Cómo utilizar monitores de corriente residual para garantizar la seguridad eléctrica al cargar vehículos eléctricos

La carga frecuente de la batería de alto voltaje de los vehículos eléctricos (VE) se traduce en elevados requisitos de esfuerzo mecánico para los cables y conectores de carga. Si se rompe el aislamiento y quedan expuestas partes metálicas bajo tensión, o aparecen derivaciones en la electrónica integrada, pueden producirse corrientes residuales potencialmente mortales en el cuerpo del usuario del VE. Especialmente problemáticas son varias formas de corriente residual de CC que no pueden ser detectadas por los dispositivos de corriente residual (RCD) de tipo A sensibles a la CA.

Para evitar accidentes por descarga eléctrica, los fabricantes de equipos de alimentación de CA (EVSE) deben incorporar en sus productos electrónicos de potencia dispositivos de corriente residual que se activen en unos pocos milisegundos para corrientes residuales de CA y CC de unos pocos miliamperios (mA).

Este artículo explica las formas de corrientes residuales, cómo medirlas y dónde instalar el RCD en el circuito de carga. A continuación, presenta los monitores de corriente residual (RCM) de Littelfuse que los diseñadores de sistemas pueden utilizar para añadir protección contra las descargas eléctricas de CC en sus dispositivos EVSE de una manera rentable y rápida. El artículo también muestra para qué modos de carga de VE son adecuados estos sensores de corriente y cómo se utilizan.

Corrientes residuales en el circuito de carga del VE

La carga de vehículos eléctricos a tensiones de hasta 400 voltios de CA y 1000 voltios de CC requiere amplias medidas de protección para el usuario del vehículo eléctrico cuando maneja el equipo de carga. Debido a los impulsos de conmutación ricos en armónicos y asimétricos de las estaciones de carga y los cargadores de a bordo, así como a varios cientos de voltios de tensión de enlace de CC, pueden producirse varios tipos de corrientes residuales de CA y CC a través de derivaciones, efectos de acoplamiento, fallos de aislamiento y fallos de fuga.

Los circuitos electrónicos de potencia, como los rectificadores, los convertidores de conmutación y los inversores de frecuencia, junto con los sistemas de control del inversor y del ángulo de fase, presentan una amplia variedad de características de la corriente de carga. Las corrientes residuales potenciales resultantes se clasifican en CA sinusoidal, CC pulsada y CC recta. Estas formas de corriente residual son peligrosas para los seres humanos. La tabla 1 muestra las señales de corriente de carga típicas de varias topologías de circuito y las formas de onda de corriente residual resultantes. Columnas 1 a 3 asignan los tipos de RCD adecuados para la detección.

Tabla 1: Formas de corriente de defecto y su detección según el tipo de RCD más adecuado (columnas 1 a 3). (Fuente de la imagen: Wikipedia)

Un buen conocimiento de las formas de onda de las corrientes residuales puede ayudar a los talleres de reparación de VE y a los electricistas a la hora de localizar corrientes residuales en los componentes electrónicos de las placas de los VE, los EVSE o las estaciones de carga.

Característica de disparo de los tipos de RCD

En general, la protección personal contra descargas eléctricas en instalaciones eléctricas está regulada por las normas IEC 60479 y UL 943. Ambas normas definen corrientes residuales significativas de CA y CC en el rango de 6, 30, 100, 300, 500 y 1000 mA, con tiempos de disparo que van de 20 a 500 ms. Los umbrales de disparo habituales en el circuito de carga de VE son 6 mA CC y 30 mA CA.

Ahora, los diseñadores de sistemas pueden aplicar fácilmente requisitos específicos de protección personal en el circuito de carga seleccionando un tipo de RCD de la norma adecuada. La tabla 2 enumera las formas de corriente residual y la tolerancia de disparo de los diferentes tipos de RCD o interruptores delcircuitodefallosatierra (GFCI).

