Cómo derivar 1500 julios cuando el voltaje supera los 75 VCC

Tengo un alternador que se carga a ~58 V a 100 A. Si su carga (un banco de litio) se corta repentinamente (corte de bms), necesito una forma de derivar la energía durante 200 ms a una carga ficticia para evitar que la corriente caiga. a 0 A y el voltaje aumenta a 230 ~ 280 V (después de aproximadamente 100 V, comienza a quemar los diodos del alternador y destruye todo lo demás conectado en paralelo, por lo que no se eleva al infinito).

Idealmente, se evitaría que el voltaje supere los 75 V CC. 200 ms es el tiempo que tarda en disiparse el campo del alternador después de que el regulador corta rápidamente la energía al campo, así que ese es el tiempo que necesito para desviar la energía del circuito principal.

Para alternadores de 12 V y 24 V, este es un dispositivo de $89 fabricado por una compañía llamada Sterling Power, pero no existe nada para 48 V. Me han dicho que la física de 48 V lo hace mucho más difícil.

Un fabricante de un regulador de alternador de 48 V me dio los siguientes datos para un escenario de "descarga de carga" de alternador de 200 V. Mi alternador es de 100 A máx., por lo que solo necesito esa protección:

"Querrá ver cómo suprimir el voltaje por debajo de 100 V o más o menos, de lo contrario estará fuera del rango viable para que la mayoría de los dispositivos sobrevivan. El detalle aquí es un evento de varios julios de 200 ms o más, no solo un Evento HV/LC: la mayoría de los dispositivos ya tienen protección para eso. Suprimir un alternador de 200 A y 48 V durante 200 ms a 100 V da como resultado 3000 julios, si he hecho mis cálculos correctamente. Ese es el objetivo aquí. 100 V supresión, con una calificación de 3 kJ".

Cita 100 V pero, para que quede claro, ahí no es donde comienza el pico. Comienza alrededor de 58 V x 200 A en su ejemplo, y luego el voltaje aumenta a medida que cae la corriente, por lo que cuando llegue a 100 V, la corriente será solo de 116 A. Probablemente calculó 60 x 200 x 0.2 = 2400 y luego redondeó hasta 3000 julios para el espacio libre.

Para mi situación, comienza en 58 V x 100 A y dura 0,2 s, por lo que 58 x 100 x 0,2 = 1160 julios. Y tal vez redondeemos a 1500 julios para dar algo de margen. Esa es la cantidad de energía que necesito derivar a una carga ficticia una vez que el voltaje cruza los 75 VCC.

Encontré muchos dispositivos de supresión de voltaje para 48 V (Transtector fue excelente al investigar sus diversas ofertas de supresión de 48 V), pero sus dispositivos son para eventos de microsegundos, no de 200 ms. Así que realmente está entrando en el área de sobretensión sostenida, aunque breve, y no tanto como transitoria.

¿Algunas ideas? Pensé en un convertidor de 72 V CC con una entrada mínima de 65 V CC (90 V máx.), pero no estaba seguro de si sería lo suficientemente rápido como para comenzar a desviar la corriente a una carga ficticia conectada a su salida.

Debe haber una manera de construir un gran inductor o una red RC que pueda absorber ese tipo de energía después de que el voltaje cruce un umbral establecido.

