MÉTODO Y SISTEMA PARA EVITAR LA FORMACIÓN DE UN ARCO
ELÉCTRICO EN UN CONECTOR INTERCALADO EN UNA LÍNEA DE
ALIMENTACIÓN DE UNA CARGA DE POTENCIA
Campo de la Invención
La presente invención concierne a un método y a un sistema para evitar la formación de un arco eléctrico en un conector intercalado en una línea de alimentación de una carga de potencia, en particular aplicable a una red instalada en un vehículo automóvil para alimentar cargas de potencia, tal como una red a 42V de un vehículo con dos niveles de tensión (14V y 42V, o sistema "dual voltage") con el fin de evitar que al separarse los componentes del conector fortuita o accidentalmente, o por falta de advertencia de un manipulador se genere un arco eléctrico entre puntos de contacto que produzca una destrucción o deterioro prematuro de dichos contactos, o del propio conector, una interrupción intempestiva de la alimentación a determinadas cargas de la red o una situación de incendio con daños de mayor o menor gravedad, en especial durante la desconexión de las dos piezas o soportes electroaislantes componentes de un conector portadores de los terminales electroconductores de contacto. La invención ofrece también un especial interés para vehículos eléctricos en los que se utiliza un conjunto de baterías para proporcionar energía a un motor eléctrico destinado a propulsar el vehículo y en donde los niveles de corriente son del orden de 400 A a 400 V, para C.C., y de 40 A a 220 V para C.A., cuyos valores de corriente y tensión exigen la incorporación de una serie de medidas de seguridad para minimizar el riesgo de lesiones para los usuarios, mecánicos y técnicos de seguridad.
Antecedentes de la Invención
La progresiva implantación del sistema de alimentación a dos niveles de tensión diferentes en un vehículo automóvil implica que una parte de la red, especialmente aquella destinada a alimentar cargas de potencia, sea suministrada a un nuevo nivel de tensión, de por ejemplo 42V, muy superior a la tensión de aproximadamente 14V comúnmente utilizada hasta el momento
presente en automóviles. Es evidente que la alimentación de cargas a este nuevo nivel de tensión más elevado aporta unas claras ventajas. Sin embargo, también tiene el inconveniente de ser lo bastante alto como para generar arcos eléctricos, especialmente cuando se desconectan conectores en líneas que alimentan cargas a esta tensión elevada.
También en vehículos de tracción eléctrica, cuya implantación progresiva es previsible, se utilizan corrientes de alimentación a niveles de tensión susceptibles de generar arcos eléctricos.
Existen numerosos documentos que abordan el problema de la formación de un arco eléctrico, tanto al conectar como, especialmente, al desconectar las dos partes que constituyen un conector intercalado en una red de alimentación de cargas a un nivel de tensión susceptible de generar dichos arcos eléctricos.
En las EP-A-697751 , EP-A-673085 y US-A-6146160 se describen conectores con medios para una sujeción mecánica eficaz de los terminales de conexión, normalmente espigas y hembrillas electroconductoras, de manera que no se pueda producir una desconexión accidental de los mismos.
En las US-A-3.945.699, US-A-4.749.357 y US-A-5.676.571 , se describen unos medios asociados a las hembras receptoras de unas espigas electroconductoras, previstos para dificultar o minimizar la formación de arcos eléctricos al conectar los dos componentes de un conector.
La US-A-6.225.153 describe un conector de puerta de carga universal para vehículos eléctricos, en donde se prevé un mecanismo para cortar la corriente susceptible de generar un arco durante la desconexión de los terminales macho y hembra del conector antes del desacoplamiento de las dos partes componentes de dicho conector, en particular para evitar la desconexión de los conectores durante la carga de las baterías de los vehículos, cuyo mecanismo incluye un cerrojo mecánico de dichas dos partes accionado por un gatillo el cual está asociado a un interruptor acoplado a una fuente de potencia para el conjunto del conector, a través de cuyo interruptor, y al ser accionado el gatillo por un usuario, se inhabilita la circulación de corriente hacia la carga de potencia a alimentar antes de que se habilite la desconexión del terminal o terminales macho-hembra de potencia del conector.
