayo 14V-42V

En este tipo de cortocircuito los BTS no reaccionan y no se desactivan. Esto esdebido a que las corrientes que soportan en este caso son menores que en los anteriores. Deesta manera, el fusible de 12 V se funde y el bus de 42 V alimenta a todo el sistema. Estoprovoca que la carga de 14 V quede alimentada a 42 V lo que puede dañarla. Por tanto, porsi solo el BTS no puede reemplazar al fusible. No obstante, se dispone de unos 12 ms paradetectar y evitar el cortocircuito mediante los dispositivos de gestión antes que el fusible sefunda. El control tiene, por tanto, suficiente tiempo para actuar.

Verificación de la Robustez


5. VERIFICACIÓN DE LA ROBUSTEZ

Para hacer una comprobación de la fiabilidad y robustez del circuito propuesto seha realizado un ensayo de cortocircuitos sucesivos entre 42 V y masa. Para proporcionarunas condiciones lo más parecidas posible a su modo de operación dentro del motor de unautomóvil se ha introducido el circuito dentro de una cámara climática.

Dentro de esta cámara se han simulado temperaturas parecidas a las que existen enel interior del motor de un vehículo aunque se ha podido llegar como máximo a 85 ºC. Lahumedad es un parámetro que no se ha controlado en éste ensayo. También se pretendehacer una estimación de la vida útil de un BTS. Es decir, si puede aguantar varioscortocircuitos y si las altas temperaturas afectan a sus parámetros de manera significativa.

5.1 ¿POR QUÉ ES IMPORTANTE LA TEMPERATURA?

La temperatura de trabajo afecta al comportamiento de todos los elementos queconforman un circuito. Desde el microcontrolador más sofisticado a la resistencia mássimple se ven afectados, en mayor o menor grado, por la temperatura de su ambiente. Asípues, los dispositivos de protección también se ven afectados. Además los circuitoselectrónicos que se encuentran en el motor de un vehículo deben funcionar a temperaturasmucho más elevadas a las temperaturas de ambiente normales. En el compartimento delmotor se puede llegar fácilmente a 120º C. Cabe suponer que los dispositivos de éstoscircuitos se verán bastante afectados. A continuación se hace una sencilla explicación deeste comportamiento:

El grado de transferencia de calor entre un dispositivo y el ambiente depende de ladiferencia de temperatura entre el dispositivo y el ambiente. Así, la temperatura a la que unCF se funde o un SPS y un PPTC se desconectan es en cada caso una temperatura absolutadel dispositivo. Ya que su comportamiento es dependiente con las temperaturas absolutas yrelativas, éstos dispositivos tienen una cierta reducción estática térmica de la capacidad.Esta reducción de la tasa térmica provoca que la mínima corriente de fusión Imfc seadependiente con la temperatura y esta dependencia queda reflejada en las curvas dereducción térmica de la capacidad normal.

La resistencia de un dispositivo Ro cuando su temperatura Tdev es Tamb tiene unacierta dependencia con Tamb. Estas dependencias pueden verse en los data sheets. Comoresultado de esta variación de Ro por la temperatura y la diferencia de la tasa deintercambio de calor con el medio, el comportamiento de los dispositivos es diferente adiferentes Tamb y puede verse reflejado como un cambio en el valor de Imfc. Las curvas dereducción térmica de la capacidad normal pueden verse en la Figura 5.1. Éstas curvascausan un cambio en Imfc y, por consiguiente, un cambio en la característica I-t donde lainteracción con el ambiente es alta.



Figura 5.1 Curvas de reducción térmica de la capacidad normal para tres tipos dedispositivos [3]

5.2 DEFINICIÓN DEL ENSAYO

Para realizar el ensayo se utilizaron baterías reales de automoción. Para la parte de14 V se ha utilizado una batería de 12 V 45 A/h. Al no disponer de una batería de 42 V sehan conectado 3 baterías de 12 V 47 A/h en serie. Los cortocircuitos en este ensayo sehicieron manualmente mediante la unión de 2 placas de cobre que, dependiendo del caso,irán conectadas al bus de 14 V, al bus de 42 V o a masa.

Los osciloscopios usados para la obtención de las gráficas han sido los modelosTDS 3012 B y TDS 754 C. Para medir corrientes se usó el AM503B current probeamplifier y el A6304XL current probe. Todos ellos de Tektronix. Asimismo se utilizó unacámara climática Mytron modelo KPK 35.

Se utilizó un BTS 660 P y una carga de 100 Ω a 100 W. El esquema de la placausada es el que aparece en la Figura 5.2:

Figura 5.2 Esquema utilizado para realizar cortocircuitos en cámara climática



5.3 ENSAYO EN CÁMARA CLIMÁTICA

Una vez introducida la placa dentro de la cámara climática se llevó a unatemperatura inicial de 65º C. En los primeros ensayos se tomaron datos en cadacortocircuito. Después de tomaban datos cada 10 cortocircuitos y posteriormente cada 20.Asimismo, se fueron tomando gráficas de manera aleatoria para poder comparar laevolución de los cambios en caso de darse. Todas las gráficas obtenidas puedenencontrarse en el Anexo D. Los datos extraídos de ellas pueden encontrase en el Anexo C.

5.3.1 Cortocircuitos a 65º C

Como ejemplo de las gráficas obtenidas a la temperatura de 65º C, a continuaciónpodemos ver las Figuras 5.3 y 5.4 correspondientes al ensayo 35.

En la Figura 5.3, en el Canal 1 podemos ver la tensión antes del BTS y en el Canal2 podemos ver la tensión después del BTS. La gráfica que aparece en color rojocorresponde a una función matemática que el osciloscopio calcula y representa en funciónde las otras. En concreto corresponde a CH1-CH2, es decir, a la diferencia entre la tensiónantes del BTS y la tensión después del BTS.