¿Por qué tienes que desviar esta energía? ¿Por qué no simplemente desconectarlo?
No es una opción. La fuente se arruinará si se abre el circuito. Debe desviar o perder $3,000
¿Qué tipo de forma de onda está viendo: sobretensión continua o pico decreciente? Es probable que 15kW continuos durante 200ms sea una tarea difícil.
Es un alternador de 56V 100A = 5.6kW que tiene un circuito abierto, por lo que la corriente cae hacia 0A y el voltaje aumenta hasta que comienza a destruir los diodos del alternador y todo el hardware paralelo. Si no se produce ninguna derivación, normalmente se alcanzará un máximo de 230-280 V. ¿Alguna idea de a qué forma de onda corresponde? No lo sé (todavía). Me dijeron que se trata de 3 kJ y un tiempo total de 200 ms, pero el fabricante del regulador del alternador que me dijo eso se refería a un dispositivo de 200 A y 56 V, por lo que probablemente pueda reducir sus números a la mitad o menos. 5,6kW x 0,2S = 1120 julios, así que tal vez eso es todo lo que necesito para desviar.
Esto es lo que escribió el fabricante del regulador del alternador, pero mi corriente es de 100 A como máximo, no de 200 A, y me gustaría detenerme en 65 o 75 V. "Querrá ver cómo suprimir el voltaje por debajo de 100 V o más, de lo contrario estará fuera del rango viable para que la mayoría de los dispositivos sobrevivan. El detalle aquí es un evento de varios julios de 200 mS o más, no solo un HV / Evento LC: la mayoría de los dispositivos ya tienen protección para eso. La supresión de un alternador de 200 A y 48 V para 200 mS a 100 V da como resultado 3000 julios, si he hecho mis cálculos correctamente. Ese es el objetivo aquí. Supresión de 100 V, con una clasificación de 3 kJ. "
@BeachInMexico Solo para ser claro en el cálculo, me sale 200 A ⋅ 100 V ⋅ 200 EM = 4 kJ . Y esto significa un pulso promedio de 20 kilovatios para 200 EM . Me hace preguntarme cuál es la impedancia de su fuente, en la práctica. Porque eso es lo que se necesita para saber qué hacer. Si la impedancia de la fuente es exactamente cero (que no lo es), entonces, por supuesto, no hay nada que pueda hacer.
¿Por qué el problema desaparece después de 200 ms?
Esa es la cantidad de tiempo que tarda el campo del alternador en disiparse después de que el regulador corta la energía al campo.
@jonk Creo que el fabricante del regulador lo bajó a 3kJ porque el voltaje no comienza a 100 V, es a 58 V y luego comienza a aumentar a medida que cae la corriente. Entonces, el comienzo del pico para su ejemplo de un alternador 200A (el mío es 100A) sería algo así como 200 x 58 x 0.2 = 2320. Sospecho que luego lo aumentó a 3000 para proporcionar espacio adicional. No sé la impedancia de la fuente, solo sé que es un alternador de 48V. Tal vez pueda investigar los valores de impedancia del alternador. Pero, ¿habría todavía una idea general de cómo derivar energía a algún tipo de red RC o carga ficticia?
En la parte superior de mi cabeza, una solución podría ser tener un zener que active un SCR que descargue la energía en resistencias de tamaño adecuado.
@BeachInMexico Estoy seguro de que ya ha estado investigando varias tecnologías de pararrayos. Así que no duplicaré tu trabajo. Pero mientras piensa en eso, también podría considerar una forma de incluir (diseño híbrido) un par RC en serie, donde la C está completamente clasificada para los voltajes involucrados y también coincide con la inductancia del alternador (si te estoy siguiendo , en absoluto.) Estoy seguro de que hay páginas que discuten las relaciones prácticas para calcular los valores de R y C. No conozco ninguna improvisación, pero si supiera más detalles sobre las circunstancias, podría pensar en un enfoque adecuado.
Ningún televisor de tamaño razonable va a funcionar. Incluso solo 1 kJ calentará 50 gramos de silicio muy por encima de su temperatura máxima abs. Un MOV grande podría funcionar, si no le importa que tenga un ciclo de vida limitado con un desagradable modo de falla oculto.
@pericynthion Transtector sugirió como su "mejor apuesta" sin garantías de un MOV de 40 kA. Definitivamente lo estoy considerando. Esperaba que pudiera desviarse durante 200 ms, pero dijeron que está diseñado para eventos de microsegundos, por lo que no estaban seguros de lo que sucedería, pero dijeron que el dispositivo probablemente consumiría algo de energía si se autodestruía. Son $ 255, pero con gusto pagaría eso si funciona. Aunque no creo que sea suficiente. Estaba pensando en poner un par RC grande en su salida de tierra y luego en el chasis. transtector.com/…
Compraste el alternador? Intente contactar a esa empresa, tal vez ellos sepan quién puede brindarle una solución.
"Si su carga (un banco de litio) se corta repentinamente (corte de bms)", ¿significa eso que no está utilizando un circuito de carga de iones de litio adecuado? Eso ya debería haber reducido significativamente la corriente de carga a medida que las baterías se cargan casi por completo.
No, son otros riesgos los que pueden desencadenar un corte. Falla del sensor de temperatura, falla de celda individual, falla de cortocircuito de carga paralela o incluso falla de bms. Esos riesgos son bajos al principio, pero aumentan con el tiempo, y las consecuencias son tan costosas que se requiere tener un mecanismo de seguridad. He conocido a muchas personas que lo han perdido todo debido a esto.
@lalala No existe una solución. Todavía no de todos modos. Un fabricante de alternadores afirma que pueden comenzar a trabajar lentamente en uno.

