Sistemas de alta tensión en el automóvil. Puntos de peligro y sistemas de seguridad.

En este primer tema vamos a conocer los sistemas relacionados con la alta tensión en vehículos híbridos y eléctricos.

Veamos cuáles son las diferencias estructurales de los sistemas de alta tensión para los tres tipos principales de vehículos electrificados con alta tensión:

1. ESTRUCTURA Y COMPONENTES DEL SISTEMA DE ALTA TENSIÓN

1.1. Vehículo 100% eléctrico:

• Ejemplo de distribución de componentes (Tesla Model S):

1. Puerto de carga
2. Cargador de a bordo
3. Distribuidor de CC trasero
4. Batería HV con BMS
5. Electrónica de potencia y motor trasero
6. Distribuidor de CC delantero
7. Electrónica de potencia y motor delantero
8. Resistencia calefactora
9. Compresor A/C

1.2. Vehículo híbrido PHEV (híbrido enchufable):

• Ejemplo de distribución de componentes (Volkswagen Passat GTE):

1. Puerto de carga
2. Cargador de a bordo
3. Distribuidor CC y electrónica de potencia
4. Batería HV con BMS
5. Máquina eléctrica / Transmisión
6. Motor de explosión
7. Depósito de combustible
8. Resistencia calefactora
9. Compresor A/C

• Puerto de carga: Se trata del conector de carga situado en el vehículo.

• Cargador de a bordo: Es el elemento electrónico que convertirá al corriente alterna (CA) del punto de carga en corriente continua (CC) para la batería de tracción HV.

• Batería de tracción (Batería HV): Pack de elementos acumuladores que al estar conectados en serie-paralelo suman una alta capacidad y alta tensión. En el propio pack se suele instalar la Unidad de Control de Batería HV o BMS.

Así mismo, junto al pack se instala la unidad de relés de conmutación de alta tensión que dan paso a la corriente CC de la batería para la propulsión o accionamiento de sistemas auxiliares.

1.3. Vehículo híbrido HEV (híbrido convencional):

• Ejemplo de distribución de componentes (Toyota Prius):

La estructura y componentes tan solo se diferencian del PHEV en que no se dispone de un sistema de carga en el vehículo, es decir, no hay puerto de carga ni cargador embarcado.

1. Batería HV de baja capacidad
2. Módulo de conmutación HV
3. Distribuidor CC y electrónica de potencia
4. Batería HV con BMS
5. Máquina/s eléctrica/s y Transmisión
6. Motor de explosión
7. Depósito de combustible
8. Resistencia calefactora
9. Compresor A/C

1.4. Almacenamiento de energía:

Pack de batería HV, cargador embarcado y puerto de carga.

Tanto los vehículos híbridos enchufables (PHEV) como los eléctricos (EV), equipan baterías de iones de litio por su alto rendimiento y buena adaptación a los requisitos de carga y entrega de corriente.

Estas baterías están conformadas por varios módulos, que por lo general ofrecen un voltaje conjunto de 300 a 380 V y una capacidad de almacenaje muy variable.

La capacidad es menor en los PHEV, dado que suelen homologarse en ciclo de conducción europeo para una autonomía de 50 a 60 Km. Sus baterías suelen almacenar unos 12 – 15 kW/h.

En el caso de los EV las autonomías son muy superiores y la capacidad de sus baterías se adapta al uso objetivo del vehículo.

Actualmente muchos modelos se comercializan con baterías de entre 70 y 95 kW/h.

Módulo de elementos de batería HV.

Entre los fabricantes europeos de estos vehículos, se ha extendido el uso de módulos que contienen celdas planas, como las que se muestran en la imagen superior derecha.

A la izquierda se muestra el módulo empaquetado y con sus cables y terminales de conexión a otros módulos. En el caso del BMWi3 se emplean 8 de estos módulos, conectados en serie entre sí.

Cada módulo entrega una tensión nominal próxima a los 45 voltios.

IMPORTANTE: las tensiones mayores de 60 V se consideran alta tensión para sistemas de corriente continua, como en el caso de las baterías de los automóviles híbridos y eléctricos más comunes.

Existen dos aspectos importantes en cuanto a la gestión de estas baterías:

1. Sus elementos han de permanecer cargados aproximadamente entre el 20 y el 80% total de su capacidad real (no la indicada en las pantallas destinadas al usuario).