Figura 5.3 Tensiones antes y después del BTS a 65º C



En la Figura 5.4 el Canal 1 corresponde a la sonda de corriente. Es decir, representala corriente que sale de la batería. El Canal 2 representa la tensión de la batería, o sea, antesdel fusible.

Figura 5.4 Tensión y corriente de la batería a 65º C


Posteriormente se aumentó la temperatura de la cámara a 75º C y se continuaron losensayos. Los resultados son los siguientes y corresponden al ensayo 495.

En la Figura 5.5 el Canal 1 es la tensión antes del BTS y el Canal 2 es la tensióndespués del BTS.

En la Figura 5.6 el Canal 1 es la corriente que sale de la batería y el Canal 2 es latensión de la batería.




Se siguió aumentando la temperatura hasta 80º C. Como ejemplo a continuaciónpueden verse las gráficas obtenidas en el ensayo 595.


En la Figura 5.7 el Canal 1 es la tensión antes del BTS y el Canal 2 es la tensióndespués del BTS.

En la Figura 5.8 el Canal 1 es la corriente saliente de la batería y el Canal 2 es latensión de la batería.





Finalmente se llevó la placa a una temperatura de 85º C y se obtuvieron lossiguientes resultados correspondientes al ensayo 715:

En la Figura 5.9 el Canal 1 representa la tensión antes del BTS y en el Canal 2 sepuede observar la tensión después del BTS.

En la Figura 5.10 el Canal 1 es la corriente de la batería y el Canal 2 representa elvoltaje de la misma.



5.4 OBSERVACIONES DEL ENSAYO EN CÁMARA CLIMÁTICA

El ensayo tuvo una duración de 3 h 45 min. Se realizaron 775 cortocircuitos adiferentes temperaturas y el circuito se comportó de la misma manera en los primeros y enlos últimos. No se aprecia una desviación relevante de ninguno de los parámetros dereacción del BTS. Así, la Imax está sobre los 350 A y el tsc sobre los 120 µs.

Por tanto, podemos concluir que la solución propuesta es válida desde el punto devista de la robustez.

5.5 ENSAYO DEL BTS SIN PROTECCIONES

Una vez comprobada la robustez del circuito, se quiso comprobar la del propio BTSsin protecciones. Se retiraron los supresores y el diodo y se procedió a hacer uncortocircuito. La carga utilizada fue de 100 Ω a 100 W. Este ensayo del BTS 660 sinprotecciones es una continuación de las pruebas preliminares realizadas en el capítulo 3cuando se intentaba demostrar la necesidad del uso de los elementos de protección.

Así, ya sabemos que si se hace un cortocircuito 42V-GND sin el diodo del bus y sinlos supresores el BTS se destruirá.

En el primer ensayo el fusible se fundió y se obtuvieron las gráficas que aparecenen las Figuras 5.11 y 5.12. El resultado de este ensayo no era el esperado y, a consecuenciade esto, no se aprecia todo lo que ocurrió sino sólo la primera parte. Por tanto, no escompleto en lo que se refiere al eje de tiempos. El motivo por el que el fusible se fundióantes que el BTS es que era el mismo fusible que se usó durante todos los ensayos en lacámara climática. Este elemento había estado sometido a grandes corrientes durante másde 700 cortocircuitos y quizás no soportó el cortocircuito sin protecciones.

En la Figura 5.11 el Canal 1 corresponde a la tensión después del fusible y el Canal2 corresponde a la tensión de la carga.

En la Figura 5.12 el Canal 1 corresponde a la corriente en la batería y el Canal 2corresponde a la tensión en la batería.



Figura 5.11 Cortocircuito sin protecciones

Figura 5.12 Cortocircuito sin protecciones



Una vez sustituido el fusible se procedió a hacer de nuevo el cortocircuito. En elsegundo ensayo el BTS si se destruyó y el fusible quedó intacto. Las gráficas son lassiguientes.

Figura 5.13 Destrucción del BTS 660 P

En la Figura 5.13 el Canal 1 es la tensión después del fusible y el Canal 2 es latensión en la carga.

En la Figura 5.14 el Canal 1 es la corriente de la batería y el Canal 2 es la tensiónen bornes de la batería.

Se puede observar que el BTS intenta desconectarse pero no lo consigue yfinalmente se destruye quedando el circuito abierto.



Figura 5.14 Destrucción del BTS 660 P

Finalmente, la Figura 5.15 muestra una fotografía de todo el montaje necesariopara la realización del ensayo en cámara climática.

Figura 5.15 Ensayo en cámara climática

Planos


UNIVERSITAT ROVIRA I VIRGILI

Sustituido por:

Ingeniero Técnico Industrial

Martina Vilar Jorba

Sustituye a:

NORMA

COMPROBADO

DIBUJADO

ESCALA:

FECHA NOMBRE

Escola Tècnica Superior d’EnginyeriaJunio 2003

U.N.E.

Junio 2003

Martina Vilar

Javier Maixé

Número de plano:

S/N Esquema de placas de SC 1 y 26.1

R21k

1/2WU2

BTS660P

5

12

4

3

67

8

IS

OUT_1OUT_2

VBIN

OUT_6OUT_7

TA

R31k

1/2W

D340CPQ060

U1BTS660P

5

12

4

3

67

8

IS

OUT_1OUT_2

VBIN

OUT_6OUT_7

TA

BTS640

1

43

5

2

67ST

Vbb

IN

ISGnd

Out_1Out_2

J2

CON2

12

J1

CON2

12

J3

CON2

12

J4

CON2

12

BTS640

1

43

5

2

67ST

Vbb

IN

ISGnd

Out_1Out_2

R81k

1/2W

R91k

1/2W

D15KP24A

D25KP24A

S14n

Snbox14Cargasa 12 V

Batería36 V

Batería12 V

TerminalControl

BUS 12

S14nOUT

Snbox14

TerminalControl

GND

TerminalControl

Cargasa 36 V

Snbox42

BUS 36

Snbox42

TerminalControl

S42n

S42n

U3 U4

D440CPQ060

Planos



Sustituido por:


Martina Vilar Jorba

Sustituye a:

NORMA

COMPROBADO

DIBUJADO

ESCALA:

FECHA NOMBRE


U.N.E.