Tabla 2: Características de disparo de diferentes tipos de GFCI o RCD. (Fuente del cuadro: abb.com)

Instalación de dispositivos de corriente residual en el circuito de carga del vehículo eléctrico

Los dispositivos de corriente residual de tipo A o tipo F sólo detectan la corriente residual de CA y la corriente pulsante de CC, lo cual es insuficiente para proteger un circuito de carga de VE. También debe tenerse en cuenta un amplio rango de corrientes continuas residuales que pueden producirse en el cargador de a bordo o en el sistema de gestión de baterías.

Por lo tanto, la norma IEC 62196 define dos opciones de protección diferencial: el uso de un RCD de tipo B (o tipo B+) sensible a todas las corrientes, o un RCD de tipo A junto con un sistema de control de CC residual según IEC 62955 con I_Δn CC ≥ 6 mA. El control de la corriente de defecto CC puede instalarse en la caja mural, en la instalación eléctrica del edificio o en ambos lugares.

Dado que en los sistemas eléctricos de los edificios suele haber un RCD tipo A o tipo F sensible a la CA, los diseñadores pueden añadir de forma rentable un control de CC residual de 6 mA a las cajas murales o estaciones de carga del modo 3, así como a las cajas de control en cable (ICCB) de los cables de carga del modo 2 (figura 1, casos 2 y 3).

Figura 1: Los dispositivos EVSE deben añadir un RCM de CC aguas abajo del RCD de tipo A sensible a la CA (caso 2), o tener uno conectado a la red de CA directamente a través de un RCD de tipo B (caso 4). (Fuente de la imagen: goingelectric.de)

Modos de carga para VE

La batería del VE puede cargarse a través de diferentes modos de carga, en función de la conexión eléctrica disponible in situ, la clavija de conexión, el cable de carga y la tecnología de carga instalada en el vehículo, así como en la estación de carga. En Europa, la energía eléctrica puede llegar al vehículo a través de corriente alterna monofásica (230 voltios/3.6 Kilovatios (kW)), corriente alterna trifásica (400 voltios/22 kW), o a través de estaciones de carga de corriente continua de alto voltaje (hasta 1000 voltios CC/500 kW). La figura 2 ilustra los cuatro modos de carga definidos en la norma IEC 61851.

Figura 2: Ilustración de los cuatro modos de carga definidos en la norma IEC 61851. (Fuente de la imagen: bestchargers.eu)

Modo 1 (carga monofásica de CA hasta 3,6 kW; modo de carga por defecto)

En este caso, el vehículo eléctrico o híbrido se conecta a una toma doméstica estándar de 230 voltios mediante un simple cable pasivo y se cargará utilizando baja potencia a un máximo de 3.6 kW a través del cargador de a bordo. Este escenario de carga no proporciona suficiente protección contra la CC residual para el usuario. Normalmente, sólo se instala un RCD de tipo A sensible a la CA en el sistema eléctrico del edificio.

Modo 2 (carga de CA monofásica/trifásica de hasta 22 kW mediante un cable de carga ICCB)

Un cable de carga de Modo 2 equipado con una clavija para vehículos de Tipo 2 contiene un ICCB que realiza funciones de seguridad y comunicación cuando se cargan VE utilizando tomas domésticas y trifásicas para evitar sobrecargarlas.

Las siguientes funciones de protección deben integrarse con el ICCB:

• Determinación de la polaridad y control del conductor de protección (PC); solo se permiten unos pocos ohmios de impedancia de bucle entre el neutro y el PC.
• Prueba de la conexión eléctrica entre el PC y el cuerpo metálico.
• Un disyuntor de corriente residual de CA y CC evita los accidentes por corriente.
• Supervisión/parada del proceso de carga en caso de anomalías (por ejemplo, fluctuaciones de corriente debidas a contactos de clavija corroídos o a la rotura del cable).
• Monitorización de la temperatura en el interior del ICCB y de ambas clavijas y realizar la desconexión si es necesario.
• Control de la potencia de carga: Resistencias en pull-down en el cable piloto de control (CP) para señalar la capacidad de carga de corriente del cable tanto a la caja mural como al VE; la señal de modulación por ancho de pulsos (PWM) en el cable de control de carga (CC) señala la capacidad de carga de la caja mural al VE.