Respuestas (4)

Parece perfectamente factible volcar la carga en una resistencia bobinada de 1 kW usando un mosfet.

Resistencia de ejemplo: Vishay p/n FSE100022ER500KE

Esta es una resistencia bobinada de 1 kW clasificada para una sobrecarga de 10x durante 5 segundos. Esto no tendrá problemas para manejar 100 amperios durante 200 ms siempre que no lo haga una y otra vez. El costo es de alrededor de 80 dólares estadounidenses en cantidad de una sola unidad.

MOSFET de ejemplo: Infineon p/n IPTC019N10NM5ATMA1

Este es un MOSFET de 100 V con 2 mOhm Rds (encendido). Ignorando las pérdidas de conmutación, la disipación será solo de 20 vatios (suponiendo que Id = 100 amperios) durante 200 ms. No debería ser problema. El costo es inferior a 10 dólares estadounidenses en cantidad de una sola unidad.

Esos son los componentes clave. También necesitará un comparador, tal vez un controlador de puerta para el MOSFET y una referencia de voltaje. Y, supongo, probablemente un regulador de 10 o 12 V de algún tipo para el controlador de compuerta y la referencia y el comparador. Deberá asegurarse de que el MOSFET se enganche y permanezca encendido el tiempo suficiente para descargar toda la energía. Entonces, el riel de 12 V para el comparador podría necesitar un diodo y un capacitor para sostenerlo al menos hasta que el campo colapse.

Con este nivel de potencia, deberá realizar un análisis del modo de falla (independientemente de la solución que elija). ¿Qué sucede si el mecanismo de volcado de carga falla en la posición "encendido"? ¿Quieres detectar esa falla y suprimir el funcionamiento del alternador? ¿Quemar un fusible y simplemente no tener volcado de carga? Etc. Esa es tu responsabilidad porque conoces tu sistema. No.

