ES2295729T3 - Interruptor electronico para la proteccion de baterias. - Google Patents
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Abstract
Interruptor de protección destinado a cortar la conexión eléctrica entre la batería (100) de un vehículo a motor y el circuito eléctrico (110) del vehículo, dotado de un conmutador semiconductor (210) para conectar y desconectar entre sí la batería (100) y el circuito eléctrico (110) del vehículo en función de una sobrecorriente y/o una señal de colisión, caracterizado porque el conmutador semiconductor (210) está configurado para un funcionamiento bidireccional de la corriente, y porque el conmutador (210) se conecta a conducción de corriente cuando la tensión (U3) del circuito eléctrico (110) del vehículo es superior a la tensión (U1) de la batería.
Description
Interruptor electrónico para la protección de
baterías.
La presente invención se refiere a un
interruptor de protección mejorado para baterías de vehículos a
motor.
En los vehículos a motor se conecta un
interruptor de protección entre la batería y el circuito eléctrico
o "cableado" del vehículo. En caso de accidente, el interruptor
de protección desconecta la batería del cableado del vehículo a
motor, para evitar que un derramamiento de combustible y un
cortocircuito puedan provocar un incendio o una explosión. El
riesgo de que se produzca un cortocircuito es especialmente elevado
cuando la batería está situada en la parte posterior del vehículo.
En estos casos existen en la parte baja del vehículo cables, entre
el compartimiento del motor y la parte posterior, conductores
eléctricos positivos de sección grande. Por ello, la intensidad de
cortocircuito es elevada en caso de accidente.
Los interruptores de protección convencionales
permiten desconectar los circuitos eléctricos de la batería de un
vehículo a motor mediante un contacto que se abre de modo
electromagnético o pirotécnico. En presencia de una señal exterior
de activación, el contacto, que normalmente está cerrado, se abre de
modo electromagnético o por el disparo de la carga pirotécnica.
Generalmente, la señal exterior de accidente o colisión se recibe
del sistema de airbags del vehículo. Tan pronto se activa un airbag,
se produce la inmediata desconexión de la batería. Por ejemplo, el
documento DE-C1-198 25 245 da a
conocer un interruptor de protección de accionamiento
electromagnético de esta clase.
El inconveniente de los interruptores de
protección convencionales es que no desconectan la batería en
aquellos accidentes en los que no se activa el sistema de airbags.
En especial, los sensores de colisión no generan una señal de
accidente cuando el vehículo sube oblicuamente por un perfil de
protección del borde de la calzada. En tales casos no se producen
deceleraciones especialmente fuertes, por lo que no se dispara el
sensor de colisión del sistema de airbags. Sin embargo, en un
accidente de esta clase los conductores de corriente de alta
intensidad en los bajos del vehículo sufren fricciones.
Los interruptores de protección convencionales,
especialmente los que utilizan medios pirotécnicos, separan
irreversiblemente la batería del cableado del vehículo. Después de
la activación del interruptor de protección, incluso en caso de que
el accidente no haya producido daños importantes, el vehículo no
está en condiciones de poder ser utilizado de forma inmediata.
Solamente podrá funcionar autónomamente una vez que se haya
sustituido el interruptor de protección.
Los interruptores de protección de accionamiento
electromagnético se pueden reponer después de un accidente leve que
no haya producido grandes daños. No obstante, la conmutación de
corrientes de alta intensidad produce un desgaste de los contactos
electromecánicos, por lo que la cantidad máxima de conmutaciones
posibles es muy limitada, generalmente de 10 a 50. Por ello, sólo
en casos excepcionales se prevé la utilización de esta clase de
interruptores de protección para desconectar la batería.
El documento
EP-A-1 216 889, que presenta las
características de la parte introductoria de la reivindicación 1,
describe un MOSFET ("Metal Oxide Semiconductor Field Effect
Transistor" ("Transistor con efecto de campo basado en
semiconductor de óxido metálico")) utilizado como interruptor de
protección entre la batería y el cableado de un vehículo a motor.
Los sucesos que pueden activar la desconexión entre la batería y el
circuito eléctrico del vehículo son una señal de colisión, el
fuego, una sobrecorriente, o bien una inclinación que supere un
determinado ángulo.
El objeto de la presente invención es dar a
conocer un interruptor de protección mejorado.
Este objetivo se consigue mediante las
características de la reivindicación independiente.
El interruptor de protección, según la
invención, sirve para cortar la conexión eléctrica entre la batería
y el circuito eléctrico de un vehículo a motor. El interruptor de
protección comporta un conmutador semiconductor destinado a
conectar y desconectar la batería del cableado del vehículo en
función de la presencia de una sobrecorriente y/o de una señal de
colisión.
Para la conexión y desconexión eléctrica de la
batería y el cableado del vehículo, la presente invención utiliza
en el interruptor de protección un conmutador semiconductor. Al
contrario de los conmutadores de accionamiento electromecánico, un
conmutador semiconductor permite realizar una cantidad ilimitada de
ciclos de conmutación. Además, un conmutador semiconductor se puede
reposicionar fácilmente. Gracias a ello, con el interruptor de
protección, según la invención, no es necesario limitar las
interrupciones sólo a los casos de emergencia extraordinarios, como
se hace tradicionalmente.