La patente US-A-5.542.425 describe un aparato y método para evitar el deterioro de contactos en un equipamiento eléctrico en concreto en un equipo de adquisición de imágenes con un sistema de ultrasonidos en el que varias sondas se pueden enlazar al sistema de adquisición sin riesgo de que al desconectar dichas sondas pueda saltar un arco eléctrico, en cuyo sistema el conector incluye un miembro accionado mecánicamente para activar y desactivar una interfaz de conexión entre los componentes, incluyendo un sensor o detector que determina cuando el conector va a ser desconectado por parte de uno de los componentes y proporciona una señal que es utilizada por uno de los componentes para inhabilitar la alimentación de energía eléctrica hacia el conector y evitar así la formación de un arco eléctrico al separar físicamente los terminales macho-hembra del mismo. En los diferentes ejemplos que ilustran esta patente el citado miembro es un árbol giratorio sobre el que ha de actuar el usuario y el citado sensor es un sensor óptico, sensor magnético o un simple interruptor.
En los dos últimos antecedentes, la desconexión de la fuente de alimentación se realiza o bien por parte del propio usuario (como en la US-A- 6.225.153) o bien mediante la adición de un sensor asociado a un mecanismo asimismo accionado por el usuario (como en la US-A-5.542.425), precisándose actuar siempre sobre el conector con unos medios para desplazar apropiadamente sus contactos, siendo esencial para una adecuada funcionalidad el generar unos retardos por las condiciones mecánicas del accionamiento.
Un objetivo de la presente invención es el de aportar un método para evitar la formación de un arco eléctrico en un conector intercalado en una línea de alimentación de una carga de potencia aprovechando unas características específicas de la caída de tensión y evolución de la intensidad que se producen al efectuarse una desconexión de la alimentación a una carga de potencia para detectar el instante de la desconexión y cortar la alimentación de fluido eléctrico a esta carga antes de que pueda producirse un arco eléctrico.
Otro objetivo de la presente invención es el de aportar un sistema para implementar un método con las características descritas en el párrafo anterior
con un bajo costo y a partir de los componentes y actualmente en uso, especialmente en la industria de la automoción.
Breve exposición de la invención El método y sistema de la presente invención está previsto para evitar la formación de arcos eléctricos en conectores intercalados en líneas que alimentan cargas de potencia mediante la detección de una diferencia de tensión entre una primera tensión o tensión de alimentación desde una fuente de suministro de energía eléctrica y una segunda tensión tomada en un punto próximo a la carga. Unos medios electrónicos detectan y comparan continuamente estos dos valores de tensión y, en caso de que dentro de un intervalo mínimo de tiempo, predeterminado, una diferencia detectada entre las primera y segunda tensiones sea mayor que un umbral predeterminado, unos medios electrónicos cortan de inmediato el suministro de energía eléctrica hacia aquella vía que alimenta la carga de potencia afectada por la desconexión del conector. Simultánea o alternativamente, la comparación se puede efectuar sobre unos primer y segundo valores de intensidad tomados respectivamente en los mismos puntos que las tensiones.
El conector intercalado en la línea que alimenta la carga comprende unos primer y segundo soportes electroaislantes portadores de un primer par de terminales conectados a sendas porciones de dicha línea de potencia. Ventajosamente, para efectuar la detección de la tensión o intensidad en el citado punto próximo a la carga, el método de la presente invención utiliza una conexión que pasa por un segundo par de terminales situados en los primer y segundo soportes electroaislantes del mismo conector. Este segundo par de terminales es ordinario, y puede ser igual que el primer par. Es decir, la implementación del método propuesto no exige el empleo de conectores de un diseño específico, o modificados.
