Nella teoria, un circuito di alimentazione funziona egregiamente, secondo la linea di progetto e normalmente non avvengono anomalie di alcun genere. Ma nei fatti pratici e concreti, i progettisti devono fare i conti con diversi fattori che modificano la normale erogazione di energia e costituiscono, a tutti gli efetti, importanti problematiche da risolvere. Il “Pre-Charging” negli alimentatori ad alta tensione è una modalità di funzionamento preliminare che limita la corrente di spunto durante la procedura di accensione del dispositivo. Vediamo di cosa si tratta.
Carica capacitiva
Quando si collega una batteria a un carico con ingresso capacitivo, si verifica un picco di corrente di spunto nei primi istanti. La corrente di ingresso dipende dal valore della capacità. Un sistema funzionante ad alta tensione e con un grande carico capacitivo può essere soggetto a una corrente elettrica elevata durante l’accensione e l’avviamento. Se essa non viene eliminata o, quantomeno, limitata, potrebbe causare importanti conseguenze negative o, addirittura, danni ai componenti del sistema. Per alcune applicazioni, la riaccensione dell’intero circuito è un evento alquanto raro come, ad esempio, per la distribuzione di energia elettrica a livello industriale. In altri sistemi più ridotti e limitati, come le applicazioni sui veicoli, il “Pre-Charging” avviene a ogni utilizzo del sistema e più volte al giorno. Tale modalità di protezione è implementata, dunque, per aumentare la durata dei componenti elettronici e incrementare l’affidabilità del sistema ad alta tensione, nonché la sua sicurezza. Nel momento iniziale di un transitorio, le correnti di spunto nei condensatori costituiscono un grande problema. Esse sono estremamente alte poiché tali componenti, nell’istante T=0 risultano, a tutti gli effetti, come un cortocircuito. Quando l’alimentazione viene applicata a un carico capacitivo, la tensione farà caricare il condensatore. La sua carica inizia con un’alta corrente di spunto e termina con una diminuzione esponenziale, fino al raggiungimento dello stazionario, secondo le regole delle costanti di tempo. Se il picco di corrente allo spunto supera il “maximum absolute rating” dei componenti del circuito, si verificano degli stress e si può arrivare, facilmente, alla loro distruzione. Il valore capacitivo del carico influisce, in maniera determinante, sull’ammontare di tale pericolosa soglia. Occorre, dunque ridurre al minimo lo stress sui componenti limitando, innanzitutto, tale corrente allo spunto adottando un sistema di “Pre-Charging”. Tale operazione non è immediata e potrebbe durare anche alcuni secondi. Oggi i condensatori sono caratterizzati da una elevata qualità e la loro ESR è estremamente bassa. Tale fattore contribuisce ad aumentare a dismisura la pericolosa corrente di picco iniziale. Si osservi il semplice schema applicativo di principio di cui alla figura 1. Si tratta di un generatore di energia V1 (una batteria) e di un carico capacitivo (C1) collegato ad esso in parallelo. Questi sono i dati statici di funzionamento del circuito:
- tensione di V1: 96 VCC;
- resistenza interna della batteria V1: 0.2 Ohm;
- carico capacitivo C1: 100 uF;
- ESR del condensatore: 0.05 Ohm.
Il sistema è caratterizzato, dunque, da una resistenza di linea equivalente di:
R = 0.2+0.05 = 0.25 Ohm
con una corrente iniziale di spunto pari a:
I = V/R = 96/0.25 = 384 Ampere
come si può anche evincere dallo stesso grafico. Il transitorio è brevissimo e si esaurisce in circa 100 microsecondi. Ma in tale frangente di tempo la grande mole di corrente (ben 384 Ampere di picco e una potenza di picco di 11520 Watt) potrebbe provocare seri danni al circuito.