¡Excelente! Muchas gracias mkeith. La buena noticia es que tengo una fuente estable de 12 V de la batería de arranque del vehículo que no forma parte de este segundo circuito del alternador, por lo que es muy fácil entregar un riel fusionado de 1 A y 12 V para el comparador y el FET. Todavía tengo que conectar un comparador, pero comenzaré a aprender. Con otros dispositivos de Transtector, he buscado fallas cortas y abiertas, lo primero es más probable que dañe el alternador, y lo último vuelve al punto de partida con un pico de voltaje. Voy a hacer un poco más de investigación sobre esto en. ¿Alguna recomendación sobre un buen comparador para combinar con el FET de Infineon?
Los transistores de potencia fallan en corto. Nunca he visto una falla abierta. No quiere decir que NUNCA puede suceder. Pero no creo que sea necesario considerar ambos casos. ¿Este circuito necesita minimizar el consumo de energía? Por ejemplo, ¿está bien si usa unos pocos mA a 12 V todo el tiempo?
Miré ese NMOS y parece sugerir que solo puede manejar, digamos, 75A a 75V (donde me gustaría sujetar) durante 100 microsegundos, si es eso. ¿Estoy leyendo mal el cuadro de "áreas de operación seguras" en la hoja de datos?
Además, sí, el bajo consumo de energía es ideal, aunque por debajo de 10 mA continuos está bien. ¡Gracias de nuevo!
Una vez que el mosfet esté encendido, el voltaje a través del mosfet será de 200 mV (100 A * 0,002 ohmios). Sin embargo, será importante asegurarse de que el mosfet pase rápidamente de apagado a encendido. Porque por un breve momento en el tiempo, durante la transición, el voltaje a través del mosfet y la corriente a través de él serán sustanciales. Una vez que sepa qué tan rápido cambia, puede volver a mirar el gráfico del área de operación segura y ver si está bien. La mayor parte de la caída de voltaje será a través de la resistencia.
Excelente. ¡Gracias! Así que necesito un comparador muy rápido, entonces parece. ¿Alguna idea sobre combinar la sugerencia de DKNguyen de un circuito de palanca de tiristor, pero combinándolo con la resistencia redonda de alambre sugerida? Presumiblemente, también necesitaría un fusible que se queme después de 200 ms a 100 A. La desventaja es que la corriente no siempre será 100A. El evento podría ocurrir a 50 A, en cuyo caso el fusible no se quemaría, por lo que el tiristor seguiría conduciendo. ¿Existen comparadores ideales para estos circuitos que sean robustos, ultrarrápidos y que probablemente no se dañen al evaluar un pico de voltaje de alta energía muy rápido?
Mmm. Hay mucho en este circuito. Pero la idea es que, si es necesario, agregue capacitancia a la salida para que cuando el BMS se corte, la rampa de voltaje no sea demasiado rápida. Por ejemplo, 1 V por microsegundo probablemente sería aceptable. Digamos que el comparador cambia a 60 o 65 V más o menos, y 10 microsegundos o menos después, el MOSFET está encendido. Una vez que el mosfet está encendido, el voltaje ya no aumentará. De hecho, probablemente disminuirá.
Esta respuesta es solo un boceto. Creo que tal vez sería mejor estudiar un poco y luego hacer otra pregunta una vez que sepa más. Sin embargo, no conectaría directamente la salida del comparador a la puerta MOSFET. Usaría un controlador de puerta para asegurarme de que no se viole el área de operación segura. El controlador de puerta cambiará el MOSFET con autoridad.
@mkeith: vi una revisión de una unidad de fuente de alimentación de PC de consumo donde explotó un transistor de potencia durante una de sus pruebas. Tendría que asumir que un transistor explotado es un circuito abierto :)
Estoy de acuerdo con la explosión del transistor. ¡Eso sería presumiblemente un circuito abierto! Pero probablemente falló ANTES de que explotara. "Corto es un término relativo. Cuando fallan, la resistencia del drenaje a la fuente aún puede ser mayor que Rds (encendido), por lo que pueden sobrecalentarse espectacularmente. Pero esta cadena de comentarios se está haciendo demasiado larga.

Si bien es posible diseñar una carga de derivación para absorber tanta energía, se necesitaría una resistencia de pulso un tanto grande y costosa y un semiconductor no trivial para encenderla.

En su lugar, adoptaría el enfoque de acelerar la respuesta de descarga de carga lamentablemente lenta del regulador: utilice un amplificador operacional o un comparador para detectar una condición de sobretensión (por encima de 70 V, por ejemplo) y responda cortocircuitando el devanado de campo del alternador . Esto solo necesita un FET, BJT o SCR modesto, ya que la corriente de campo solo será de amperios de un solo dígito. Querrá agregar un disyuntor o un fusible reiniciable PTC en el suministro de campo aguas arriba a menos que ya tenga una corriente limitada. Dependiendo de la dinámica, es posible que deba hacer que el campo se enganche en cortocircuito durante unos pocos cientos de ms, incluso después de que la condición de disparo por sobrevoltaje haya desaparecido, o use la histéresis.

Esto se conoce como un esquema de protección contra sobrevoltaje de "palanca" y es común en los sistemas de energía de las aeronaves para proteger la aviónica costosa de las fallas del regulador del alternador. Aplicación ligeramente diferente aquí, pero debería funcionar igual de bien.