Tal como se explica a continuación, la citada diferencia detectada entre las primera y segunda tensiones o intensidades, mayor que un umbral predeterminado, es indicativa de una interrupción súbita en la citada vía de paso de energía eléctrica hacia la carga o en la vía de detección, típicamente debida a la desconexión de un conector.
A partir del estudio de gráficas de tensión e intensidad frente al tiempo correspondientes a una porción de circuito que ha sido desconectada de la alimentación, y durante los instantes siguientes a la desconexión, se observa una súbita caída inicial de la tensión que a continuación se suaviza notablemente en descenso durante un cierto período de tiempo, durante el cual es susceptible de producirse el arco eléctrico, para caer finalmente a cero, mientras que la intensidad experimenta un súbito pico negativo en el momento de la desconexión que se recupera inmediatamente para descender suavemente durante un cierto período de tiempo, que es el mismo durante el cual es susceptible de producirse el arco eléctrico, para caer finalmente a cero.
Están previstos unos medios electrónicos para detectar y comparar continuamente parejas de valores de tensión y/o intensidad y, en caso de apreciarse la mencionada caída súbita inicial de la tensión y/o el citado pico negativo de intensidad, estos medios electrónicos cortan el suministro de energía eléctrica hacia la carga implicada en un tiempo suficientemente corto como para evitar la formación del arco eléctrico en el conector. Cuando una misma red alimenta varias cargas, teniendo cada carga su propio conector, los medios electrónicos incluyen un circuito de identificación para discriminar cuál de los conectores ha sido desconectado y generar una interrupción prioritaria a un microprocesador para que éste actúe sobre un dispositivo de protección por desconexión de la carga implicada sin interrumpir la alimentación de las restantes cargas.
Breve explicación de los dibujos Para una mejor comprensión de la invención, se describirá la misma, con la ayuda de unas hojas de dibujos en las que se ilustran unos ejemplos de realización no limitativos de una posible implementación, conforme al siguiente detalle: la Fig. 1 es un diagrama que muestra la tensión y la intensidad frente al tiempo en un conector durante unos instantes inmediatos a la desconexión; la Fig. 2 es un esquema del sistema de la presente invención de acuerdo con su más simple realización; y
la Fig. 3 es un esquema del sistema de la presente invención de acuerdo con una realización más completa de la misma;
Descripción detallada de los ejemplo de realización preferidos Haciendo referencia en primer lugar a la Fig. 1 , en ella se muestra una gráfica de tensión V e intensidad I frente al tiempo t. La gráfica corresponde a una línea de alimentación a una carga al ser desconectada y durante los instantes siguientes a la desconexión. La curva de la mitad superior corresponde a la tensión V mientras que la línea de la mitad inferior corresponde a la intensidad I. En el ejemplo ilustrado, la tensión inicial, en la izquierda de la gráfica es de 42V y la intensidad inicial de 15A. En la derecha de la gráfica, tanto la tensión como la intensidad han caído a cero. En la parte central de la gráfica se observa una zona relativamente amplia de una duración t1 en la que tanto la curva de tensión como la curva de intensidad descienden en rampa de manera relativamente suave hacia la derecha, es decir, hacia sus respectivos valores 0V y 0A. En esta zona de descenso en rampa, la intensidad y la tensión son todavía lo suficientemente altas como para ocasionar un arco eléctrico, el cual tiene efectos perniciosos para la vida útil de los contactos y presenta un riesgo de incendio. Se ha constatado que, en el momento de la desconexión, y en este Ej. para cargas resistivas, la tensión experimenta una súbita caída Cv desde el valor inicial de alimentación, es decir, 42V en el ejemplo ilustrado, hasta un valor de inicio de la rampa, cuya caída Cv es, en este caso, de aproximadamente 11 ,6V. Esta caída Cv de tensión corresponde, por ejemplo, al momento de una desconexión física de un conector y puede ser fácilmente detectada por unos medios electrónicos adecuados. Al mismo tiempo que la tensión experimenta la caída brusca Cv, la intensidad experimenta un súbito pico negativo Pi que inmediatamente se recupera para descender suavemente durante el mismo tiempo t1 de descenso en rampa de la tensión, y durante el cual es susceptible de producirse el arco eléctrico. La intensidad cae finalmente a cero aproximadamente al mismo tiempo que la tensión. El citado pico negativo Pi de intensidad también puede ser detectado por unos medios electrónicos adecuados.