Junio 2003

Martina Vilar

Javier Maixé

Número de plano:

1 : 1Distribución de componentes en las placas

de SC 1 y 26.2

Planos



Sustituido por:


Martina Vilar Jorba

Sustituye a:

NORMA

COMPROBADO

DIBUJADO

ESCALA:

FECHA NOMBRE


U.N.E.

Junio 2003

Martina Vilar

Javier Maixé

Número de plano:

1 : 1Trazado de pistas en la cara inferior de las

placas de SC 1 y 26.3

Planos


Presupuesto


7. PRESUPUESTO

7.1 CUADRO DE PRECIOS

7.1.1 Material

Nº Unidad Descripción Precio (€)

1 U Interruptor Inteligente PROFET BTS 660P 6,70

2 U Interruptor Inteligente PROFET BTS 640 S2 6,00

3 U Supresor de tensión transitoria axial unidireccional5KP24A 2,65

4 U Diodo rectificador Schottky 40CPQ060A, 40 A, 60 V 7,35

5 U Resistor 1 kΩ de 0,25 W, tolerancia ± 5% de película decarbón y buena estabilidad en formato axial.

0,04

6 U Regleta PCB de 2 vías con paso de 5 mm. 0,50

7 U Placa circuito impreso a simple cara de 11,4 x 12,2 cm2. 3,06

7.1.2 Montaje

Nº Unidad Descripción Precio (€)

8 - Taladrado de la placa, soldado de 16 componentes ycableado. 10,70

7.2 CANTIDADES

7.2.1 Material

Nº Referencia Descripción Cantidad

1 U1, U2 Interruptor Inteligente PROFET BTS 660P 22 U3, U4 Interruptor Inteligente PROFET BTS 640 S2 2

3 D1, D2 Supresor de tensión transitoria axialunidireccional 5KP24A 2

4 D3, D4 Diodo rectificador Schottky 40CPQ060A, 40 A,60 V 2

5 R1, R2, R3, R4Resistor 1 kΩ de 0,25 W, tolerancia ± 5% depelícula de carbón y buena estabilidad en formatoaxial.

4

6 J1, J2, J3, J4 Regleta PCB de 2 vías con paso de 5 mm. 4

7 - Placa circuito impreso a simple cara de 11,4 x12,2 cm2. 1

Presupuesto


7.2.2 Montaje

Nº Referencia Descripción Cantidad

8 - Taladrado de la placa, soldado de 16 componentesy cableado 1

7.3 APLICACIÓN DE PRECIOS

7.3.1 Material

Nº Unidad Descripción Precio U.(€) Cantidad Subtotal

(€)

1 U Interruptor Inteligente PROFETBTS 660P 6,70 2 13,40

2 U Interruptor Inteligente PROFETBTS 640 S2 6,00 2 12,00

3 U Supresor de tensión transitoria axialunidireccional 5KP24A 2,65 2 5,30

4 U Diodo rectificador Schottky40CPQ060A, 40 A, 60 V 7,35 2 14,70

5 UResistor 1 kΩ de 0,25 W, tolerancia± 5% de película de carbón y buenaestabilidad en formato axial.

0,04 4 0,16

6 U Regleta PCB de 2 vías con paso de 5mm. 0,50 4 2,00

7 U Placa circuito impreso a simple carade 11,4 x 12,2 cm2. 3,06 1 3,06

Subtotal Material 50,62

7.3.2 Montaje

Nº Unidad Descripción Precio U.(€) Cantidad Subtotal

(€)

8 U Taladrado de la placa, soldado de 16componentes y cableado 10,70 1 10,70

Subtotal Montaje 10,70

61,32 €.

El precio subtotal del capítulo de placa de cortocircuitos 1 y 2 asciende a la cantidadde SESENTA Y UN EUROS CON TREINTA Y DOS CÉNTIMOS.

Presupuesto


7.4 RESUMEN DEL PRESUPUESTO

7.4.1 Precio de Ejecución Material

Hardware de placa de cortocircuitos

- Asciende el precio por unidad: 61,32 €- Número de unidades: 2

Subtotal: ...........................................................................................................122,64 €CIENTO VINTIDÓS EUROS CON SESENTA Y CUATRO CÉNTIMOS.

Presupuesto del personal

- Asciende el precio por semana: 225 €- Número de semanas: 16

Subtotal: ........................................................................................................ 3600,00 €TRES MIL SEISCIENTOS EUROS.

TOTAL Precio Ejecución Material (PEM): .................................................. 3722,64 €TRES MIL SETECIENTOS VENITIDÓS EUROS CON SESENTA Y CUATRO

CÉNTIMOS.

7.4.2 Presupuesto de Ejecución por Contrato

Total Presupuesto de Ejecución Material (PEM) ............................................. 3722,64 €

Gastos Generales (13% sobre PEM) ..................................................................483,94 €

Amortización de Equipamientos (30% sobre PEM)......................................... 1116,79 €

Beneficio Industrial (6% sobre PEM).................................................................223,36 €

TOTAL Presupuesto de Ejecución por Contrato (PC) ................................... 5546,73 €

Presupuesto


7.4.3 Precio de Licitación

Total Presupuesto de Ejecución por Contrato (PC).......................................... 5546,73 €

IVA (16% sobre PC)..........................................................................................887,48 €

TOTAL Precio de Licitación (PL).................................................................. 6434,21 €

El precio total del presupuesto asciende a SEIS MIL CUATROCIENTOSTREINTA Y CUATRO EUROS CON VEINTIÚN CÉNTIMOS.