Si hace un cortocircuito en el campo, aumentará el tiempo que tarda el campo magnético en desaparecer. No sé cuál es la constante de tiempo del devanado de campo (L/R). Puede ser apropiado forzar la salida del alternador; a menudo hay tanta inductancia de fuga que la corriente en un cortocircuito no será mucho más que su corriente de salida total. Entonces, la energía se disiparía dentro de los devanados y laminaciones del estator.
¡Gracias! Entonces, la idea aquí es destruir el alternador pero proteger otros engranajes paralelos, ¿verdad? Tengo entendido que el regulador responde extremadamente rápido, pero la energía magnética almacenada tiene que ir a alguna parte, y el campo tarda unos 200 ms en colapsar sin importar lo que haga. Pero el alternador cuesta ~$2,000, el engranaje paralelo cuesta alrededor de $4-5k así que es mejor que nada. Prefiero encontrar una manera de desviar la energía hacia algunas tapas gigantes y/o devanados de nicromo, o tal vez incluso un inductor gigante. ¿Pensamientos?
¿Puedes dar más detalles sobre esto? Con mucho gusto pagaría por esto si supiera exactamente qué buscar. Los requisitos para mi configuración serían 58 V x 100 A x 0,2 s = 1160 julios, o tal vez 1,25 o 1,5 kJ para estar seguro. "Se necesitaría una resistencia de pulso algo grande y costosa y un semiconductor no trivial para encenderlo".
@BeachInMexico Las resistencias bobinadas son conocidas por su capacidad de pulso. Ese es el primer lugar donde miraría.
Puede ser que el alternador no se destruya: después de todo, es una gran resistencia de alambre enrollado. Estime la masa de cobre que contiene y (a partir de eso y de la capacidad calorífica específica del cobre) el aumento de temperatura por kJ. Puede formar parte de la resistencia de descarga, incluso si no puede formarla toda.
El objetivo es no destruir ni el alternador ni la carga del autobús. El disyuntor de suministro de campo se disparará, eso es todo, y se puede restablecer. Kevin: Sí, la corriente de campo no desaparecerá instantáneamente, pero la inductancia del devanado de campo suele ser de solo uno o dos mH, y la resistencia es de varios ohmios, por lo que desaparecerá en un par de ms.
1500J no es tanta energía. Calentará 100 g de cobre a ~40 °C, que está dentro del alcance de lo que puede soportar el aislamiento del devanado, incluso si está a 80 °C antes del incidente.
De acuerdo: no es mucho para una bobina de cable, pero sería mucho para la mayoría de los semiconductores o resistencias de película.

Tres soluciones alternativas:

  1. Es perfectamente seguro acortar la salida de un alternador en lugar de descargar su exceso de energía en alguna parte. La mayoría de los alternadores de imanes permanentes incluso están regulados por un cortocircuito PWM. Aquí, solo necesita acortarlo durante estos 200 ms hasta que el campo se disipe.

Opción: puede cortocircuitar todos los devanados del alternador aguas arriba del rectificador al riel negativo, puede ser más simple con respecto a la selección del transistor.

  1. Si no tiene otras fuentes de energía (como solar, eólica, etc.), puede obtener mejores resultados haciendo que BMS desconecte el campo del alternador.

  2. Puede hacer un circuito de retorno del campo del alternador que sea capaz de disipar rápidamente la energía del campo. Es 1/20 o incluso 1/100 de la salida del alternador y la tarea es proporcionalmente más fácil.

¡Gracias Fraxino! Con respecto a 1) ¿eso no dañará el alternador? Con respecto a 2) tengo otra fuente de alimentación estable de 12 V (batería de arranque del vehículo, este segundo alternador es totalmente independiente), pero el BMS no es capaz de comunicarse. Créame, estoy trabajando para que el fabricante agregue una advertencia de 2 segundos, y la próxima vez pagaré la nariz y solo obtendré un BMS habilitado para CAN que pueda enviar una señal al regulador para apagar el alternador. Pero por el momento... Y 3) ¿Puedes hacer un esquema de eso para que tenga una idea de cómo se vería? ¡Muchas gracias!
Con respecto a 1: No, ya escribí que es seguro. La corriente no será mucho más alta que la corriente de trabajo nominal. Con respecto a 2: se reduce a desconectar todas las fuentes de carga. Los circuitos de 12V no son interesantes en este sentido. 3: Intentaré agregar una imagen más tarde.

Creo que un circuito de palanca tiristor / SCR en un disipador térmico podría sobrevivir durante 200 ms.

Excepto que en lugar de usar una palanca corta, una palanca en una resistencia. Si está realmente preocupado, puede usar resistencias sumergidas en agua (como elementos de calefacción del tanque de agua caliente). Usamos algo como esto en mi trabajo para cargas continuas de 4kW. Nuestra configuración es de 4kW y consta de dos baldes de 10 galones y cuatro elementos de calentamiento de agua caliente de 1500W. Dado que el suyo es un pulso, probablemente podría simplemente meter todos los elementos de calefacción en un solo cubo. Para ser honesto, ni siquiera creo que necesites el agua, pero es una red de seguridad durante las pruebas. También funciona como carga de prueba ficticia. Puede hacer un balde que extraiga la misma corriente que su batería cuando se carga y luego empujar hacia el otro balde.