El método de la presente invención se basa en la detección de la citada caída de tensión Cv y/o del pico de intensidad Pi en el momento de la desconexión de un conector. En virtud de dicha detección, los medios electrónicos ejecutan una acción de corte de energía eléctrica hacia la carga implicada en un tiempo suficientemente corto como para impedir la formación del arco eléctrico.
Con referencia a la Fig. 2 se describe un primer ejemplo de sistema para la implementación del método arriba descrito de acuerdo con la presente invención. En la Fig. se representa un conector 11 intercalado en una línea 5 de alimentación a una carga 10 de potencia. El citado conector 11 es de un tipo convencional y comprende unos primer y segundo soportes electroaislantes 1 , 2 portadores de unos primer y segundo pares de terminales 3, 4 y 12, 13 susceptibles de acoplar a enchufe de manera liberable. En una posición de acoplamiento de dichos soportes electroaislantes 1 , 2, los citados primeros y segundos terminales 3, 4 y 12, 13 empalman eléctricamente entre sí estableciendo, los primeros, la mencionada vía 5 de paso de energía eléctrica hacia dicha carga de potencia 10. En una posición de desacoplamiento (no mostrada) de los soportes electroaislantes 1 , 2, los primeros y segundos terminales 3, 4 y 12, 13 se separan físicamente, interrumpiendo los primeros la vía 5 de alimentación a la carga 10. Tal como se ha apuntado más arriba, la tensión e intensidad en la línea 5 son tales que la citada separación física del par de terminales 3, 4 puede generar un arco eléctrico entre los mismos. La vía 5 forma parte generalmente de una red de suministro y distribución de energía eléctrica, por ejemplo en un automóvil. Dicha red, como es habitual, incluye unos primeros medios de detección asociados a una unidad electrónica 20 para detectar continuamente una primera tensión V1 (y/o primera intensidad) de alimentación de dicha red en un primer punto 22 situado en dicha vía 5, antes del conector 11. Los citados primeros medios de detección comprenden una primera conexión 14 entre el citado primer punto 22 y un dispositivo electrónico comparador 21.
Para poner en práctica el método de la invención se aportan unos segundos medios de detección asociados a dicha unidad electrónica 20 para detectar una segunda tensión V2 (y/o segunda intensidad) en un segundo punto
23 situado en dicha vía 5 próximo a la carga de potencia 10 y después del conector 11. Estos segundos medios de detección comprenden una segunda conexión 15 entre el citado segundo punto 23 y el citado dispositivo electrónico comparador 21. La citada conexión de supervisión de la caída de tensión se establece a través de una vía que atraviesa el conector 11 por los terminales 12, 13. Si en el momento de la desconexión fueran estos terminales 12, 13 los que se separaran en primer lugar en vez de los terminales 3, 4, la diferencia de tensión o salto detectado sería mucho mayor, puesto que la línea 15 no es de alimentación sino únicamente de detección. El dispositivo electrónico comparador 21 procede a comparar continuamente dichas primera y segunda tensiones V1 y V2 (y/o primera y segunda intensidades). En el caso de que dentro de un intervalo mínimo de tiempo, predeterminado, se haya detectado una diferencia entre las primera y segunda tensiones V1 y V2 (y/o primera y segunda intensidades) mayor que un umbral predeterminado, el dispositivo comparador 21 genera una interrupción prioritaria a un microprocesador 8 para que éste actúe sobre un dispositivo de protección por desconexión 7, el cual efectúa un corte de suministro de energía eléctrica a la citada vía 5 hacia la carga de potencia 10 a través del conector 11. Este corte de suministro se efectúa en un tiempo suficientemente corto como para impedir la formación de un arco eléctrico en el conector 11.