Tarragona, a 1 de Noviembre de 2003El INGENIERO TÉCNICO INDUSTRIAL

FDO. MARTINA VILAR JORBA

Conclusiones


8. CONCLUSIONES

Durante la realización de este proyecto se ha llevado a cabo un amplio estudiosobre los Smart Power Switch, en concreto sobre los BTS de Infineon. Gracias a esteestudio se ha confirmado la idoneidad de los BTS como dispositivos de proteccióncontra cortocircuitos. Concretamente se ha emplazado el estudio en los sistemas dedistribución de potencia de los automóviles.

También se ha realizado un estudio comparativo de los distintos dispositivos deprotección contra cortocircuitos desde diferentes puntos de vista como, por ejemplo, lacapacidad de reutilización o los modos de fallo. Se han comparado los Smart PowerSwitch con los PPTC y los fusibles convencionales.

Además, se ha conseguido identificar el correcto modo de funcionamiento de losBTS para cada tipo de aplicación. Se ha determinado la circuitería auxiliar necesaria encada caso y se ha justificado el uso de la misma.

Se ha diseñado una placa de ensayos para poder comprobar la efectividad de losBTS en la protección contra cortocircuitos. Posteriormente se han definido losexperimentos para llevar a cabo los ensayos con el diseño propuesto.

Se han realizado tres familias de ensayos:

- Cortocircuitos 14V-GNG- Cortocircuitos 42V-GND- Cortocircuitos 14V-42V

8.1 CORTOCIRCUITOS 14V-GND

En este tipo de ensayo se cortocircuita el bus de 14V con masa. La red de 14 Vestá protegida con BTS 640 S de Infineon, por tanto, éste es el elemento encargado de laprotección de este tipo de cortocircuitos. Cuando se produce un cortocircuito entre elbus de 14V y masa, la corriente se incrementa notablemente. El BTS 640 detecta lacondición de peligro y sus protecciones empiezan a actuar. El BTS 640 se calienta hastatal punto que se desconecta e interrumpe el paso de corriente unos 130 µs después deproducirse el cortocircuito. El dispositivo empieza a enfriarse y, cuando alcanza a unatemperatura segura, intenta reconectarse. Estos intentos de reconexión se producen cadams. Si continúan las condiciones de cortocircuito el BTS no podrá volver a conectarsepero si las condiciones de cortocircuito se han solucionado volverá a conducir como sino hubiera pasado nada.

Una de las características destacables del BTS 640 son sus intentos dereconexión, el dispositivo intentará reconectarse indefinidamente mientras no sesolucione la condición de cortocircuito o no se desactive el BTS externamente a travésde su entrada de control.

Así pues, el modelo propuesto es válido ya que el BTS se desconecta por si sóloal producirse una condición de cortocircuito antes de que el fusible se funda. Noobstante, los sistemas de control y gestión deberán intervenir para evitar que el BTS

Conclusiones


siga intentando reconectarse indefinidamente. Pero se puede concluir que los BTSevitan la necesidad de los fusibles en el ensayo de cortocircuito 14V-GND.

8.2 CORTOCIRCUITOS 42V-GND

En este ensayo se cortocircuita el bus de 42V con masa. La red de 42 V estáprotegida con BTS 660 P de Infineon. En este tipo de cortocircuitos se dan las mayorescorrientes, de unos 410 A. Cuando se produce el cortocircuito las protecciones del BTSentran en funcionamiento y se desconecta al cabo de unos 120 µs. Este dispositivo notiene reconexión automática por lo cual, aunque desaparezcan las condiciones decortocircuito, no volverá a conectarse por si solo. Los sistemas de control debenconectar de nuevo el BTS una vez se ha protegido. Gracias a la circuitería auxiliarañadida al diseño en torno al BTS 660 P se ha conseguido dotarlo de una gran robustezevitando su modo de fallo en cortocircuito interno. De esta manera se garantiza siempreel control sobre el dispositivo.

8.3 CORTOCIRCUITOS 14V-42V

En este tipo de ensayo se cortocircuitan el bus de 14V y el bus de 42V. Duranteel cortocircuito la batería de 36 V cede corriente a la batería de 12 V. Dado que lasprotecciones en inversa no funcionan, el BTS 640 S (red de 14V) no actúa en estecortocircuito. El BTS 660 P (red de 42V) debería desconectarse pero la corriente quecircula no es suficientemente elevada y el dispositivo no reconoce la situación como uncortocircuito. Finalmente el fusible se funde al cabo de 12 ms. El tiempo del quedisponen los dispositivos de control y gestión para actuar y desconectar el BTS essuficiente.

Una vez realizados los ensayos de cortocircuitos se hizo un análisis de robustezdel diseño propuesto. Se quiso probar la placa a una temperatura lo más parecida a latemperatura real de trabajo en el interior de un automóvil. Así pues se hizo un ensayo derobustez dentro de una cámara climática para comprobar si los parámetros defuncionamiento variaban con la temperatura. Tras más de 700 cortocircuitos 42V-GNDdentro de la cámara climática el circuito se comportaba de la misma manera. Por tanto,no se pudo distinguir ninguna variación de funcionamiento y se comprobó la robustezdel diseño.

Como conclusión final se puede señalar que en los futuros sistemas de DualVoltaje los BTS se pueden convertir en un elemento clave en la protección de lossistemas de distribución de potencia. Se pueden aplicar de dos maneras distintas:

- dejando que actúen sus protecciones cuando el dispositivo detecteuna situación peligrosa.