El enfoque especial de la presente invención es
configurar el conmutador semiconductor para un funcionamiento
bidireccional de la corriente eléctrica desde la batería y hacia la
misma. De esta manera, el conmutador semiconductor puede conmutar
una corriente procedente de la batería o dirigida hacia ella.
Preferentemente, el conmutador semiconductor pasa a funcionamiento
bidireccional cuando la tensión en el circuito eléctrico del
vehículo es superior a cero, en especial, cuando es superior a la
tensión de la batería.
Según una forma de realización preferente de la
invención, el conmutador semiconductor del interruptor de
protección se utiliza no sólo para una desconexión de emergencia,
sino también para cortar la conexión del circuito eléctrico del
vehículo con la batería cuando el encendido está en la posición
"desconectado". Habitualmente, esta desconexión la realiza el
llamado "conmutador del borne 15". Este conmutador de borne 15
es un contacto en la cerradura de encendido, que se cierra cuando
se conecta el encendido. Sin embargo, dado que una cerradura de
encendido no puede conmutar corrientes de intensidad elevada, para
este fin se utiliza cada vez más frecuentemente un relé adicional,
que se activa cuando se conecta el encendido. Un relé con función de
conmutador de borne 15 generalmente no se utiliza para cortar la
conexión con aparatos de consumo que necesitan corriente de
intensidad elevada. Al contrario, el interruptor de protección,
según la invención, también cumple la función del conmutador de
borne 15 convencional, ya que también conmuta sin problemas
corrientes de elevada intensidad y permite una cantidad ilimitada
de ciclos de conmutación.
El interruptor de protección, según la
invención, tiene una capacidad de conducción de corriente mayor que
la de los conmutadores de borne 15 convencionales. Por ello, la
invención permite desconectar del circuito eléctrico, con la
posición de encendido "desconectado", aparatos de consumo que
habitualmente están conectados de modo permanente con el cableado
del vehículo a motor. En especial, hasta ahora el conmutador de
borne 15 no desconecta del cableado eléctrico los aparatos de
consumo que funcionan con corriente de intensidad elevada, tales
como las calefacciones adicionales, por ejemplo, las calefacciones
PTC, y los sistemas de incandescencia. Otros ejemplos de aparatos
de consumo que no se desconectan del cableado del vehículo cuando el
encendido está desconectado son la calefacción de la luna trasera,
la calefacción de asientos, el regulador del ventilador para la
refrigeración del motor y el ventilador del interior del vehículo.
Según esta forma de realización preferente de la invención se
pueden subsanar los problemas derivados del consumo de corriente en
régimen de reposo de componentes del vehículo convencionalmente
conectados de modo permanente con la batería.
Además, esta forma de realización ventajosa
proporciona una mayor seguridad. Según la invención, el interruptor
de protección también corta la corriente de la batería a los
aparatos de consumo que convencionalmente están conectados de modo
permanente con la batería. En especial, esto sucede con las
calefacciones eléctricas adicionales. Con cada vez mayor
frecuencia, las calefacciones eléctricas adicionales están dotadas
de un sistema de control con electrónica de potencia. La fusión de
una etapa final de electrónica de potencia puede tener como
consecuencia que la correspondiente etapa de calefacción consuma
corriente de modo permanente y se descargue la batería. Según la
invención, este problema se soluciona de modo sencillo y fiable.
También existe un problema similar con los
reguladores de los ventiladores del interior del vehículo, en los
que también se producen situaciones de funcionamiento críticas
cuando el transistor de carga elevada del regulador lineal se
recalienta o se funde, lo que conduce a una circulación permanente
de corriente. Mediante el interruptor de protección, según la
invención, también se pueden evitar estas corrientes
permanentes.
Según otra forma de realización conveniente de
la invención, el interruptor de protección está dotado de una
función de medición de la corriente, para controlar la intensidad de
la corriente que pasa de la batería al circuito eléctrico del
vehículo. Una desconexión de sobrecorriente y cortocircuito de esta
clase, totalmente electrónica e integrada, permite separar de forma
notablemente más rápida la batería y el circuito eléctrico del
vehículo en caso de una avería. Gracias a la realización totalmente
electrónica del control y de la desconexión, se puede prescindir de
los retardos de activación y conmutación importantes en las
instalaciones convencionales. Al contrario de lo que sucede con
conmutadores electromecánicos, la detección de una situación de
sobrecorriente y la consecuente interrupción de la conexión entre
la batería y el circuito eléctrico del vehículo se puede realizar
en menos de 100 \mus.