El citado umbral predeterminado para dicha diferencia entre las primera y segunda tensiones V1 y V2 (y/o primera y segunda intensidades) está seleccionado para cubrir la caída de tensión Cv (y/o el pico negativo de intensidad Pi) descrita con relación a la gráfica de la Fig. 1 , y la cual es indicativa de una interrupción súbita en la citada vía 5 de paso de energía eléctrica o en dicha segunda conexión 15 de los segundos medios de detección.
Haciendo ahora referencia a la Fig. 2, el método de acuerdo con la presente invención está previsto para ser implementado en una red de suministro y distribución de energía eléctrica que incluye varias de dichas cargas 10a, 10b alimentadas a través de unas respectivas vías 5a, 5b de paso de energía eléctrica. Aunque en la Fig. 2 se han ¡lustrado únicamente dos de dichas cargas 10a, 10b, es evidente que su número puede ser mayor. En cada una de dichas vías 5a, 5b está dispuesto al menos un conector 11a, 11 b intercalado
entre unos medios electrónicos 20 de control de la alimentación y la correspondiente carga 10a, 10b. En el ejemplo ilustrado en la Fig. 2, en cada línea 5 están dispuestos dos de dichos conectores 11 a - 11 c.
Al igual que en el ejemplo anterior, y según el sistema de la presente invención, para cada línea 5a, 5b existen unos primeros y segundos medios de detección formados por unas primera y segunda conexiones 14a, 14b, 15a, 15b entre unos primer y segundo puntos 22, 23 y un correspondiente dispositivo comparador 21 para detectar y comparar continuamente unas primera y segunda tensiones V1 , V2 (y/o primera y segunda intensidades) correspondientes a la alimentación de salida en el punto 22 y a la corriente de llegada a la carga 10a, 1 b en el punto 23 próximo a la misma. Un conector 11e, común para las líneas de alimentación 5a, 5b y para las segunda conexiones de detección 15a, 15b está dispuesto a la entrada de medios electrónicos 20.
Los diferentes dispositivos comparadores 21 están conectados a un circuito de identificación 16 asociado a la unidad electrónica 20, cuyo circuito de identificación 16 se encarga de discriminar aquella línea o líneas 5a, 5b para las cuales el resultado de la comparación entre los valores de tensión o intensidad en los primer y segundo puntos 22 y 23 sea mayor que dicho umbral predeterminado. Se observará que, con esta disposición, una desconexión de cualquiera de los conectores 11a - 11 d, e incluso del conector común 11e, producirá una detección de la caída de tensión Cv o pico negativo de intensidad Pi (véase la Fig. 1) en la vía o vías 5a, 5b implicadas.
En este caso, es el circuito de identificación 16 el que genera una interrupción prioritaria a un microprocesador 8 para que éste actúe sobre un dispositivo de protección por desconexión 7 el cual efectúa un corte de suministro de energía eléctrica a la citada vía 5a, 5b discriminada, sin interrumpir la alimentación a las vías restantes.
Es importante señalar que el sistema para la implementación del método de la presente invención utiliza componentes que son convencionales y del tipo actualmente usado en la industria de la automoción. Así, por ejemplo, el segundo par de terminales 12, 13 asociados respectivamente a dichos primer y segundo soportes electroaislantes 1 y 2 de cada conector 11 - 11 e para establecer, cuando el correspondiente conector 11 - 11e se encuentra en dicha
posición de acoplamiento, la citada segunda conexión 15, 15a, 15b entre dicho segundo punto 23 y el dispositivo electrónico comparador 21.
A un experto en la materia se le pueden ocurrir múltiples variaciones y/o modificaciones sin salirse del alcance de la presente invención según está definido en las reivindicaciones siguientes.