- aprovechando la información que proporcionan sus sistemas desensado mediante un sistema de control inteligente que sea capaz deevaluar las situaciones de peligro y actuar en consecuencia.

Con un control apropiado se puede realizar una gestión de la energía eficiente.

Referencias y Bibliografía



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system costs”. Application note, Infineon.

(http://www.infineon.com/cmc_upload/migrated_files/document_files/Aplication_Notes/graf2.p

df)

[2] Dr.Alfons Graf, “Smart Power Switches for Automobile and Industrial Applications”, VDE,

ETG Conference “Contact Performance and Switching”, Karlsruhe, September 2001.

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[3] Ilija Jergovic, “Protection and Fusing in Advanced Automotive Electrical Environment” Lees

Technical Report TR-00-002, April 2000

( http://www.infineon.com/cmc_upload/0/000/012/540/JergovicLEESTR.pdf)

[4] Why 42 Volts in Motor Vehicles?

( http://www.bordnetzforum-42v.de/bordnetz/42v_e.html)

[5] Dr.Alfons Graf, “Semiconductors in the 42V PowerNet” Intertech, 42V Automotive Systems

Conference, Chicago, September 2001.

( http://www.infineon.com/cmc_upload/documents/031/367/ANSP066E.pdf)

[6] J. Neubert, “Powering up”, IEEE Review, pp. 21-25, 2000.

[7] J. Maixé y R. Giral, “Convertidor para la recarga de emergencia de la batería de un automóvil

con arquitectura dual-voltage,” Seminario Anual de Automática, Electrónica Industrial e

Instrumentación, SAAEI'01, 2001.

[8] http://mit42v.mit.edu.

[9] Alfons Graf and Hannes Estl, “Fuse Function with PROFET Highside Power Switches”

Application note, Infineon.

(http://www.infineon.com/cmc_upload/migrated_files/document_files/Application_Notes/anps0

39e.pdf)

[10] J. M. Miller, D. Kaminski, and T. M. Jahns, “Making Case for a Next Generation Automotive

Electrical System,” IEEE-SAE International Congress on Transportation Electronics, pp. 1-11,

1998.



[11] Jordi Bigorra, Carles Borrego, Joan Fontanilles and Jordi Giró, European Technological Center,

Lear Automotive EEDS Spain S.L.

“Innovative Electrical and Electronic Architecture for Vehicles with Dual Voltage Power

Networks In-Vehicle Application” SAE 2000 World Congress, Detroit, Michigan,March 6-

9,2000

[12] Javier Calvente, Ramon Leyva, Javier Maixè, Luis Martínez Salamero, “Shortcircuit Simulation

in a 42 V / 14 V Dual Voltage System”

Grup d’Automàtica i Electrònica Industrial.

Departament d’Enginyeria Electrònica, Elèctrica i Automàtica – URV

[13] J.Vincent Hellmann ( General Motors Corp.) and Robert J.Sandel ( Ford Moor CO.), “Dual /

High Voltage Vehicle Electrical Systems” SAE Future Transportation Technology Conference

and Exposition, Portland, Oregon, August 5-7, 1991

[14] Michael F.Matouka “Design Considerations for Higher Voltage Automotive Electrical Systems”

General Motors Corp.

[15] John G. Kassakian ( Massachusetts Institute of Technology), Hans - Christoph Wolf ( Mercedes -

Benz AG), John M.Miller ( Ford) and Charles J.Hurton (General Motors), “The Future of

Automotive Electrical Systems”.

[16] Khurram K.Afridi, Richard D.Tabors and John G.Kassakian, “Alternative Electrical Distribution

System Architectures for Automobiles”

Laboratory for Electromagnetic and Electronic Systems

Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA 02139

[17] Dr. T.M. Jahns , “Getting Ready for 42 V Automotive Power Distribution”

MIT 98

[18] 42V Mkt. & Enabling Technologies Vol. 2 – Excerpt

(http://www.tierone.com/42voltsaddexcerpt.html)

[19] - 42 Volts emerges as an inevitable next stage for the motor industry

(http://www.autointell.com/news-2000/June-2000/June-27-00-p9.htm)

[20] J.C. Das, Power System Analysis Marcel Dekker, Inc.

[21] Raychem Corporation. Circuit Protection Databook: October 1998. Menlo Park, CA: Raychem

Corporation 1998.



[22] Datasheet del BTS 660 P de Infineon

(http://www.infineon.com/cmc_upload/documents/008/694/Bts660p_1.pdf)

[23] Datasheet del BTS 640 S de Infineon(http://www.infineon.com/cmc_upload/documents/008/673/Bts640S2.pdf)

[24] Catálogo de BTS publicado por Infineon(http://www.infineon.com/cmc_upload/documents/046/091/automotive_sg.pdf)

ANEXO A: Datos del Ensayo de Cortocircuitos


ANEXO A: DATOS DE LOS ENSAYO DE CORTOCIRCUITOS

A.1 DATOS DEL ENSAYO DE CORTOCIRCUITOS 14 V – GND


A.3 DATOS DEL ENSAYO DE CORTOCIRCUITOS 14V – 42 V



A.1 DATOS DEL ENSAYO DE CORTOCIRCUITOS 14 V - GND

Ensayo V antes fusibleinicial (V)

V despuésfusible inicial

(V)

V bus ini(V) tf sc

V umbral mín.entrada antes

fusible (V)

V umbral mín.entrada después

fusible (V)

V pico primeraoscilación antes

fusible (V)

V pico primeraoscilación después

fusible (V)

t primeraestabilización

(µs)

t primer intentoreconexión (ms)

