Arquitectura eléctrica de vehículos militares: 28 VDC, MIL-STD-1275 y distribución de energía

La arquitectura eléctrica de un vehículo militar es el diseño de sistema que define cómo la energía de las baterías, del alternador y de cualquier fuente auxiliar atraviesa las capas de protección, las barras colectoras y los fusibles hasta llegar a las cargas de misión con los niveles de tensión correctos. En su centro se encuentran el sistema de alimentación vehicular de 28 VDC y MIL-STD-1275, la norma que caracteriza ese bus. La unidad que reúne la energía en un punto y la distribuye con protección es la unidad de distribución de energía militar, o PDU vehicular.

En un camión civil, el cableado da servicio a las luces, al motor de arranque y a unos pocos accesorios. En un vehículo blindado o táctico de ruedas alimenta decenas de cargas, desde la computadora de misión, las comunicaciones y las cámaras de visión perimetral hasta la electrónica de la torreta, un lanzagranadas de humo y una unidad de advertencia, tanto con el motor en marcha como con el motor apagado. Este artículo explica, capa por capa, cómo deben leer esa arquitectura un ingeniero de sistemas y un especialista en adquisiciones. El alcance se limita a los vehículos terrestres.

El nivel de tensión dominante en los vehículos terrestres militares es 28 VDC. La razón práctica es la relación entre batería y alternador: dos grupos de baterías de 12 V en serie dan 24 V nominales y, mientras el alternador los carga, el bus se sitúa normalmente en torno a 28 V. Por ello, "vehículo de 24 V" y "sistema de 28 VDC" describen la misma arquitectura: el primero es la tensión de la batería; el segundo, la del bus en funcionamiento.

Las demás razones de este nivel —su amplia difusión en la NATO, el ecosistema de equipos y la seguridad de baja tensión— se enumeran en nuestra guía de APU militares y vigilancia silenciosa (silent watch). Lo que importa desde el punto de vista de la arquitectura es que todos los equipos del bus se diseñan según la misma definición de tensión, y esa definición es MIL-STD-1275.

MIL-STD-1275 caracteriza el sistema eléctrico de 28 VDC de los vehículos terrestres militares en los terminales de entrada de alimentación de los equipos. Actúa en dos sentidos: indica al diseñador del vehículo dentro de qué límites debe mantenerse el bus, y al diseñador del equipo qué perturbaciones debe soportar el equipo. La revisión vigente es MIL-STD-1275E; las especificaciones de plataforma más antiguas todavía citan la 1275D, y los límites de ambas no son idénticos. Los valores deben leerse siempre en la revisión que cita el proyecto.

Régimen permanente y rizado

La norma define los límites de tensión en régimen permanente del bus nominal de 28 VDC junto con el rizado superpuesto a él. El equipo debe ofrecer las prestaciones especificadas en todo el rango, y no solo exactamente a 28.0 V.

Sobretensiones y picos

La desconexión brusca de una carga grande del alternador produce una sobretensión en el bus. La norma define las sobretensiones por amplitud y duración; por ejemplo, los pulsos de hasta 100 V con una duración del orden de 50 ms son un criterio de dimensionamiento para una etapa de entrada. Los picos muy breves producidos por la conmutación de cargas inductivas, como relés, contactores y motores, constituyen una clase aparte. Ambos determinan la elección del filtro de entrada y de los componentes de supresión de transitorios.

Caídas de tensión durante el arranque del motor

Mientras funciona el motor de arranque, la tensión del bus cae de forma apreciable durante un breve periodo. La norma también define esta caída; la especificación de la plataforma decide si el equipo sigue funcionando, se apaga de forma controlada o se reinicia. En cargas como la computadora de misión, ese periodo suele cubrirse con energía de respaldo.

Polaridad inversa

Conectar la batería al revés durante una sustitución o un arranque con cables auxiliares es un modo de fallo que la arquitectura debe tratar por separado. Las revisiones vigentes de la norma incluyen la polaridad inversa entre las condiciones que deben soportar los equipos conectados. La física, los métodos de protección y los criterios de selección se tratan en nuestra guía sobre polaridad inversa.

Qué implica la norma para el diseño de los equipos

Para cualquier producto de potencia instalado en un vehículo terrestre, MIL-STD-1275 es tan determinante como MIL-STD-461 (EMI/EMC) y MIL-STD-810 (ambiental). Las tres se leen en conjunto: la 1275 describe el comportamiento eléctrico del bus; la 461, el ruido que el producto puede emitir hacia el bus y el que debe tolerar procedente de él; y la 810, las condiciones ambientales como vibración, temperatura y agua. Esa relación se examina en nuestra guía de MIL-STD-461 y MIL-STD-810.