Come avviene il “Pre-Charging”
Si è visto, dunque, che lo scopo del sistema di “Pre-Charging” deve essere quello di ridurre al minimo la corrente di picco in uscita. Ovviamente i carichi induttivi sul sistema devono essere disattivati durante tale modalità e la tensione aumenterà lentamente in modo che la corrente di accensione non superi mai quella massima consentita. Per tali motivi tale stadio si trova nella parte iniziale del sistema, come si può osservare nello schema generico a blocchi di figura 2. Quando la tensione di alimentazione è prossima quella dello stato stazionario, la funzione di protezione può considerarsi conclusa. Il sistema, dunque, viene posto in funzionamento normale. L’accensione del sistema avviene in modo graduale e morbida e ciò consente di conferire una vita operativa più lunga ai componenti elettronici. Vengono scongiurati anche gli eventuali archi elettrici che potrebbero instaurarsi tra le parti metalliche vicine e sono eliminate anche eventuali interruzioni dei differenziali per troppo assorbimento alla linea elettrica.
Il “Pre-Charging” nel settore automobilistico
I veicoli elettrici a batterie utilizzano massivamente tale sistema di protezione. La presenza di grandi condensatori aumenta l’eventualità di importanti assorbimenti di corrente all’avvio. Tali metodi utilizzano relè ad alta corrente per disabilitare il sistema durante i periodi di inattività. Pertanto un circuito di questa tipologia è composto al minimo da:
- una resistenza di potenza per limitare la corrente di spunto;
- un contattore (in pratica un relè ad alta potenza) che bypassa il resistore durante il normale funzionamento;
- opzionalmente un relè di precarica per evitare che il carico venga alimentato tramite la resistenza e un contattore per isolare il carico quando il sistema è spento.
I relè per il “Pre-Charging” sono dispositivi elettromeccanici espressamente progettati per commutare carichi ad alta tensione e alta corrente. Questi relè posseggono la stessa funzionalità di quelli tradizionali ma possono essere utilizzati in applicazioni ad alta tensione e supportano la connessione e la disconnessione della batteria. Per queste operazioni critiche tutti i componenti devono essere conformi ai severi requisiti richiesti nel settore. Il loro utilizzo è, dunque, estremamente prezioso nei veicoli ibridi ed elettrici a batteria. Anche in condizioni di guasti o di incidenti tali componenti scollegano il circuito dalla batteria, in modo affidabile e sicuro. Un modello di relè molto interessante, commercializzato da SPECIAL-IND e prodotto dalla Song Chuan è il modello 301 da ben 35 A. Come si può osservare in figura 3, si tratta di un dispositivo estremamente robusto e potente, in grado di sopportare grandi correnti in qualsiasi condizione operativa. Le sue caratteristiche principali sono le seguenti:
- impronta ISO 280;
- alta corrente fino a 35 A a 125° C;
- dotato opzionalmente di diodo o resistore.
Altrettanto importanti risultano i relè della serie MV023, sempre da SPECIAL-IND, disponibili in diversi modelli differenziati per potenze e correnti (vedi in figura 4).
Alcune soluzioni e schemi generali
La figura 5 mostra il concetto di base di un circuito di “Pre-Charging”, il cui requisito principale è quello di ridurre al minimo la corrente di picco dell’alimentazione, rallentando il fattore dV/dT della tensione e precaricando, in maniera morbida attraverso il resistore di potenza, il condensatore.
Durante la precarica, che può anche durare diversi secondi, la tensione del sistema aumenterà lentamente e in modo controllato fino a quando essa sarà pari al 90% o al 95% di quella di esercizio. Al termine della precarica, la resistenza di limitazione viene scollegata dal circuito di alimentazione e la batteria ritorna a essere una fonte di alimentazione a bassa impedenza per la modalità normale. I carichi ad alta tensione, poi, vengono alimentati in sequenza. Uno dei sistemi per limitare la corrente di spunto è quello di utilizzare un resistore NTC. A freddo, la sua elevata resistenza consente il passaggio di una piccola corrente ma dopo il suo riscaldamento, la sua bassa resistenza aumenta la corrente di lavoro.
Conclusioni
Un adeguato “Pre-Charging” è indispensabile nei più importanti dispositivi di potenza. Una grande corrente di spunto può causare danni ai condensatori di filtro, guasti nei contatti, bruciature dei fusibili principali e problemi alle batterie. In sostanza, un circuito di questo tipo aggiunge una resistenza in serie al condensatore del bus, aumentando la costante di tempo del circuito RC e permettendo la lenta ricarica della capacità, riducendo drasticamente la corrente di picco. Alla fine del processo, la resistenza in serie viene scollegata dal circuito.