1 12,30 12,3 12,20 ps 4,3 3,0 15,2 15,4 136,0 2,68

2 12,20 12,2 12,10 ps 4,2 3,2 15,3 15,5 140,0 2,663 12,20 12,2 12,00 ps 4,2 3,2 15,7 15,9 148,0 2,704 12,30 12,2 12,20 ps 4,3 3,3 16,1 16,5 126,0 2,655 12,10 12,2 12,10 ps 2,4 1,7 14,5 14,7 132,0 2,736 12,20 12,3 12,10 ps 4,1 3,0 14,2 14,4 130,0 2,587 12,30 12,4 12,20 ps 3,7 2,3 15,8 16,2 148,0 2,568 12,30 12,4 12,20 ps 4,4 3,2 15,4 15,7 132,0 2,389 12,30 12,5 12,20 ps 4,2 3,0 15,7 16,2 120,0 2,46

10 12,30 12,3 12,20 ps 4,0 2,5 15,6 15,9 124,0 2,48

Media 12,25 12,30 12,15 3,98 2,84 15,35 15,64 133,60 2,59

Desv. 0,071 0,105 0,071 0,588 0,515 0,591 0,667 9,513 0,117

Ensayoperiodo

reconexión(ms)

máx. Vpicoreconexión

antes fusible(V)

máx. Vpicoreconexión

después fusible(V)

V bus mín.(V) V bus máx. (V) I pico SC (A)

I máx.reconexión (A)

1 1,0 17,5 18,1 -1,6 0,0 96,0 50,0

2 1,0 17,9 18,6 -1,7 0,8 100,0 52,03 1,0 17,9 18,6 -1,8 1,0 98,0 54,04 1,0 18,0 18,6 -1,7 1,1 100,0 54,05 1,0 17,9 18,7 -1,7 1,0 90,0 54,06 1,0 20,0 22,7 -1,7 1,0 88,0 54,07 1,0 18,1 19,0 -1,7 1,0 102,0 52,08 1,0 17,9 18,7 -1,7 1,0 96,0 54,09 1,0 17,8 18,7 -1,8 1,0 102,0 52,0

10 1,0 17,9 18,8 -1,7 1,0 98,0 52,0

Media 1,00 18,09 19,05 -1,71 0,89 97,00 52,80

Desv. 0 0,689 1,302 0,057 0,321 4,738 1,398




Ensayo V antes fusibleinicial (V)

V despuésfusible inicial

(V)

V bus inicial(V)

tf SC V umbral mín.antes fusible(V)

V umbral mín.Bus 42 V (V)

V máx endescon. BTS

desp. fusible (V)

tiemporeacción BTS

(µs)

tiempo hastaque BTS

reconoce el SC(µs)

I pico SC (A)tiempo enalcanzar Ipico (µs)

1 36,0 36,0 36,0 ps 4,8 0,0 64,4 110,0 68,0 428,0 68,0

2 36,0 36,0 36,0 ps 4,0 4,0 64,6 112,0 74,4 438,0 74,4

3 36,0 36,0 36,0 ps 0,0 4,0 65,2 144,0 112,0 438,0 112,0

4 36,0 36,0 36,0 ps 6,0 4,0 63,0 108,0 74,4 434,0 74,4

5 36,0 36,0 36,0 ps 2,0 2,0 65,2 108,0 74,0 438,0 108,0

6 36,0 36,0 36,0 ps 3,0 0,0 63,2 195,0 170,0 318,0 195,0

7 37,0 37,0 37,0 ps 8,0 6,0 64,8 166,0 131,0 404,0 166,0

8 37,0 37,0 37,0 ps 0,0 0,0 65,2 74,8 110,0 440,0 110,0

9 37,0 37,0 37,0 ps 5,0 6,0 64,8 137,0 173,0 434,0 173,0

10 37,0 37,0 37,0 ps 9,0 10,0 63,6 156,0 201,0 324,0 201,0

Media 36,4 36,4 36,4 4,2 3,6 64,4 131,1 118,8 409,6 128,2

Desv. 0,516 0,517 0,516 3,043 3,239 0,838 35,228 48,441 47,868 51,221



A.3 DATOS DEL ENSAYO DE CORTOCIRCUITOS 14 V – 42 V

EnsayoV bat 36 ini.

(V)V bat 12 ini.

(V)V bus 42 ini.

(V)V bus 14ini. (V)

t bajada42V (µs)

t subida14V (µs)

I bat 36pico (A)

I bat 12pico (A)

V SC bus42 (V)

V SC bus14 (V)

V estab.bus 42 (V)

V estab. bus14 (V)

t SCsegún I

(ms)

t SC según V(ms)

1 36,8 12,8 36,0 12,2 7,3 ns 220 -208 19,2 21,2 13,2

2 36,8 13,2 36,8 12,2 80 ns 225 -212 19,6 19,2 36,4 36,4 12,5 12,2

3 36,8 13,2 36,8 12,2 120 50 230 -212 19,2 20,0 36,8 36,6 11,8 12,1

4 36,8 13,2 36,8 12,2 80 100 225 -210 19,6 19,2 36,0 36,0 11,6 11,6

5 36,8 13,2 36,8 12,2 80 100 230 -212 19,6 19,6 36,0 36,0 12,2 12,2

6 36,8 12,4 36,8 12,0 100 100 235 -216 19,6 20,0 36,4 36,6 12,2 12,2

7 37,2 12,4 36,8 12,0 80 100 230 -214 19,6 19,6 36,4 36,4 11,6 11,6

Media 36,9 12,9 36,7 12,1 78,2 90,0 227,9 -212,0 19,5 19,8 36,3 36,3 12,2 12,0

Desv. 0,151 0,380 0,302 0,098 34,790 22,360 4,880 2,582 0,195 0,687 0,301 0,273 0,571 0,299

Ensayo fuse 12 fuse 36t bajada I

12 (µs)t subida I

36 (µs)

V inicialLOAD 36

(V)