La forma más sencilla de leer la arquitectura eléctrica de un vehículo es separar las capas que atraviesa la energía desde la fuente hasta la carga:

Las capas no se sustituyen entre sí. La protección contra inversión de polaridad en la entrada de cada dispositivo no hace redundante la unidad de protección en la línea de batería: la protección a nivel de dispositivo solo protege a ese dispositivo, mientras que el alternador y el cableado dependen de la capa de la línea de batería.

La mayoría de los vehículos tácticos llevan dos grupos de baterías: uno para el arranque y los sistemas básicos del vehículo, y otro para las cargas de misión. El alternador carga ambos y alimenta el bus mientras el motor principal está en marcha; con el vehículo estacionado, un cargador de baterías alimentado desde el exterior mantiene las baterías a plena carga. Reunir estas tres fuentes en un único punto de distribución es la decisión que más simplifica la arquitectura.

Hay dos opciones para alimentar las cargas de misión con el motor apagado. La primera es una unidad de potencia auxiliar (APU) independiente; consulte la guía de APU para los escenarios de vigilancia silenciosa (silent watch) y la selección de la clase de potencia. La segunda es una unidad de almacenamiento de energía para respaldo de corta duración. Según su hoja de datos, la unidad de batería auxiliar PowerGuard EBB de TEDEG utiliza un supercondensador de 3600 F, funciona con 16–32 VDC, suministra energía durante 3 horas después de apagar el encendido e informa por CAN-Bus. Supercondensador frente a batería será objeto de un artículo aparte en esta serie.

Entre la capa de fuente y el bus se sitúan tres funciones de protección:

• Protección contra inversión de polaridad: cortar la línea cuando la batería está invertida y sacar el alternador del circuito de forma controlada.
• Seccionador de baterías: desconectar las baterías durante el mantenimiento y los periodos largos de inactividad.
• Parada de emergencia: cortar toda la distribución con una sola acción en caso de incendio, cortocircuito o mantenimiento.

Para la polaridad inversa, la hoja de datos de la unidad de polaridad inversa PowerGuard TPB-01 de TEDEG indica: funcionamiento a 12 V / 24 V DC, capacidad de corriente de hasta 500 A, tecnología de diodo interno que corta el circuito en milisegundos ante una polaridad inversa y un control temporizado que desconecta el alternador 8 segundos después de que cae la señal de excitación. La envolvente tiene grado IP67 y está diseñada para −40 °C … +120 °C, un rango que importa cuando la unidad se instala en un lugar caliente como el compartimento del motor o la caja de baterías.

El seccionador de baterías y la parada de emergencia suelen estar integrados en la unidad de distribución. En la TDG-EDP-D0X que se describe más abajo, ambos están en el panel; al pulsar la parada de emergencia se desconectan la entrada y el contactor de carga.

La capa de distribución es el centro físico de la arquitectura, donde se responden tres preguntas de diseño:

1. 1.¿Cuántas fuentes, y en una sola barra colectora? Cablear por separado la batería 1, la batería 2, el alternador y el cargador obliga a dar a cada uno su propia protección y su propio recorrido de cable. Una barra colectora (+) y una (−) reducen el mazo de cables y concentran la lógica de protección en un único punto.
2. 2.¿Cómo se protegen las salidas? Cada línea de salida debe tener su propio fusible, seleccionado según la corriente de la carga, de modo que un cortocircuito deje fuera de servicio solo esa línea mientras la computadora de misión, las comunicaciones y las cámaras siguen funcionando.
3. 3.¿Cuándo se conectan las fuentes? Los contactores que actúan según umbrales de tensión protegen las baterías frente a la descarga profunda y conectan las cargas solo dentro de una ventana de tensión segura.

La unidad de distribución de energía DC para vehículos militares TDG-EDP-D0X de TEDEG las responde con estos valores de su hoja de datos:

• Entradas: 4; Batería 1, Batería 2, el alternador y el cargador de baterías.
• Barra colectora: (+) y (−), 400 A.
• Fusibles de salida: tipo MIDI; 30, 60 y 100 A @28 VDC. Dentro de la unidad se guardan tres fusibles MIDI de repuesto de cada uno de los calibres de 30, 60, 100 y 200 A.
• Lógica de contactores: El contactor de entrada se cierra por encima de 21.5 VDC y se abre por debajo de 21 VDC, desconectando las baterías y el contactor de carga. La unidad de control se activa cuando la batería del vehículo supera 11.5 VDC o 21 VDC. Sus tensiones de activación son fijas; todos los demás umbrales son ajustables, y un interruptor de bypass situado dentro del panel puede anularlos.
• Envolvente y entorno: aluminio de la serie 5000, estanca según el ensayo de lluvia MIL-STD-810G Método 506.5 Procedimiento I (30 minutos), prensaestopas PG IP67 y junta EMI en la tapa. Dos ventiladores axiales controlados por termostato; temperatura de funcionamiento −32 °C … +52 °C; peso 14 ± 2 kg.