Preferentemente, el interruptor de protección
que comporta una función de medición de corriente integrada en el
conmutador semiconductor también posee un dispositivo de control
para analizar la corriente medida y controlar el conmutador
semiconductor a fin de realizar el corte de la conexión eléctrica
entre la batería y el circuito eléctrico del vehículo. Un
conmutador electrónico con medición de corriente integrada, si se
compara con una instalación convencional con contactos de
accionamiento electromagnético y activación en función de la
intensidad de corriente, presenta la ventaja de que la conmutación
es mucho más sencilla y, por ello, su fabricación es más
económica.
Para una realización correspondiente de un
contacto con conmutador de accionamiento electromagnético son
necesarios, además del conmutador de accionamiento
electromagnético, una resistencia en derivación para medir la
intensidad de corriente, un dispositivo de tratamiento de la
medición (por ejemplo, mediante un amplificador de operación) y un
microcontrolador para analizar la corriente y controlar un relé. Una
realización con un conmutador semiconductor dotado de medición de
corriente integrada sólo requiere, además del conmutador
semiconductor, un dispositivo de control para analizar la corriente
y controlar el conmutador semiconductor.
Una desconexión de sobrecorriente o
cortocircuito de realización totalmente electrónica permite una
desconexión considerablemente más rápida. La desconexión de
protección realizada de forma totalmente electrónica, si se compara
con los interruptores de protección convencionales, posee retardos
de activación y desconexión insignificantes. Contrariamente a lo
que sucede en las instalaciones con interruptores electromagnéticos,
la detección de una situación de sobrecorriente y la consecuente
desconexión del circuito eléctrico del vehículo se pueden realizar
en menos de 100 \mus. En el momento de la desconexión del circuito
de carga circula una corriente de baja intensidad debido a la
velocidad finita de aumento de la corriente causada por la
inductividad del circuito de carga (formación de arco voltaico,
carga de contactos, etc.).
Preferentemente, el dispositivo de control
compara el valor medido de la corriente con un valor límite
prefijado. Según otra configuración preferente, este valor límite
es ajustable de esta manera, el interruptor de protección se puede
adaptar de modo variable a las condiciones de funcionamiento del
vehículo a motor. Sólo se pueden permitir corrientes de alta
intensidad de breve duración. Por otra parte, se pueden detectar con
seguridad y permitir las operaciones de arranque del motor, en las
que circula por el circuito eléctrico del vehículo corriente de
intensidad elevada de la batería al motor de arranque.
Preferentemente, tan pronto la corriente medida
supera el valor límite, el dispositivo de control indica al
conmutador semiconductor que existe una situación de
sobrecorriente.
Preferentemente, la señal de colisión es una
señal de activación de un airbag. De esta forma se detecta un
accidente de forma muy sencilla y sin costes adicionales.
Preferentemente, el interruptor de protección
está configurado para ser fijado a una de las conexiones de la
batería. De esta manera, la desconexión de la corriente hacia el
circuito eléctrico del vehículo se puede realizar cerca de la
batería para evitar de modo fiable los cortocircuitos.
Según una forma de realización preferente, el
interruptor de protección integra una función de control de la
batería. Esta función de control monitoriza preferentemente la
tensión, la temperatura y la corriente que entra o sale de la
batería. Mediante estos parámetros, el dispositivo de control puede
determinar de forma sencilla el estado de la batería, en especial,
un estado SOC ("State of Charge", ("estado de carga")) o
SOH ("State of Health", ("estado de conservación")).
Según otra forma de realización preferente, el
interruptor de protección monitoriza el consumo de corriente en
estado de reposo del circuito eléctrico del vehículo a motor en la
posición de encendido "desconectado". Mediante la evaluación
de la corriente medida en estado de reposo, se puede detectar a
tiempo una corriente de reposo que supere el valor admisible,
evitando de esta forma que se descargue la batería. Para ello,
preferentemente, cuando la corriente en régimen de reposo que sale
de la batería supera un valor límite prefijado, se desconectan de
la batería los aparatos de consumo que están conectados a la batería
también en la posición de encendido "desconectado".
Preferentemente, el conmutador semiconductor es
un MOSFET ("Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor"
("Transistor con efecto de campo basado en semiconductor de óxido
metálico")).
Otras formas de realización preferentes son
objeto de las reivindicaciones dependientes.
A continuación se describe la presente invención
en base a las formas de realización preferentes y con referencia a
los dibujos adjuntos, en los que:
la figura 1 muestra la configuración de un
circuito eléctrico de un vehículo a motor con un interruptor de
protección convencional,
la figura 2 muestra un circuito eléctrico de un
vehículo a motor con un interruptor de protección electrónico,
según la presente invención, y
la figura 3 muestra un circuito eléctrico de un
vehículo a motor, según la figura 2, con una forma de realización
alternativa destinada a desconectar aparatos de consumo
permanentemente activos.
La figura 1 muestra esquemáticamente la
configuración de un circuito eléctrico convencional de un vehículo
a motor. La batería (100) está conectada con el circuito eléctrico
(110) del vehículo mediante un interruptor de protección (140). Al
circuito eléctrico (110) del vehículo están conectados un generador
(120), un motor de arranque (130) y otros aparatos de consumo
(150). Se ha previsto una conexión (180) adicional para la
alimentación de corriente en caso de ayuda exterior al
arranque.