Mediante el equipo de diagnosis pueden consultarse estos valores mediante el flujo de datos de la BMS.

Los elementos de iones de litio son químicamente inestables si se descargan en exceso durante un tiempo prolongado. Esto genera reacciones internas que provocan su destrucción total. Como puede verse en la siguiente imagen, los módulos se inflan y dejan de ser operativos.

Si se cargan en exceso o se sobrecalientan, los módulos pueden sufrir reacciones exotérmicas, es decir, pueden arder. Sucede lo mismo cuando los módulos sufren daños mecánicos de importancia.

Estas dos situaciones son salvadas por la BMS, limitando tanto la descarga como la carga excesiva, así como limitando la corriente máxima de carga/descarga.

Si por algún motivo un módulo debe ser sustituido debe emplearse el equipo de diagnosis para realizar la adaptación o reset correspondiente.

Antes de la sustitución debe emplearse también el equipo de diagnosis para la preparación de la batería, llevando todos los módulos de la batería a un estado bajo y nivelado de carga.

2. La temperatura de funcionamiento tiene un rango amplio, pero debe ser controlada por la BMS mediante varios sensores, distribuidos uniformemente por los diferentes módulos que forman la batería.

Este control lo realiza la BMS tanto en la fase de carga como en la de funcionamiento del vehículo.

Mediante el equipo de diagnosis pueden consultarse estos valores mediante el flujo de datos de la BMS y los posibles registros de avería que puedan haberse almacenado.

Componentes de batería HV

La unidad que controla el estado de carga, salud y buen funcionamiento de los módulos de la batería es la BMS, a la que se conectan:

• Sensores de temperatura insertados en los diferentes módulos del pack.
• Unidades de Control de Módulo (CMU), para calcular el estado de carga y gestionar los procesos de recarga y gestión de energía del vehículo. A partir de la información de todos ellos la BMS calcula un estado global de la batería.
• Módulo de control para conmutación de relés, para conexión y desconexión de la batería según condiciones de manejo y desconexión de emergencia, en caso de accidente o avería importante. Tiene integrado un fusible general de protección en la línea de positivo de batería, antes de los relés de alta tensión.
  
  Tras accionar el contacto la BMS permite que cierren los relés si el nivel de carga de la batería está entre los valores normales y no hay averías que afecten a la seguridad o integridad del propio sistema de alta tensión.
• Conector de servicio (en ocasiones se omite o se recurre a otros tipos). En el apartado “Estado sin tensión” se indican más detalles sobre este componente.

1.5. Sistemas de accionamiento y propulsión:

• Electrónica de potencia: Es la caja electrónica que necesita cualquier motor de tracción para ser alimentado y controlado debidamente. Este elemento recibe la CC de la batería y lo transforma en CA trifásica para el motor eléctrico.

Mediante el equipo de diagnosis pueden verificarse tanto posibles registros de avería como diferentes estados y parámetros que nos ayudarán a identificar el origen de posibles averías:

– Control de la máquina eléctrica: La electrónica de potencia nos aportará información en los valores en tiempo real que podemos consultar a través de la función “Leer el flujo de datos”.

Algunos de mayor interés son:

• Diferentes valores relacionados con la máquina eléctrica (en la página siguiente).
• Alimentación (voltaje e intensidad) entregada a la red de a bordo de 12 voltios, a compresor de A/C, etc.
• Nivel de tensión de los condensadores tras desconexión de alta tensión.
• Motor y generador HV (máquina eléctrica): Se encarga de transformar la potencia eléctrica en mecánica e impulsa el vehículo. Al mismo tiempo, en fases de frenada o retención genera corriente de carga para la batería y los sistemas auxiliares del vehículo.

Mediante el equipo de diagnosis pueden verificarse diferentes estados y parámetros que nos ayudarán a identificar el origen de posibles averías:

– Control de la máquina eléctrica: La electrónica de potencia nos aportará información en los valores en tiempo real que podemos consultar a través de la función “Leer el flujo de datos”.

Los más interesantes son:

• Voltaje y corriente (Amp.) generada o consumida por la máquina eléctrica.
• Estado de sincronización.
• Sentido de giro y revoluciones del rotor.
• Temperatura en el estator.