Los umbrales ajustables permiten adaptar la misma unidad a distintas químicas de batería y arquitecturas de vehículo, y los fusibles de repuesto alojados en la unidad simplifican el mantenimiento en campo. La sección de la barra colectora, las curvas de los fusibles y el dimensionamiento de los cables se tratarán en un artículo aparte sobre barras colectoras DC dentro de esta serie.

Las diferencias entre las PDU para montaje en rack, los paneles de exterior y las unidades de distribución DC para vehículos, así como la transferencia automática de fuente (ATS), se explican en nuestra guía de PDU militares; todos los productos de distribución figuran en Unidades de distribución de energía (PDU).

Un vehículo tiene más de un nivel de tensión: algunas fuentes entregan 12 VDC, algunas cargas requieren 24 VDC regulados y las cámaras funcionan a 12 VDC. La capa de conversión adapta estos niveles y aísla las cargas críticas de los transitorios del bus. Tres ejemplos:

• 12 → 28 VDC dentro de la unidad de distribución: El convertidor integrado de la TDG-EDP-D0X transforma la energía entrante de 12 VDC en 28 VDC para el bus; tiene una potencia nominal de 500 W, arranca por encima de 12.5 VDC y se detiene por debajo de 12 VDC.
• Convertidor DC-DC independiente: El convertidor DC-DC mil-spec PowerGuard-D1000 produce una salida regulada de 24 VDC / 1 kW continuos a partir de una entrada nominal de 12 VDC (10–18 VDC), con protección contra inversión de polaridad y un fusible rápido de 100 A reemplazable por el usuario en su entrada.
• Subdistribución aislada: Alimentar de forma individual desde la barra colectora muchas cargas pequeñas, como un paquete de visión, hace crecer el mazo de cables. El Módulo militar de distribución de energía para cámaras SENTRA KBM recibe una entrada de 28 VDC conforme a MIL-STD-1275E y proporciona al menos 11 salidas aisladas de 12 VDC para cámaras, 24 VDC ±0.2 V con un mínimo de 200 W para la computadora de misión y una salida aislada de 24 VDC de al menos 25 W para la pantalla. La entrada cuenta con protección contra inversión de polaridad y aislamiento galvánico; en el lado EMI/EMC se especifican los ensayos MIL-STD-461G CE102, CS101/114/115/116, RE102 y RS103.

El valor arquitectónico del aislamiento galvánico: una salida aislada no transmite directamente a la carga las sobretensiones y los picos del bus, y un cortocircuito en una cámara no deja sin alimentación a las demás. Otros productos de electrónica vehicular figuran en Vetrónica (electrónica vehicular).

La última capa son las cargas, y el trabajo aquí consiste en un balance de potencia construido en tres columnas:

El balance debe incluir prioridades además de totales: a medida que cae la tensión de la batería, ¿qué cargas se desconectan primero y cuáles permanecen alimentadas hasta el final? Esa priorización llega al hardware a través de los umbrales de los contactores y de la agrupación de las salidas.

En una arquitectura moderna, el estado del bus se mide y se registra. En el lado DC del vehículo, esto empieza por los umbrales de los contactores y el estado de las fuentes. Las plataformas alimentadas por un generador o que llevan cargas AC (puestos de mando móviles, vehículos radar, refugios tipo shelter) también necesitan supervisión de la tensión de fase. Según su hoja de datos, la unidad de medición de tensión PowerGuard de TEDEG mide hasta 21 fases (7 grupos × 3 fases) en una sola placa, en un rango de 0–300 VAC y con una precisión de ±1% a 50 / 60 Hz; se alimenta a 220 VAC y envía las lecturas en tiempo real por Ethernet (RJ45); su temperatura de funcionamiento es de −32 °C … +55 °C. Estas unidades figuran en Gestión y protección de energía.

1. 1.Entradas: ¿Cuántas fuentes acepta la unidad? ¿Las baterías, el alternador y el cargador están en entradas separadas?
2. 2.Corriente de la barra colectora: ¿La barra colectora soporta la corriente de pico y la de arranque, además de la carga continua?
3. 3.Protección de las salidas: ¿Cada salida tiene su propio fusible? ¿El tipo de fusible es sustituible en campo? ¿Se guardan repuestos en la unidad?
4. 4.Lógica de contactores: ¿Los umbrales de los contactores de entrada y de carga están especificados y son ajustables? ¿Existe un bypass?
5. 5.Parada de emergencia y seccionador de baterías: ¿Ambos están en el panel? ¿Qué contactores abre la parada de emergencia?
6. 6.Conversión: ¿Se necesita dentro de la unidad un convertidor como el de 12 → 28 VDC, y su potencia nominal es suficiente?
7. 7.Robustez ambiental: ¿El lugar de montaje está expuesto a la lluvia? ¿Según qué norma y qué método se define la estanqueidad? ¿El rango de temperatura es adecuado para ese lugar?
8. 8.Referencias normativas: ¿La hoja de datos indica la revisión y el método para MIL-STD-1275, MIL-STD-461 y MIL-STD-810, o solo dice "conforme"?