Durante el funcionamiento del motor del
vehículo, el generador (120) aporta corriente eléctrica a la red
eléctrica (110) del vehículo y la batería (100) almacena energía
procedente del generador (120). Para poner en marcha el motor
durante el arranque, en la batería (100) se genera energía eléctrica
mediante una reacción química y dicha energía se envía al motor de
arranque (130).
En presencia de una señal de sobrecorriente o de
una señal de colisión, se produce una desconexión activa del
interruptor de protección (140). Esto significa que en presencia de
una señal de activación el interruptor se abre por medios
pirotécnicos o electromagnéticos, de forma que el circuito eléctrico
(110) del vehículo se separa de la batería (100).
Los aparatos de consumo (160) importantes para
la seguridad cuya desconexión de emergencia no está permitida, o
bien aquellos que deben mantenerse permanentemente activos, quedan
excluidos de la desconexión de emergencia. Para ello, dichos
aparatos de consumo están conectados a la batería directamente y no
a través del interruptor de protección (140).
La figura 2 muestra un interruptor de protección
electrónico, según la presente invención. En lugar del interruptor
de protección (140) convencional de la figura 1 se utiliza, según la
invención, un interruptor de protección electrónico (200). El
interruptor de protección, según la presente invención, comporta
como elemento central un conmutador semiconductor (210) para
corriente de elevada intensidad. Preferentemente, este conmutador
semiconductor es del tipo MOSFET.
El conmutador semiconductor (210) conmuta la
corriente que circula desde o hacia la batería en función de las
instrucciones del dispositivo de control (220). En presencia de una
señal exterior de colisión o de una situación de sobrecorriente
detectada por la monitorización de la batería, el conmutador
semiconductor (210) corta inmediatamente la conexión eléctrica
entre la batería y el circuito eléctrico del vehículo a motor.
Para monitorizar la corriente de salida o de
entrada a la batería, el conmutador semiconductor está dotado de
una función integrada de medición de la corriente. Como conmutador
semiconductor está disponible, por ejemplo, el conmutador
inteligente de potencia "Smart Highside High Current Power
Switch" BTS 555 de la Sociedad INFINEON. Para conmutar
corrientes de intensidad muy alta, se suelen utilizar varios de
estos conmutadores semiconductores, generalmente entre 2 y 4,
conectados en paralelo.
El conmutador semiconductor (210) funciona de
modo bidireccional respecto al sentido de circulación de la
corriente. La corriente eléctrica no sólo circula del "drain D"
al "source S", sino que también lo hace en el sentido opuesto,
de "S" a "D". Este funcionamiento bidireccional es
básicamente permisible debido a la configuración simétrica del
MOSFET; sin embargo, en este caso se debe garantizar que en
funcionamiento invertido, es decir, cuando la corriente circula de
"S" a "D", el MOSFET se controla de manera que el tramo
D-S sea conductor. Para ello, la tensión "G"
en la conexión a puerta es superior a la tensión en "D" y
"S". De esta manera se evita que la corriente de circulación
inversa pase por el "Body-Diode" (diodo
parásito) (115) interno. Dicha corriente, debido a la mayor caída
de tensión, conduciría a daños térmicos del MOSFET, dado que la
tensión de paso de un diodo generalmente es de 1,2 V
aproximadamente. En estado de conducción, independientemente del
sentido de la corriente, por el tramo D-S sólo pasan
unos pocos centenares de milivoltios.
Cuando el MOSFET funciona de modo invertido, la
tensión en la conexión "source S" es superior a la de la
conexión "drain D", de modo que se produce una circulación de
corriente debido al "Body-Diode" inmanente
interno. Cuando la intensidad de la corriente es lo suficientemente
alta, la elevada tensión de paso de un diodo con U_{D} de
aproximadamente 1 V conduce a una pérdida de energía demasiado alta
y de modo correspondiente a un fuerte calentamiento. Con una
corriente de 100 A, la pérdida de energía es de 100 W
aproximadamente. En cambio, durante el funcionamiento normal la
pérdida de energía está determinada por la resistencia de conexión
del MOSFET R_{DSon}. Esta resistencia es del orden de 1
m\Omega, de forma que la pérdida de energía sólo alcanza un valor
de 10 W aproximadamente. Por ello, es especialmente importante
conectar un MOSFET en funcionamiento inverso, para que la corriente
pase en sentido "inverso" por el tramo
"Drain-Source" conductor y no por el
"Body-Diode" del MOSFET.
Según una forma de realización preferente, el
conmutador semiconductor está configurado para el funcionamiento
bidireccional de la corriente desde y hacia la batería
(funcionamiento normal y funcionamiento invertido). De esta forma,
el conmutador semiconductor puede conducir tanto una corriente que
circula hacia la batería como una corriente procedente de la misma.