Este es un circuito de palanca tradicional, excepto que se ha agregado una resistencia de descarga. A menudo no tienen esto y son solo cortos. Sujeta el circuito a casi cero, lo que provoca una sobrecorriente que quema el fusible.

La resistencia de descarga es en caso de que el tiristor no pueda sobrevivir a la sobretensión disipando la energía dentro de sí mismo. A diferencia de los MOV y los TVS, que deben hacerlo y están mucho más estresados.

Es posible que no necesite una resistencia de descarga en absoluto si el tiristor puede manejar la sobretensión hasta que el fusible se funde y las palancas a menudo no usan una. El voltaje de la abrazadera será mucho más bajo de esa manera.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Incluso si el tiristor no puede manejarlo, siempre que sea lo suficientemente grande como para que no falle al explotar y dejar un circuito abierto, fallará en corto, que es lo que desea de todos modos.

Entonces, básicamente, desea que el voltaje se mantenga en 58 V o menos cuando la palanca se trabe. Caerán un par de voltios a través del tiristor, lo que deja 56 V a 100 A. Lo que significa que necesita 0,56 ohmios o menos.

Por ejemplo, los tiristores grandes como el VS-T90RIA10 vienen en paquetes que aceptan cableado de terminal de tornillo y se atornillan directamente al disipador de calor. Cuestan entre $ 50 y $ 200 dependiendo de la parte. La parte mencionada aquí cuesta alrededor de $50.

https://www.mouser.ca/ProductDetail/Vishay-Semiconductors/VS-T90RIA10?qs=u%252Bh7cTrMUz%2FI0KVPJO4JIg%3D%3D

Y en la hoja de datos indica que puede manejar una sobretensión de onda semisinusoidal no repetitiva de más de 600 A durante 200 ms.ingrese la descripción de la imagen aquí

No creo que deba costar más de $ 200 USD: tiristor, algunos elementos de agua caliente, algunos cubos y un bloque de aluminio para actuar como disipador del tiristor. No tiene sentido un disipador de calor real con aletas, ya que el pulso no dura lo suficiente para enfriar el aire. Solo necesita capacidad térmica para que el calor del tiristor tenga un lugar al que ir que no sea el tiristor.

Excelente DKNguyen! ¡Gracias! Entre tú y mkeith, de repente tengo que buscar soluciones viables para empezar a estudiar. Realmente lo aprecio.
Por cierto, los tiristores/SCR de @BeachInMexico son mucho más resistentes que los MOSFET. Pero se enganchan. Para apagar algo más, debe interrumpir la corriente como un czero-cross de CA o algún otro dispositivo.
Al engancharse, quiere decir que el circuito permanecería cerrado una vez activado, ¿verdad? Eso aún podría funcionar ya que creo que el regulador apagaría la carga, y si puedo construir un mecanismo de alerta en el sistema, podría apagar el banco de baterías para que no se active y señale al regulador que reanude la corriente de campo. Me gustaría saber si un evento como este sucedió de todos modos, y planearía dejar de usar el alternador de inmediato hasta que descubra la causa y cómo prevenirlo. ¿Tendría que reemplazar el tiristor si se enganchó, disipó la energía y luego no se pudo restablecer?
@BeachInMexico Sí. Un tiristor no puede apagar la corriente por sus propios medios una vez que ya está fluyendo a través de sí mismo. Necesitas algo más para hacerlo. Sin reemplazo. Justo como funciona. No es un fusible inverso. Los circuitos de palanca a menudo tienen un fusible en serie de salida, por lo que las sobrecorrientes cortas a través del fusible mientras sujetan el voltaje de carga, luego el fusible se funde, deja la fuente abierta.
Está bien, es bueno saberlo. Hay alguna posibilidad de que puedas desbastar un esquema. Tengo algunas de las piezas, pero no puedo verlas todas juntas. ¡Realmente aprecio tu ayuda!
Cómo derivar 1500 julios cuando el voltaje supera los 75 VCC
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