La última pregunta es la más importante. "Diseñado para cumplir" y "ensayado" no son lo mismo; cuál se exige y cuál se ofrece debe quedar acordado en la fase de cotización. La guía de MIL-STD explica cómo verificarlo.

TEDEG Defence es un fabricante de defensa con sede en Ankara que diseña y fabrica productos para las capas de distribución, protección, conversión y supervisión de la arquitectura de 28 VDC de los vehículos terrestres militares.

Productos de arquitectura vehicular citados en este artículo:

• Distribución: unidad de distribución de energía DC TDG-EDP-D0X; 4 entradas, barra colectora de 400 A, salidas con fusibles MIDI, convertidor de 12 → 28 VDC y 500 W.
• Protección: unidad de polaridad inversa PowerGuard TPB-01; 12 / 24 V DC, hasta 500 A, IP67, desconexión del alternador a los 8 segundos.
• Conversión y distribución aislada: módulo de distribución de energía para cámaras SENTRA KBM; entrada de 28 VDC conforme a MIL-STD-1275E, al menos 11 salidas aisladas de 12 VDC para cámaras.
• Supervisión: unidad de medición de tensión PowerGuard; hasta 21 fases, 0–300 VAC, Ethernet.

Consulte Certificaciones y calidad para la documentación y el catálogo de productos para la gama completa.

¿Cuál es la diferencia entre MIL-STD-1275E y MIL-STD-1275D?

Ambas caracterizan el bus de 28 VDC de los vehículos terrestres militares; la revisión E es la vigente, y algunos de sus límites de transitorios y definiciones difieren de los de la D. El equipo debe evaluarse según la revisión que cita la especificación del proyecto, nunca según la otra.

¿Cuál es la diferencia entre una unidad de distribución de energía DC para vehículos y una PDU para montaje en rack?

Una unidad de distribución DC para vehículos reúne las baterías y el alternador en una barra colectora de alta corriente y divide las cargas de 28 VDC en líneas con fusible. Una PDU para montaje en rack acepta fuentes AC, como 220 VAC en un refugio (shelter) o una cabina, y suele añadir transferencia automática de fuente y supervisión por Ethernet. Ambas pueden coexistir en una misma plataforma: una unidad DC en el lado del vehículo y una PDU de rack en la cabina de misión.

¿El sistema es de 24 V o de 28 V?

Ambas cosas. El grupo de baterías es nominalmente de 24 V; bajo la carga del alternador, el bus funciona normalmente en torno a 28 V, y por eso las normas y las hojas de datos lo denominan "28 VDC".

¿Es realmente necesario un fusible independiente en cada salida?

Sí. Un único fusible principal deja todo el vehículo sin energía cuando una línea sufre un cortocircuito; un fusible por salida limita el fallo a esa línea. El calibre se determina según la sección del cable de la línea y la corriente de la carga.

¿Puede desconectarse la batería con el alternador en marcha?

Desconectar bruscamente la batería mientras el alternador está en marcha produce una sobretensión de gran amplitud en el bus y somete a esfuerzo a los equipos conectados. Por ello, el seccionador de baterías está previsto para usarse con el motor apagado; la lógica de contactores conecta y desconecta las baterías de forma controlada según umbrales de tensión.

La arquitectura eléctrica de un vehículo militar es el diseño conjunto de cinco capas: fuentes, protección, distribución, conversión y cargas. MIL-STD-1275 es su lenguaje común; con ella se evalúa cómo se comporta un producto de cada capa ante las sobretensiones, los picos y las caídas de tensión de arranque del bus. Las entradas, la corriente de la barra colectora, la disposición de los fusibles y los umbrales de los contactores de la unidad de distribución determinan cuánto mantenimiento necesitará la arquitectura en campo.

Para una arquitectura de distribución y protección adaptada a la disposición de baterías, alternador y cargas de su vehículo, solicite una cotización o póngase en contacto con nuestro equipo de ingeniería.

Ejemplo de campo: Lea el caso de éxito modernización de la arquitectura de energía de un camión táctico, en el que se renovaron conjuntamente las capas de distribución, protección y supervisión.