El conmutador semiconductor sólo puede cortar la corriente durante
el funcionamiento normal. Preferentemente, cuando la tensión del
circuito eléctrico del vehículo es superior a cero, en especial,
superior a la tensión de la batería, el conmutador semiconductor
pasa a funcionamiento invertido.
En régimen de funcionamiento normal la corriente
I_{Bord} circula por el conmutador semiconductor (210) hacia el
circuito eléctrico del vehículo a motor. Esta corriente es
permanentemente controlada mediante la función de medición de
corriente integrada en el conmutador semiconductor y está a
disposición de la unidad de control (220) como tensión de medición
U_{2}. En este contexto, funcionamiento normal significa que el
encendido ha sido conectado y que seguidamente la unidad de control
(220) conecta el conmutador semiconductor (210) mediante una señal
de mando transmitida por un bus de datos. En este momento, el
generador (120) todavía no produce energía y el consumo del
circuito eléctrico (110) del vehículo, incluida la corriente para el
motor de arranque (130), procede exclusivamente de la batería (100)
del vehículo.
El generador (120) comienza a producir
electricidad una vez que el motor del vehículo se ha puesto en
marcha con el motor de arranque (130). Desde este momento, las
necesidades de corriente del cableado del vehículo serán cubiertas
por el generador. Simultáneamente, la batería se carga con la
corriente generada por el generador. Cuando el generador (120)
comienza a producir electricidad, cambia el sentido de la corriente
que circula por el conmutador semiconductor (210). El conmutador
semiconductor está ahora en régimen de funcionamiento
invertido.
El régimen de funcionamiento invertido se debe
poder detectar con seguridad, también cuando el conmutador
semiconductor no está activado, es decir con conducción conectada,
para los casos en los que, con el encendido no conectado, se aporte
corriente al conector de alimentación (180) como ayuda ajena para el
arranque desde otro vehículo a motor o desde una batería de ayuda
para arrancar. En régimen de funcionamiento normal, en cambio, la
tensión se conduce en dirección inversa al motor de arranque desde
el polo positivo de la batería.
Para detectar con seguridad este funcionamiento
invertido se monitoriza la tensión U_{3}, es decir, la tensión
del circuito eléctrico del vehículo. En estado no activo (encendido
"desconectado"), esta tensión es cero. Sin embargo, cuando la
tensión U_{3} del circuito eléctrico del vehículo pasa a ser
superior a cero, en especial, superior a la tensión U_{1} de la
batería, se controla el conmutador semiconductor (210) de forma que
el tramo D-S sea conductor y la corriente pueda
circular en los dos sentidos.
Preferentemente, la monitorización de la
corriente no se realiza simplemente controlando un valor límite fijo
por encima del cual se interrumpe automáticamente el aporte de
corriente desde la batería. Mediante una adaptación dinámica de los
valores límite de la intensidad de corriente, o bien de las curvas
de estos valores límite, se puede adaptar la detección de
sobrecorriente a diferentes estados de funcionamiento del vehículo a
motor. De esta manera es posible diferenciar, por ejemplo, entre
una operación de arranque y un cortocircuito. Para ello, se utiliza
como curva de corriente un perfil de corriente muy concreto durante
la operación de arranque. Este perfil de corriente para la
operación de arranque permite picos de intensidad de hasta 1000 A
(producidos, por ejemplo, por el desatascamiento del rotor del
motor de arranque) sin activar el interruptor de protección.
Sin embargo, una vez que se ha puesto en marcha
el motor del vehículo, el valor límite para la detección de un
cortocircuito se reduce a un valor de, por ejemplo, 100 A. Una
corriente del orden de 1000 A será entonces reconocida como un
cortocircuito y, en consecuencia, se abrirá el conmutador
semiconductor.
La desconexión de la corriente de la batería
hacia el circuito eléctrico del vehículo mediante el conmutador
semiconductor se realiza, según la invención, cuando se produce una
de las situaciones siguientes:
- a)
- encendido "desconectado",
- b)
- detección de un cortocircuito, es decir, una sobrecorriente, y
- c)
- presencia de una señal exterior de colisión.
En estos casos, se presupone que el motor de
combustión interna está parado o ha sido desconectado y que el
generador ya no genera electricidad.
El control de todas las funciones del conmutador
semiconductor electrónico se realiza mediante la unidad de control
(220), que comporta un convertidor analógico-digital
integrado. Entre sus funciones está la medición de las tensiones
U_{1}, U_{2}, U_{3} y otros valores, la evaluación de los
valores medidos, el control del conmutador semiconductor y el
tratamiento de las señales para la monitorización del consumo de
corriente en reposo del circuito eléctrico del vehículo a
motor.
El dispositivo de control (220) está conectado
mediante una interfaz con una red de bus de datos del vehículo, por
ejemplo, un bus "CAN" o "LIN". Mediante este bus de datos
se llevan a la unidad de mando (220) las señales exteriores, por
ejemplo, la señal de encendido "desconectado". Mediante este
bus también se puede transmitir una señal de colisión.