1.6. Sistemas auxiliares accionados con alta tensión:

• Sistemas auxiliares de alta tensión (HV): Normalmente se alimentan con alta tensión los sistemas de climatización del habitáculo (compresor A/C y resistencia calefactora).

Los nuevos sistemas de aire acondicionado de los automóviles híbridos o eléctricos están equipados con compresores accionados por motores eléctricos de alta tensión que contienen aceite aislante eléctrico de alto rendimiento.

Clica en la imagen para ver la ficha completa del producto

Se requiere el uso de aceite especial, tipo POE en lugar de PAG, de muy baja conductividad eléctrica.

Antes de trabajar con un equipo de carga de fluido refrigerante debe realizarse un enjuague preliminar tanto de la estación como de las mangueras de servicio.

El uso de estos aceites evita problemas de falta de aislamiento y aporta seguridad cuando se realizan pruebas de funcionamiento o diagnosis del aire acondicionado.

Los fluidos utilizados no difieren de los empleados para vehículos de tracción

2. SEGURIDAD EN TRABAJOS EN SISTEMAS CON ALTA TENSIÓN

2.1. Puntos de peligro, etiquetado e indicaciones:

Los sistemas de alta tensión son identificados en el vehículo con diferentes etiquetas de peligro, visibles al acceder a cualquier componente. A continuación vemos los ejemplos más habituales.

Etiquetado habitual en baterías de alto voltaje

Etiquetado en otros puntos de peligro por electrocución

2.2. Cableado de alta tensión:

Los cables de la batería de tracción y el resto de cableado de alta tensión (maquina eléctrica, cargador, puerto de carga, etc), deben ser homologados y estar debidamente protegidos.

En las zonas más expuestas a roces y golpes el aislamiento exterior se protege adicionalmente con fundas de protección resistentes al corte y la fricción. En zonas sin riesgo algunos fabricantes no añaden estas fundas exteriores.

La malla metálica de aislamiento va conectada a masa en los terminales, de manera que evita la irradiación de campo eléctrico hacia los elementos electrónicos del vehículo.

2.3. Línea Piloto (interlock loop):

Se trata del sistema de seguridad activo, que mediante el control de la Unidad de Control de la Batería de Tracción (BMS), permite identificar el perfecto conexionado de todos los cables de alta tensión.

El sistema está diseñado de manera que si con el contacto accionado(sistema de alta tensión conectado), un técnico o usuario pretende desconectar un cable de alta tensión, se abre antes la Línea Piloto.

Esta interrupción es detectada inmediatamente por la BMS, que solicita la apertura de los relés de alta tensión.

El circuito HV se abre y cesa el peligro de electrocución.

En cualquier caso es algo que un técnico instruido conoce que no debe hacer sin antes haber establecido el estado sin tensión.

Vista frontal de un conector de alta tensión. Fuente: Hoja de seguridad para PHEV Mercedes Benz.

Este tipo de conectores está diseñado para liberar antes los pines de la Línea Piloto que los terminales de alta tensión, de forma que la BMS tenga tiempo de desconectar los relés de la línea de alta tensión, al tiempo que indicará por el bus CAN que el sistema queda interrumpido al resto de componentes del sistema HV.

La Línea Piloto recorre uno tras otro todos los componentes y cierra el bucle hasta la BMS, que evalúa continuamente la continuidad de este circuito mediante la medición de una corriente continua pulsatoria que ella misma produce.

Por ejemplo, en el Tesla Model S se emplea una Línea Piloto que recorre los conectores y componentes de alta tensión.

La BMS aplica una corriente de20 mA con 4’8V en ella y controla la tensión tras cuatro resistencias de 60Omhs, situadas en serie durante el circuito.

Tras cada resistencia la tensión ha de ser 1’2V menor y en caso contrario la BMS no permite conmutar los relés de alta tensión y la batería queda desconectada preventivamente.

Si el vehículo está en marcha no se desconecta la batería pero se genera un aviso en el cuadro de instrumentos.