V inicialLOAD 12

(V)

V SCLOAD 36

(V)

V SCLOAD 12

(V)

V máx.LOAD 12

(V)

V mín.LOAD 36

(V)

¿durantecuanto

tiempo ?(ms)

t bajadabat 36(µs)

t subidabat 12(µs)

V SC bat12 (V)

V SC bat36 (V)

1 100,0 77,4 37,6 21,4 19,8 21,4 36,4 19,8 12,0 4,5 1,5 21,6 23,2

2 KO vive 102,7 64,2 37,0 21,2 19,6 21,2 36,4 19,6 12,0 70,0 80,0 17,6 24,0

3 KO vive 141,0 172,0 37,4 20,6 19,8 20,6 36,0 19,8 11,6 70,0 100,0 19,2 24,0

4 KO vive 93,7 68,9 37,8 20,8 19,8 20,8 36,6 19,8 11,6 70,0 70,0 17,6 24,0

5 KO vive 95,2 62,4 37,4 21,2 19,6 21,2 36,4 19,6 12,0 80,0 70,0 18,4 24,0

6 KO vive 90,0 62,0 37,0 21,6 19,6 21,6 36,0 19,6 12,2 80,0 50,0 19,2 24,0

7 KO vive 86,5 64,8 37,6 24,2 19,8 24,2 36,4 19,8 11,4 70,0 70,0 17,6 24,0

Media 101,3 81,7 37,4 21,6 19,7 21,6 36,3 19,7 11,8 63,5 63,1 18,7 23,9

Desv. 18,355 40,185 0,306 1,208 0,107 1,208 0,227 0,107 0,293 26,440 30,974 1,450 0,302

ANEXO B: Gráficas de Ensayos de Cortocircuitos


ANEXO.B: GRÁFICAS DE ENSAYOS CORTOCIRCUITOS

B.1 GRÁFICAS ENSAYOS CORTOCIRCUITOS 14V – GND

B.2 GRÁFICAS ENSAYOS CORTOCIRCUITOS 42V – GND

B.3 GRÁFICAS ENSAYOS CORTOCIRCUITOS 14V – 42V



B.1 GRÁFICAS ENSAYOS CORTOCIRCUITOS 14V- GND

De cada ensayo se han tomado 3 gráficas. En la primera de ellas, la que aparece a laizquierda, el Canal 1 representa la tensión antes del fusible y el Canal 2 representa latensión después del fusible. La escala de tiempos en esta gráfica es del orden de los 100 µs.La gráfica que aparece a la derecha es un zoom out de la gráfica anterior y la escala detiempos de ésta es del orden de 1 ms. En ésta segunda gráfica se pueden apreciar variosintentos de reconexión. Los Canales de esta gráfica son, por tanto, las mismas señales queen la gráfica anterior. Es decir, el Canal 1 y el Canal 2 son respectivamente las tensionesantes y después del fusible. En la tercera gráfica, se representan en el Canal 1 la corrientede la batería y en el Canal 2 la tensión en el bus de 14 V. Al final se ha hecho un ensayoadicional un poco diferente. En este ensayo, podemos llamarlo 11, se ha seleccionado unaescala de tiempos mayor, de manera que observamos mucho más tiempo elcomportamiento del circuito. Se ha escogido una escala de 10 ms para las dos gráficas y sehace un zoom in hasta los 4 ms. De manera que en éste ensayo tenemos 4 gráficas. Las dosde la derecha son zoom in de las de la izquierda. Los Canales representan las mismasseñales que todas las otras.

Ensayo 1



Ensayo 2

Ensayo 3



Ensayo 4

Ensayo 5



Ensayo 6

Ensayo 7



Ensayo 8

Ensayo 9



Ensayo 10

Ensayo 11



B.2 GRÁFICAS ENSAYOS CORTOCIRCUITOS 42V - GND

Para cada ensayo se han obtenido 2 gráficas.En el primer ensayo, en la gráfica de la izquierda aparece la tensión antes y después delfusible para el Canal 1 y el Canal 2 respectivamente. En la gráfica de la derecha vemos enel Canal 1 la corriente en la batería de 36 V y en el Canal 2 vemos la tensión en el bus de42 V.

Ensayo1

A partir de ahora se modifican los puntos de medida y tendremos, para todos losensayos:

En la gráfica de la izquierda el Canal 1 es la tensión en el bus de 42 V y el Canal 2es la tensión después del fusible.

En la gráfica de la derecha el Canal 1 es la corriente de la batería y el Canal 2 es elvoltaje de la batería.

Ensayo 2



Ensayo 3

Ensayo 4

Ensayo 5

En los ensayos 6 y 7 la corriente tiene un comportamiento algo diferente. Seaprecian ángulos, por lo que se han tomado tres copias de la gráfica de la derecha con loscursores en los puntos interesantes para poder analizarla correctamente. Así, las 2 gráficasde la fila inferior y la de la derecha son la misma.



Ensayo 6

Ensayo 7



Ensayo 8

Ensayo 9

Ensayo 10



B.3 GRÁFICAS ENSAYOS CORTOCIRCUITOS 14V-42V

Para cada ensayo hay 3 gráficas. En la primera, que aparece a la izquierda, el Canal

1 es la corrientes en la batería de 12 V y el Canal 2 es la corriente en la batería de 36 V. En

la segunda gráfica, la de la derecha, podemos ver que el Canal 1 corresponde a la tensión

en la carga de 42 V y el Canal 2 corresponde a la tensión en la carga de 14 V. Por último,

encontramos una tercera gráfica dónde hay 4 canales. El Canal 1 es el voltaje en la batería

de 12 V y el Canal 2 es el voltaje en la batería de 36 V. El Canal 3 es la tensión en el bus

de 14 V y el Canal4 representa la tensión en el bus de 42 V.