Alternativamente, la señal de colisión también se puede llevar por
separado al dispositivo de control (220). Una señal de colisión
directa (independiente del bus de datos) no está sometida a un
retardo por el bus de datos y produce una desconexión inmediata y
segura del conmutador semiconductor (210).
Según una forma de realización preferente de la
presente invención, el interruptor de protección (200) está dotado
de un dispositivo de monitorización de la batería. En los vehículos
de categoría superior, ya hoy se instalan con frecuencia sistemas
de gestión de la batería. Tales sistemas de gestión de la batería
controlan parámetros importantes de la batería tales como la
tensión, la temperatura y la energía almacenada. Sobre la base de
estos datos, se puede garantizar un arranque seguro del motor
también después de largos períodos de parada. Para ello, se
registran la tensión de la batería, su temperatura y la corriente
I_{Batt} extraída de la batería o aportada a ella. En función de
la corriente que ha salido y ha entrado en la batería, se elabora
un balance energético. Con estos valores registrados se calcula el
estado SOC ("State of Charge", ("estado de carga")) y el
estado SOH ("State of Health", ("estado de conservación"))
de la batería.
Esta monitorización de la batería, según la
invención, está integrada en el interruptor de protección
electrónico (200) en forma de componente adicional (230). Para
ello, se prevén los correspondientes dispositivos de medición de la
tensión de la batería, de la temperatura de la batería y de medición
de la corriente bidireccional en un intervalo de medición amplio
(entre 1 A y 1000 A). La medición de la corriente se realiza,
preferentemente, mediante "shunts de medición" (resistencias
en derivación) (R_{Shunt1}). El "shunt" de medición genera
una tensión de medición proporcional a la intensidad de la
corriente. Estas funciones se pueden integrar de forma sencilla
mediante un ASIC (circuito integrado para aplicaciones específicas)
en el interruptor de protección electrónico, según la
invención.
Preferentemente, el interruptor de protección
(200), según la invención, también permite monitorizar el consumo
en reposo del circuito eléctrico del vehículo, función que está
integrada como componente (240) en el interruptor de protección. No
obstante, para la medición de la corriente de reposo que pasa de la
batería al circuito eléctrico del vehículo, es decir, la corriente
en la posición de encendido "desconectado", no se puede
utilizar la medición de intensidad de corriente mediante la
resistencia R_{Shunt1}. Para medir la corriente extraída de la
batería, es decir, la corriente I_{Ruhe}, se utiliza otro
"shunt" de medición R_{Shunt2}. De esta forma se puede
monitorizar de modo permanente e integrar en un balance energético
la corriente de reposo cuando el vehículo está parado, es decir,
con el encendido en posición "desconectado".
La corriente de reposo incluye las corrientes
eléctricas que circulan hacia todos los aparatos de consumo (160)
que están conectados con la batería también en la posición de
encendido "desconectado". En especial, por lo general con la
batería están conectados permanentemente los aparatos de consumo
tales como una calefacción eléctrica adicional, un sistema de
incandescencia eléctrico, una calefacción de luna trasera, una
calefacción de asientos, un regulador del ventilador para la
refrigeración del motor y un ventilador del interior del vehículo,
un sistema de cierre con mando a distancia, relojes, un sistema de
información y entretenimiento, etc. Aunque el encendido esté
desconectado, estos aparatos de consumo pueden descargar la batería
impidiendo que se pueda volver a arrancar el vehículo.
La corriente I_{Ruhe} se mide permanentemente
para detectar también los picos de intensidad breves. La corriente
medida se promedia con el tiempo para determinar el consumo medio de
electricidad. De esta forma, no sólo se puede detectar una
corriente breve de intensidad elevada inadmisible, sino también un
consumo eléctrico medio en reposo elevado. Por ejemplo, un consumo
en reposo elevado puede ser causado por la conexión frecuente de
determinados sistemas que también están activados en la posición de
encendido "desconectado".
Por ejemplo, uno de los aparatos de consumo que
está permanentemente conectado con la batería es el sistema de
cierre con mando a distancia. En general, un requisito típico para
un sistema conectado permanentemente con el vehículo es que su
consumo medio de electricidad no supere 100 \muA. En los sistemas
de tienen un consumo superior cuando están activados, esto se
consigue poniéndolos en un estado de reposo especial que reduce el
consumo de electricidad. Por ejemplo, el consumo eléctrico de un
sistema de cierre con mando a distancia puede reducirse a sólo 50
\muA cuando sólo permanece activado el receptor de señales
inalámbricas, mientras que todos los demás componentes del sistema
están desactivados. En un estado de funcionamiento de actividad
algo mayor, se activan otros elementos conmutadores del sistema de
cierre con mando a distancia y, consecuentemente, aumenta
considerablemente el consumo eléctrico, por ejemplo, hasta 50 mA. El
paso a este estado de funcionamiento de mayor consumo eléctrico es
necesario, entre otras cosas, para analizar la información recibida
y determinar si se ha recibido un código autorizado. Mientras la
activación temporal del estado de funcionamiento con mayor consumo
eléctrico sea poco frecuente, por ejemplo, cuando los tiempos de
permanencia en los dos estados de funcionamiento presenten una
relación de 1000 a 1, el consumo medio de electricidad será inferior
al valor de 100 \muA.