2.4. Cables equipotenciales y resistencia de aislamiento.

Existe la necesidad de que todos los componentes que forman el sistema de alta tensión estén debidamente conectados a masa, desde su carcasa metálica a un punto de la carrocería mediante un cable grueso:

El objetivo es evitar que en caso de avería, por derivación o cortocircuito de una fase o polo de alta tensión a la carcasa de un componente, se produzca una diferencia de potencial respecto a otro elemento de alta tensión con una avería equivalente.

Para entenderlo mejor debemos observar las siguientes ilustraciones.

Cuando dos elementos presentan una avería por derivación de un terminal de alta tensión a su carcasa surge un riesgo severo de electrocución por contacto.

Si el contacto está dado y el cuadro de instrumentos muestra el símbolo Ready, deberíamos evitar a toda costa tocar diferentes carcasas o sufriríamos un accidente fatal, como ilustra la imagen de la página anterior.

Evidentemente, los fabricantes no asumirían un riesgo de daño a las personas y menos uno tan elevado. Por eso se emplean los cables equipotenciales, atornillados a un par prescrito tanto a las carcasas de los elementos de alta tensión como a la carrocería.

Por seguridad, el apriete debe realizarse con una llave dinamométrica debidamente calibrada y debe ser revisado por un segundo técnico cualificado.

Para reducir sustancialmente el riesgo, todos los circuitos de alta tensión cuentan con una resistencia de aislamiento elevadísima con el resto de circuitos y elementos de cualquier componente.

– Conclusión: Antes de intervenir en un vehículo híbrido o eléctrico debemos hacer uso del equipo de diagnosis:

En estos vehículos, antes de intervenir en el vano motor, los bajos del vehículo o la zona de la batería de tracción, hay que ejecutar un informe global de autodiagnosis, determinar si hay elemento/s presentan la avería de derivación o cortocircuito y reparar tras establecer el estado sin tensión en el vehículo.

2.5. Estado sin tensión:

Cuando debe realizarse alguna tarea de mantenimiento o reparación que ofrece algún riesgo por contacto con cableado o componentes abiertos del sistema de alta tensión, debe establecerse el “estado sin tensión”.

Como su nombre indica, el “estado sin tensión” establece que la batería de alta tensión esté desconectada, pero implica a la vez que haya algún impedimento mayor que impida su reconexión de manera involuntaria.

Pero con certeza, ¿ cuándo debe establecerse el “estado sin tensión”?

La única respuesta certera es “cuando así lo indique el manual de reparación del fabricante”.

Hay algunos trabajos no relacionados directamente con la alta tensión que lo requieren. Por ejemplo, en algunos trabajos de mecánica de motor de vehículos híbridos se requiere retirar cableado de alta tensión u otro componente electrificado, lo que obliga a desconectar previamente la alta tensión del vehículo y asegurar contra una posible reconexión no deseada.

En los manuales de reparación se indica siempre si es o no necesario desconectar o no la alta tensión. Algunos incorporan una tabla específica que indica para qué trabajos debe establecerse el estado sin tensión.

Casi todos los trabajos sobre sistemas de alta tensión requieren de una desconexión previa.

Como hemos indicado antes, para el resto de trabajos debe consultarse el manual de reparaciones.

Para la desconexión debe retirarse el contacto y guardar la llave en lugar seguro, al menos a 10 metros del vehículo.

Después se puede proceder a la desconexión mediante el conector de mantenimiento y a la comprobación dela ausencia de tensión en el circuito, como se indica a continuación:

Como alternativa al conector de mantenimiento TW de color naranja, visto en el apartado 1 dela página anterior, algunos fabricantes emplean un conector de mantenimiento que al ser abierto desconecta la línea piloto y por tanto el sistema queda sin tensión.

Para asegurar contra reconexión se debe ocupar el agujero (4)mediante un candado y el jefe de taller tiene la obligación de custodiar la llave en lugar seguro.

En la imagen puede verse el ejemplo en un BMW iX3 G08.

Como alternativa a este proceso, los fabricantes asiáticos proponen retirar un fusible o un shunt, situado en la caja eléctrica del vano motor, como elemento para asegurar el estado sin tensión.

Tan solo debe retirarse y custodiarse este elemento en lugar seguro (ver imágenes a continuación).

Fuente: hoja de seguridad Honda E. Elemento de desconexión segura de la alta tensión.

Fuente hoja de seguridad Toyota Auris: Elemento de desconexión segura de la alta tensión (fusible 15 A en el paso 2).