Modo 3 (carga monofásica/trifásica CA hasta 22 kW mediante caja mural)

Para la carga de vehículos eléctricos, se conecta un cable pasivo de modo 3 a una caja de pared en los hogares o a una estación pública de carga de CA en aparcamientos. Ambos tienen integradas las mismas funciones de protección que el ICCB anterior.

Modo 4 (carga rápida de CC directa de la batería hasta 500 kW)

Las estaciones de carga de CC de alta potencia (CC/CHP) para vehículos eléctricos ofrecen corrientes de carga significativamente más altas que las de los modos 2 y 3. En este supercargador se ha implementado la protección contra descargas de CA y CC residuales; los diferentes cables de carga están siempre firmemente sujetos.

Medición de las corrientes de fallo de CA y CC en el circuito de la EVSE.

Los RCM de la serie RCM14 de Littelfuse Inc. detectan corrientes residuales de CC y/o CA en sistemas de CA o CC y entregan una señal de salida para controlar un desconectador externo (relé de corte). En cambio, los RCD y los disyuntores de corriente residual (RCCB) tienen un relé de corte integrado.

Las corrientes residuales de CA se detectan mediante un transformador de corriente inductivo (TC). Para ello, el conductor de corriente directa (_IL) y el conductor de corriente de retorno (_IN) se alimentan a través de un núcleo toroidal magnético blando, lo que hace que ambos vectores de corriente normalmente se compensen entre sí y sumen cero. Si una corriente de defecto (_Ig) fluye hacia el potencial de tierra a través del cuerpo humano en el circuito situado detrás del detector, la corriente total del RCM o del GFCI difiere de cero y el disyuntor se dispara (figura 3).

Figura 3: Si una corriente de defecto (I_g) fluye hacia el potencial de tierra a través del cuerpo humano, la corriente total del GFCI difiere de cero y el disyuntor se dispara. (Fuente de la imagen: Littelfuse)

Integrando una sonda magnetométrica fluxgate en una ranura del núcleo toroidal y compensando el flujo magnético a cero mediante una bobina de compensación, el TC también puede detectar CC diferencial. Más preciso que los sensores de efecto Hall o las resistencias de derivación, este método detecta pequeñas corrientes de fallo de CC a partir de 6 mA en corrientes de carga de CC pesadas de hasta 500 amperios (A).

RCM con salida de control para seccionador

La serie RCM14 de Littelfuse es ideal para su uso en cables de carga ICCB para VE (Modo 2) y estaciones de carga de VE (Modo 3). Están disponibles en tres opciones de detección de corriente residual de acuerdo con las normas IEC 62752 (Modo 2), IEC 62955 (Modo 3) y UL 2231.

Cada RCM tiene un LED de funcionamiento y un LED de avería. El conector JST de cuatro patillas simplifica la instalación: las patillas 1 y 2 son para la fuente de alimentación de 12 voltios, la patilla 3 es para la comprobación de funciones externas y la patilla 4 es una salida de conmutación de drenaje abierto para accionar un desconectador externo, como un relé de corte, a un máximo de 100 mA y 24 voltios (máximo) (Figura 4).

Figura 4: Los módulos de la serie RCM14 tienen dos LED de estado y son fáciles de conectar mediante el conector JST de cuatro patillas. (Fuente de la imagen: Littelfuse)

Estos RCM activos también pueden utilizarse para detectar corrientes residuales de CA y/o CC en instalaciones monofásicas o multifásicas de CC. El funcionamiento monofásico limita la corriente de carga a 100 A, mientras que el funcionamiento trifásico es de 40 A. Pueden manejar pulsos de corriente de carga de hasta 3000 A.