A causa de las perturbaciones exteriores, por
ejemplo, las interferencias de lámparas fluorescentes o las señales
emitidas en un garaje por otros sistemas de cierre con mando a
distancia, el sistema de mando a distancia del vehículo pasa al
estado de funcionamiento con mayor consumo eléctrico con una
frecuencia mucho mayor que la antes indicada. Con ello, el consumo
eléctrico medio aumenta hasta un valor notablemente superior al
valor límite de 100 \muA.
Para evitar que la batería se descargue hasta un
nivel inadmisible, la unidad de mando puede iniciar la
correspondiente desconexión de determinados sistemas.
Según una primera forma de realización
preferente, la desconexión se realiza utilizando el bus de datos del
vehículo a motor. Se pueden desactivar de forma total o parcial los
aparatos de mando y los componentes que están conectados al bus de
datos del vehículo, mediante instrucciones emitidas por el
dispositivo de mando (220) del interruptor de protección (200). Un
sistema de cierre con mando a distancia desactivado de esta forma
ya no puede ser utilizado para abrir el vehículo. Sin embargo,
gracias a que, según la invención, se ha podido evitar que se
descargue la batería, el vehículo se podrá abrir mecánicamente con
la llave y se podrá arrancar autónomamente.
Según una forma de realización alternativa, se
prevé un conmutador adicional en el interruptor de protección,
según la invención. La figura 3 muestra la configuración de esta
forma de realización modificada. Para ello, se dividen en dos
categorías los aparatos de consumo conectados al circuito eléctrico
del vehículo, dependiendo de si, por motivos de seguridad, pueden o
no pueden ser desconectados.
Los aparatos cuya desconexión es permisible
están conectados al circuito eléctrico del vehículo mediante un
conmutador (300) dispuesto en el interruptor de protección (200), en
especial, en el dispositivo de monitorización (240). Tan pronto el
dispositivo de control (220) determina que la corriente de reposo
que circula desde la batería supera un valor límite prefijado, se
abre el conmutador (300) para interrumpir la corriente demasiado
elevada y evitar así que se descargue la batería. Aunque esta
desconexión afecta a la funcionalidad del vehículo, puede evitar
perjuicios mayores para el usuario, en especial, los costes y la
pérdida de tiempo que conlleva un servicio de averías.
Básicamente, la red eléctrica (110) del vehículo
está configurada como conexión en paralelo entre las fuentes de
tensión, es decir, la batería (100) y el generador (120), y los
aparatos de consumo. Todos los aparatos de consumo están conectados
de forma directa o indirecta con el potencial positivo, como
contacto directo con el polo positivo de la batería, y con masa. El
potencial positivo permanente en el circuito eléctrico del vehículo
se denomina "borne-30". Por el contrario, todos
los aparatos de consumo conectados al
"borne-15" sólo tendrán potencial positivo
cuando el encendido está conectado y el "conmutador de
borne-15" establece una conexión con el
potencial positivo permanente del borne-30.
Dado que el conmutador semiconductor (210) puede
resistir una cantidad ilimitada de ciclos de conmutación, la
función de "conmutador de borne-15", según la
invención, también se asigna al conmutador semiconductor (210). El
conmutador semiconductor puede conmutar de modo fiable las
intensidades de corriente de reposo, por tiempo breve hasta 1000 A,
y varios centenares de amperios en régimen continuo.
Gracias a ello, también se pueden desconectar
del circuito eléctrico del vehículo los aparatos de consumo
adicionales de corriente de reposo elevada que tradicionalmente se
conectan de modo permanente con potencial positivo. Aunque estos
aparatos de consumo tradicionalmente se controlan de manera que
están desactivados cuando el vehículo está parado, puede circular
una corriente de reposo elevada, en especial cuando se produce una
avería. Por ejemplo, un componente semiconductor de potencia de un
aparato de consumo conectado permanentemente puede ocasionar un
funcionamiento permanente en caso de avería. Mediante la
utilización, según la invención, de un conmutador semiconductor en
un interruptor de protección, al que también se ha asignado la
función de conmutador de borne-15, se puede evitar
de forma sencilla y segura esta corriente de intensidad elevada
inadmisible y, consecuentemente, la descarga de la batería.
Así pues, mediante la utilización del
interruptor de protección como interruptor de desconexión en la
posición de encendido "desconectado" cuando el vehículo está
parado, se pueden desconectar de la tensión de alimentación más
aparatos de consumo que en los sistemas tradicionales, con lo que se
evita el consumo de electricidad innecesario o causado por
averías.