2.6. Equipos de protección y comprobación:

– Material imprescindible para trabajar con seguridad en sistemas de alta tensión del automóvil (en foto):

Fuente: Centro Zaragoza.

– Polímetro con función especial de comprobación de aislamiento a 500 V.

– Candado para el bloqueo del conector de mantenimiento. Evita la reconexión indeseada de la alta tensión en algunas marcas (ej: Mercedes Benz).

– Herramienta manual aislada (suele ser imprescindible un conjunto de llaves de vaso, alargo y carraca aislada, un conjunto de destornilladores, alicate o pinza larga plana, etc.).

– Manta aislante para trabajos con elementos desconectados en el vehículo.

– Elementos de protección individual (guantes aislantes, gafas o pantalla facial, peto y zapatos aislantes).

– Percha aislada para retirar personal “agarrado” por contacto con la alta tensión.

Guantes de protección dieléctricos (categoría “00” 750 V DC, que pueden aislar hasta 750 V en corriente continua).

Guantes de protección dieléctricos (categoría “00” 750 V DC, que pueden aislar hasta 750 V en corriente continua).

Los guantes dieléctricos deben cumplir la norma UNE-EN 60903:2005para proteger garantizar que nos protegemos correctamente contra contacto eléctrico en sistemas de alta tensión.

Antes de cada uso es muy importante comprobar que los guantes son perfectamente estancos, enrollándolos por la parte abierta sobre sí mismos e identificando que al inflarse mantienen la presión. Si el uso de estos guantes es frecuente se recomienda adquirir un comprobador inflador de guantes.

Si se ha de trabajar en zonas donde hay riesgo de rasgar o cortar estos guantes se recomienda cubrirlos adicionalmente con guantes de trabajo adecuados, que resistan el roce con chapas o zonas estrechas.

El calzado con protección dieléctrica (según RD 614/2018) es otro EPI obligatorio cuando se manipulan vehículos eléctricos para evitar situaciones en la que la corriente eléctrica pase a tierra a través del cuerpo del operario.

Este tipo de calzado está elaborado con caucho o materiales poliméricos similares a los utilizados en los guantes dieléctricos.

Fuente: Web paredesseguridad.com. Calzado con resistencia eléctrica: Hasta 14 KV al piso. Clase 00-0

Es obligatorio utilizar gafas contra impactos. Las gafas de protección ocular deberán reducir lo mínimo posible el campo visual del trabajador y serán de uso individual.

Centro Zaragoza recomienda el uso de pantallas faciales (certificadas según UNE-EN 166-2002), en el caso de realizar trabajos en tensión que puedan dar lugar a chispazos o cortocircuitos.

Incluyen la exigencia de protección contra arco eléctrico de cortocircuito.

El polímetro con la función de comprobación de aislamiento con alta tensión es el elemento imprescindible que permite asegurar que los elementos y conexiones del sistema de alta tensión mantienen el debido aislamiento eléctrico.

Medidor de aislamiento con prueba de 250/500/1000 V

Al mismo tiempo estos polímetros suelen mantener otras funciones, como la verificación de voltaje de corriente alterna.

Para la comprobación de ausencia de tensión tras la desconexión del sistema HV se debe emplear un voltímetro para CC con puntas aisladas (CAT III para 600V o superior).

2.7. Información para los servicios de emergencias

Una fuente gratuita y actualizada de información referente a la disposición de los elementos de alta tensión en cualquier vehículo del mercado es la “Hoja de Rescate”.

Esta pensada principalmente para los equipos de emergencia que han de intervenir en caso de accidente en carretera. Permite conocer la posición de los diferentes componentes y cableado de alta tensión, el punto de desconexión y otros elementos, como la batería de12V.

Las hojas de rescate están disponibles en diferentes URL:

http://rescuesheet.info/index_es.html

https://www.racc.es/microsites/hoja-de-rescate-racc

https://www.race.es/hoja-de-rescate

Ejemplo: Hoja de rescate de MB Classe B 242 Tourer.

1 Batería 12 V.
2 Batería de Alta Tensión.
3 Conector de carga de la batería de Alta Tensión.
4 Conector de mantenimiento.
5 Punto de desconexión de emergencia de Alta Tensión.