Ensayo 1



Ensayo 2

Ensayo 3



Ensayo 4

Ensayo 5



Ensayo 6

Ensayo 7

ANEXO C: Datos del Ensayo en Cámara Climática


ANEXO C: DATOS ENSAYO CÁMARA CLIMÁTICA

C.1 DATOS OBTENIDOS DEL ENSAYO EN CÁMARA CLIMÁTICA A 65º C







Ensayo ts (µs) I mx SC (A) V min bat 36V (V) dif. Max bornes BTS(V)

Temperatura(ºC)

1 198 234 4,40 2,40 652 119 320 10,40 5,60 653 119 352 17,20 10,00 654 191 354 16,40 17,60 655 122 350 16,40 9,60 656 122 356 17,20 11,20 657 121 348 16,40 11,20 658 117 358 17,20 14,00 659 121 356 17,20 20,40 65

10 124 350 16,40 10,40 6511 119 354 16,80 16,00 6512 121 358 16,40 10,00 6513 125 358 16,80 16,00 6514 120 358 17,20 12,80 6515 119 360 16,80 20,80 6516 119 362 17,20 10,40 6517 120 360 17,20 10,80 6518 120 358 16,80 13,60 6519 119 360 17,20 12,80 6520 121 354 16,40 12,00 6521 121 358 17,20 13,60 6522 122 360 18,00 14,40 6523 120 360 17,20 11,60 6524 121 356 16,40 10,40 6525 116 352 16,40 8,00 6526 142 270 10,00 6,80 6527 113 350 12,40 10,00 6528 120 288 10,80 7,20 6529 120 358 17,20 9,20 6530 124 352 16,40 12,00 6531 114 330 11,60 5,60 6532 119 356 17,20 9,60 6533 121 354 17,20 12,00 6534 117 310 11,20 8,80 6535 124 358 17,20 14,00 6536 120 298 11,20 8,40 6537 119 358 17,20 10,80 6538 120 280 10,80 7,60 6539 158 350 15,60 11,20 6540 121 352 16,40 10,40 6541 120 354 16,80 13,20 6542 128 286 11,20 8,00 6543 120 354 16,80 9,60 6544 120 354 16,00 10,80 6545 119 356 17,20 16,40 65




Temperatura(ºC)

46 120 354 17,20 15,60 6547 160 334 17,20 12,80 6548 122 354 16,80 15,20 6549 123 352 16,80 15,60 6550 123 354 16,40 10,80 6560 123 356 17,20 9,60 6570 120 298 10,00 7,60 6580 139 280 10,40 7,20 6590 118 356 14,40 10,40 65100 121 294 10,80 6,80 65110 117 302 10,40 4,40 65115 133 288 11,20 8,40 65125 120 308 11,20 7,20 65135 140 286 11,20 6,00 65145 129 284 10,80 6,80 65155 137 284 11,20 7,20 65165 131 286 10,80 7,60 65175 119 366 17,60 12,40 65185 116 368 18,00 14,00 65195 116 366 17,60 16,80 65205 115 368 17,60 13,20 65215 117 366 17,60 12,00 65225 118 370 17,60 14,80 65235 115 370 17,20 9,60 65245 117 366 17,60 9,20 65255 118 364 17,20 11,60 65265 116 362 17,60 12,00 65275 117 364 17,60 14,80 65285 116 368 17,20 12,40 65295 116 364 17,20 13,20 65315 118 360 17,20 11,60 65335 116 362 17,20 12,40 65355 116 360 18,00 13,60 65375 116 362 18,00 10,80 65395 113 362 17,60 14,80 65

MEDIA 124 342 15,42 11,20DESVIACIÓN 14 30,7458343 2,948292791 3,45





Temperatura(ºC)

415 116 352 17,20 18,80 75435 114 360 18,00 11,20 75455 115 358 17,20 10,40 75475 116 362 17,20 12,00 75495 117 356 17,60 17,60 75515 114 360 17,20 16,80 75535 116 360 18,00 11,20 75555 116 360 17,60 9,60 75




Temperatura(ºC)

575 111 336 18,00 14,80 80595 112 350 17,60 20,40 80615 116 356 18,00 12,80 80635 116 356 17,20 10,40 80655 112 354 17,60 14,40 80675 114 354 16,80 14,00 80




Temperatura(ºC)

695 113 350 18,00 13,20 85715 112 348 17,20 12,40 85735 112 352 18,00 10,00 85755 112 350 17,60 15,20 85775 113 352 18,00 13,60 85


ANEXO D: Gráficas Ensayos Cortocircuitos en Cámara Climática


ANEXO D: GRÁFICA S ENSAYOS CORTOCIRCUITOS EN CÁMARACLIMÁTICA

D.1 GRÁFICAS ENSAYOS CORTOCIRCUITOS 65º C







Para cada ensayo hay 2 gráficas. En la gráfica de la izquierda, el Canal 1 representala tensión antes del BTS y el Canal 2 la tensión después del BTS. La gráfica que apareceen color rojo es una función matemática que representa la diferencia entre las tensionesantes y después del BTS. En la gráfica de la derecha el Canal 1 es la corriente de la bateríay el Canal 2 es la tensión de la batería, es decir, antes del fusible de protección.

Ensayo 2

Ensayo 3

Ensayo 4



Ensayo 5

Ensayo 15

Ensayo 25

Ensayo 35



Ensayo 45

Ensayo 80

Ensayo 110




Ensayo 415

Ensayo 455

Ensayo 495



Ensayo 535

Ensayo 555




Ensayo 595

Ensayo 615

Ensayo 635



Ensayo 655

Ensayo 675




Ensayo 695

Ensayo 715

Ensayo 735



Ensayo 755

Ensayo 775

panel de ensayos de cortocircuitos en un sistema 42v...

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