RCM14-01: módulo RCM de 6 mA CC según IEC 62955, apertura de 14 milímetros (mm)

El monitor de corriente residual RCM14-01 detecta corrientes de defecto CC en sistemas de CA de 50 Hz/60 Hz. Se ha desarrollado para su uso en estaciones de carga de modo 3 para VE (norma IEC 62955) con el fin de interrumpir el circuito de carga del VE en caso de una corriente de fallo de CC ≥ 6 mA. Este detector añade la función de control de la corriente residual de CC a los dispositivos de corriente residual de tipo A y tipo F existentes en el sistema eléctrico del edificio de forma rentable y sencilla (figura 5).

Figura 5: RCM14-01 añade la supervisión de corrientes residuales de CC ≥ 6 mA a los DCR de tipo A sensibles a la CA en sistemas eléctricos de edificios. (Fuente de la imagen: Littelfuse, Western Automation)

RCM14-03: módulo RCM de 6 mA CC/30 mA CA según IEC 62752, apertura de 14 mm

El RCM14-03 está previsto para su uso en dispositivos de protección ICCB o integrados para VE en modo de carga 2 para interrumpir el suministro al VE en caso de fallo de CA o CC.

RCM14-04: módulo RCM de 56 mA CC/20 mA CA según UL 2231-2, apertura de 14 mm

El módulo RCM14-04 detecta corrientes de defecto de CA y CC en instalaciones de CA de 60 hertzios (Hz). Está diseñado para su uso en aplicaciones de estaciones de carga de vehículos eléctricos con dispositivo de interrupción del circuito de carga (CCID), donde interrumpe el suministro al vehículo eléctrico en caso de que se produzca una situación de corriente residual de CA o CC.

RCM20-01: El RCM20-01 es un monitor de corriente residual destinado a la detección de corrientes residuales de CC en instalaciones de CA de 50 Hz/60 Hz. Está destinado a las Estaciones de Carga de Vehículos Eléctricos en Modo 3, para desconectar el suministro al Vehículo Eléctrico en condiciones de corriente residual de defecto de CC. El producto cumple plenamente la norma IEC 62955.

RCM20-03: El RCM20-03 es un monitor de corriente residual destinado a la detección de corrientes residuales de CC y CA en instalaciones de CA de 50 Hz/60 Hz. Está destinado a las Estaciones de Carga de Vehículos Eléctricos en Modo 2, para desconectar el suministro al Vehículo Eléctrico en condiciones de corriente de defecto CC y CA. El producto cumple plenamente la norma IEC 62752 y también puede utilizarse para aplicaciones IEC 62955 en las que se requiera una detección de fallos de CA de 30 mA.

Para la integración en un circuito de dispositivos más grande, los siguientes módulos RCM presentados también están disponibles como sistemas de armazón abierto:

• RCM14-01_SYS_V, RCM14-01_SYS_H
• RCM14-03_SYS_V, RCM14-03_SYS_H
• RCM14-04_SYS

Cada sistema consta de una placa de PC soldable para sensores y un transformador de corriente independiente (Figura 6).

Figura 6: Los módulos RCM14-04_SYS son sistemas de armazón abierto compuestos por una placa de PC de sensores y un transformador de corriente. (Fuente de la imagen: Littelfuse, Western Automation)

Conclusión:

Los dispositivos de corriente residual de tipo A sensibles a la CA son normas de instalación habituales en los sistemas eléctricos de los edificios, pero no pueden proteger contra los peligros de la corriente residual de CC en los circuitos de carga de vehículos eléctricos. Como se muestra, la serie RCM14 puede realizar la monitorización de la corriente residual CC necesaria en cables de carga ICCB (Modo 2) y estaciones de carga EV (Modo 3). Con sólo cuatro clavijas de conexión, los diseñadores de sistemas pueden implantar fácilmente y de forma rentable el módulo RCM compacto o el sistema de armazón abierto en su EVSE.