Preferentemente, el interruptor de protección
electrónico, según la presente invención, se instala muy próximo a
la batería. De esta forma, la longitud del conductor no protegida
entre la batería y el interruptor de protección se puede reducir al
mínimo. Para ello, el interruptor de protección (200) se realiza,
preferentemente, en forma de un módulo que se fija a la batería o
sobre la misma y que envuelve el borne del polo positivo de la
batería. Con esta forma de realización, no existe un conductor no
protegida entre la batería y el interruptor de protección.
Como resumen, la presente invención se refiere a
un interruptor de protección electrónico que permite desconectar de
la batería, de forma segura y reversible, el circuito eléctrico del
vehículo. Para ello se utiliza un conmutador semiconductor
electrónico que permite una cantidad ilimitada de ciclos de
conmutación. El conmutador semiconductor corta la conexión entre el
circuito eléctrico del vehículo y la batería en presencia de una
señal de colisión o una señal de sobrecorriente, o bien cuando se
desconecta el encendido. De esta manera se pueden evitar de forma
sencilla y segura las corrientes de intensidad demasiado elevada y
la descarga de la batería cuando el vehículo está parado.
Claims (16)
1. Interruptor de protección destinado a cortar
la conexión eléctrica entre la batería (100) de un vehículo a motor
y el circuito eléctrico (110) del vehículo, dotado de un conmutador
semiconductor (210) para conectar y desconectar entre sí la batería
(100) y el circuito eléctrico (110) del vehículo en función de una
sobrecorriente y/o una señal de colisión, caracterizado
porque el conmutador semiconductor (210) está configurado para un
funcionamiento bidireccional de la corriente, y porque el conmutador
(210) se conecta a conducción de corriente cuando la tensión
(U_{3}) del circuito eléctrico (110) del vehículo es superior a la
tensión (U_{1}) de la batería.
2. Interruptor de protección, según la
reivindicación 1, en el que el conmutador semiconductor (210) es un
MOSFET.
3. Interruptor de protección, según una de las
reivindicaciones 1 ó 2, en el que el conmutador semiconductor (210)
también desconecta de la batería (100) el circuito eléctrico (110)
del vehículo en la posición de encendido "desconectado".
4. Interruptor de protección, según la
reivindicación 3, en el que, cuando el encendido está en posición
"desconectado", el conmutador semiconductor (210) desconecta
de la batería (100) los aparatos consumidores de electricidad que
tienen un elevado consumo en reposo, en especial, las calefacciones
eléctricas adicionales y/o los sistemas de incandescencia.
5. Interruptor de protección, según una de las
reivindicaciones 1 a 4, en el que el conmutador semiconductor (210)
está dotado de una función de medición de corriente para monitorizar
la corriente (I_{Board}) que circula de la batería (100) hacia
el circuito eléctrico (110) del vehículo.
6. Interruptor de protección, según la
reivindicación 5, que además comprende un dispositivo de control
(220) para analizar la corriente medida por el conmutador
semiconductor (210) y para controlar el conmutador semiconductor
(210) a fin de cortar la conexión eléctrica entre la batería (100) y
el circuito eléctrico (110) del vehículo.
7. Interruptor de protección, según la
reivindicación 6, en el que el dispositivo de control (220) compara
la corriente medida por el conmutador semiconductor (210) con un
valor límite prefijado.
8. Interruptor de protección, según la
reivindicación 7, en el que se puede ajustar el valor límite para su
adaptación.
9. Interruptor de protección, según una de las
reivindicaciones 7 u 8, en el que, cuando se excede el valor
límite, el dispositivo de control (220) señaliza una sobrecorriente
al conmutador semiconductor (210).
10. Interruptor de protección, según una de las
reivindicaciones 1 a 9, en el que la señal de colisión es una señal
de activación de airbag.
11. Interruptor de protección, según una de las
reivindicaciones 1 a 10, configurado para ser fijado sobre un polo
de la batería.
12. Interruptor de protección, según una de las
reivindicaciones 1 a 11, dotado de un dispositivo (230) de
monitorización de la batería.
13. Interruptor de protección, según la
reivindicación 12, en el que el dispositivo (230) de monitorización
de la batería monitoriza la tensión de la batería (100), la
temperatura de la batería (100) y la corriente que sale de la
batería (100).
14. Interruptor de protección, según una de las
reivindicaciones 12 ó 13, en el que el dispositivo de control (220)
determina el estado de la batería (SOC, SOH), a partir de los
valores medidos por el dispositivo (230) de monitorización de la
batería.
15. Interruptor de protección, según una de las
reivindicaciones 1 a 14, dotado de un dispositivo (240) destinado a
monitorizar la corriente que sale de la batería (100) cuando el
encendido está en posición "desconectado".
16. Interruptor de protección, según la
reivindicación 15, en el que el dispositivo de control (220)
promedia los valores de la corriente detectada por el dispositivo
(240) de monitorización y, cuando se sobrepasa un valor límite
prefijado, desconecta de la batería los aparatos de consumo (160)
que están conectados también con el encendido en posición
"desconectado".
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