Mejora de la eficiencia energética en contactores y relés para aplicaciones móviles

Los contactores y relés son interruptores electromagnéticos esenciales para la gestión del flujo eléctrico en aplicaciones móviles. Su función principal es controlar altas corrientes y tensiones, garantizando al mismo tiempo la seguridad y la eficiencia operativas.

Para los fabricantes de equipos originales (OEM) que desarrollan componentes de vehículos industriales, estos interruptores juegan un papel fundamental en el funcionamiento del vehículo, permitiendo la conexión y desconexión de la batería tanto en condiciones normales como en condiciones de falla.

Sin embargo, un desafío clave en el uso de contactores y relés es su consumo de energía. Las grandes bobinas necesarias para manejar estos dispositivos de alta corriente pueden consumir energía continuamente, agotando la batería y reduciendo la autonomía del vehículo. Abordar este problema es esencial para mejorar el rendimiento.

Innovaciones en eficiencia energética

Afortunadamente, la industria ha desarrollado tecnologías avanzadas de economización que reducen significativamente el consumo de energía de contactores y relés, manteniendo al mismo tiempo la confiabilidad. Destacan algunas innovaciones clave.

Una barredora eléctrica que utiliza el relé Durakool DG86M. (Foto: Durakool)

Una de ellas es la tecnología de modulación por ancho de pulso (PWM). Al modular el ancho de pulso eléctrico, la PWM reduce el consumo de energía de la bobina en aproximadamente un 50 %. Esto permite que el contactor permanezca conectado con un menor consumo de energía, lo que prolonga la vida útil de la batería y mejora la eficiencia del vehículo.

También existe el economizador de doble bobina, que emplea una bobina de alta potencia para la activación inicial y una de baja potencia para el funcionamiento continuo. Al reducir el consumo de energía durante el uso prolongado, se mejora la eficiencia energética. Los diseños de doble bobina también ofrecen un menor costo y menos puntos de falla gracias al menor número de componentes en la placa de circuito impreso (PCB).

De los dos, el PWM ofrece mayor eficiencia que el diseño de doble bobina y proporciona un control más preciso del consumo de energía, a pesar de utilizar un circuito electrónico más complejo. Sin embargo, la pulsación puede generar interferencias electromagnéticas (EMI), lo que requeriría un blindaje adicional para evitar afectar a los circuitos electrónicos externos. El economizador de doble bobina, en cambio, no genera EMI, lo que lo hace más fiable.

Un tercer enfoque para economizar la bobina consiste en reducir la tensión una vez que los contactos se acoplan. Si bien es eficaz, este método requiere un circuito externo. Además, existe el riesgo de subenergizar la bobina, lo que podría causar problemas de fiabilidad.

En cualquier caso, al seleccionar la tecnología apropiada para la aplicación, los OEM deben evaluar cuidadosamente estas ventajas y desventajas.

Tecnología de bobina sensible

Otro avance en este campo es la tecnología de bobinas sensibles. Este enfoque reduce el consumo de energía al incorporar bobinas de alta resistencia que requieren una corriente considerablemente menor para funcionar. Esto la hace especialmente adecuada para aplicaciones de vehículos eléctricos (VE), donde ayuda a reducir los costos operativos, prolongar la vida útil de la batería y reducir el impacto ambiental general al minimizar la energía requerida para las funciones de conmutación. Sin embargo, la desventaja es que el diseño puede resultar en una presión de contacto ligeramente menor, lo que reducirá la capacidad de transportar corriente.

Independientemente de la tecnología que elijan los fabricantes de equipos originales (OEM), deben tener cuidado de garantizar una cantidad mínima de tiempo para activar completamente los contactos, normalmente entre 100 y 200 ms.

Avances en el material de contacto

Otro factor crucial para mejorar la eficiencia es la selección del material adecuado para los remaches de contacto. La resistencia eléctrica de estos materiales afecta directamente el consumo de energía, la generación de calor y la durabilidad del componente.

El contactor Durakool DLVC300 se utiliza en algunas grúas de aeropuertos. (Foto: Durakool)

Existe una gama de materiales avanzados que pueden optimizar el rendimiento en diferentes aplicaciones. El níquel-plata (AgNi), por ejemplo, ofrece baja resistencia y minimiza la pérdida de energía en relés que permanecen cerrados y transportan alta corriente durante periodos prolongados. En comparación, el óxido de plata y estaño (AgSnO₂) proporciona alta resistencia a la soldadura al conmutar bajo carga, al reducir la acumulación de calor y el desperdicio de energía.

Otra variante de plata es el óxido de plata, estaño e indio (AgSnOInO), un material especializado también diseñado para resistir la soldadura, lo que lo hace ideal para aplicaciones de conmutación frecuente en motores eléctricos. El AgSnOInO mejora la fiabilidad a largo plazo del sistema en aplicaciones móviles al reducir significativamente la degradación de los contactos.

Dos opciones de cobre incluyen cobre libre de oxígeno (Cu. C10200) y aleación de cobre y plata (T2+Ag). El Cu. C10200 ofrece menor resistencia de contacto y un rendimiento superior al transportar alta corriente durante largos periodos. El T2+Ag es un material más duro que destaca en la conmutación bajo carga, ofreciendo diferentes características de rendimiento para aplicaciones específicas.

Desafíos de la adopción

Antes de que los fabricantes de equipos originales puedan adoptar e integrar dichas mejoras en sus diseños, deben abordar algunos desafíos clave.

Un obstáculo es la gestión térmica. Dado que las aplicaciones de alta corriente generan un calor considerable, es necesario contar con soluciones de refrigeración eficaces para mantener el rendimiento y evitar fallos prematuros.

Además, el rápido crecimiento de la producción de vehículos eléctricos ha generado restricciones en la cadena de suministro. Estas pueden afectar la disponibilidad de componentes por parte de los fabricantes, lo que podría generar cuellos de botella en los plazos de producción.

Finalmente, existe una complejidad de integración debido a la falta de diseños de relés estandarizados, lo que puede generar problemas de compatibilidad. Por ejemplo, los diferentes fabricantes pueden tener variaciones en la configuración de pines, la disposición de montaje o la asignación de terminales. Los fabricantes de equipos originales (OEM) deben considerar esta complejidad durante la fase de diseño para garantizar una integración fluida.

Aplicaciones en el mundo real

Carlos Mendes es gerente de producto de conmutación en Durakool, (Foto: Durakool)

El impacto de estas tecnologías mejoradas de eficiencia energética es más evidente en los componentes de vehículos de nueva generación que requieren eficiencia, durabilidad y fiabilidad. Por ejemplo, estas tecnologías ya se han implementado con éxito en autobuses eléctricos, vehículos postales, tractores de remolque y equipos de construcción, como retroexcavadoras y manipuladores telescópicos.

A medida que la industria avanza, podemos esperar ver otras innovaciones. Estas incluyen una mayor miniaturización de los componentes sin sacrificar la capacidad de alta corriente, soluciones mejoradas de gestión térmica para mejorar la fiabilidad en entornos exigentes y una mayor estandarización para simplificar los desafíos de integración. Además, el uso de materiales más sostenibles reducirá el impacto ambiental y permitirá el reciclaje de los componentes.

La industria superará los desafíos de la eficiencia energética a través de la innovación continua y la ingeniería estratégica mientras avanza hacia un futuro más sostenible y electrificado.