Compatibilitate electromagnetică la vehiculele electrice

Când curentul trece printr-un conductor, acesta creează câmpuri electromagnetice și aproape toate dispozitivele electronice, cum ar fi televizoarele, mașinile de spălat, aragazul cu inducție, semafoarele, telefoanele mobile, bancomatele și laptopurile etc., vor emite câmpuri electromagnetice. Vehiculele cu combustibil fosil suferă, de asemenea, de interferențe electromagnetice (EMI) - Sistemul de aprindere, motorul de pornire și întrerupătoarele provoacă EMI în bandă largă, iar dispozitivele electronice provoacă EMI în bandă îngustă. Dar, în comparație cu vehiculele ICE (motor cu combustie internă), vehiculele electrice sunt o combinație de diverse subsisteme și componente electronice, cum ar fi bateria, BMS, convertor DC-DC, invertor, motor electric, cabluri de mare putere distribuite în jurul vehiculului și încărcătoare, toate acestea lucrează la niveluri ridicate de putere și frecvență, ceea ce determină emisia de EMI de înaltă frecvență.

Dacă observăm puterea și tensiunea nominală a vehiculelor electrice disponibile, puterea nominală este între câteva zeci de KW până la sute de KW, în timp ce valorile de tensiune sunt în sute de volți, astfel încât nivelurile de curent vor fi în sute de amperi, ceea ce cauzează câmpuri magnetice mai puternice.

Nissan LEAF are o tracțiune din spate de 125 kW care funcționează pe 400 V _c.c.
BMW i3 are o tracțiune din spate de 125 kW și funcționează pe 500 V _c.c.
Modelul Tesla S are 235 kW Tracțiunea spate funcționează pe 650 V _c.c.
Toyota Prius (a treia generație) are 74 kW cu tracțiune față funcționează la 400 V _c.c.
Toyota Prius PHV are o tracțiune față nominală de 60 kW funcționează la 350 V _c.c.
Chevrolet Volt PHV are tracțiune față nominală de 55 kW (x2) funcționează pe 400 V _c.c.

Să luăm în considerare un vehicul electric cu acționare electrică de 100KW care funcționează la 400V înseamnă că are un curent de 250A care creează un câmp magnetic puternic. În timp ce proiectăm vehiculul, trebuie să evaluăm EMC (Compatibilitatea electromagnetică) a tuturor acestor subsisteme și componente pentru a asigura siguranța componentelor împreună cu siguranța ființelor vii.

Termeni și definiții legate de EMC și EMI

CEM (compatibilitate electromagnetică) a unui dispozitiv sau echipament înseamnă capacitatea de a nu fi afectat de câmpul electromagnetic (CEM) și de a nu afecta funcționarea altor sisteme cu CEM atunci când funcționează în mediu electromagnetic. EMC reprezintă emisiile electromagnetice, susceptibilitatea, imunitatea și problemele de cuplare.

Emisia electromagnetică înseamnă generarea și eliberarea de energie electromagnetică în mediu. Orice emisie nedorită provoacă interferențe sau perturbări ale funcționării altor dispozitive electronice care funcționează în același mediu, adică cunoscută sub numele de interferență electromagnetică (EMI).

Susceptibilitatea electromagnetică a unui dispozitiv indică vulnerabilitatea sa la emisiile și interferențele nedorite care cauzează defecțiunea sau defectarea dispozitivului. Dacă un dispozitiv este mai susceptibil înseamnă că este mai puțin imun la interferențele electromagnetice.

Imunitatea electromagnetică a unui dispozitiv înseamnă capacitatea sa de a funcționa normal în prezența unui mediu electromagnetic fără a experimenta interferențe sau a se defecta din cauza emisiilor electromagnetice de la un alt dispozitiv electronic.

Cuplarea electromagnetică înseamnă mecanismul câmpului electromagnetic emis de un dispozitiv care ajunge sau interferează cu alt dispozitiv.

Surse de interferență electromagnetică (EMI) în EV

Este cunoscut că convertoarele de putere sunt principala sursă de interferență electromagnetică în cadrul sistemelor de acționare electrică. Acestea au dispozitive de comutare de mare viteză, de exemplu tranzistoarele bipolare cu poartă izolată (IGBT) funcționează la frecvențe cuprinse între 2 și 20 kHz, IGBT-urile rapide pot funcționa până la 50 kHz, iar MOSFET-urile SiC pot chiar să funcționeze frecvențe peste 150 KHz.
Motoarele electrice care funcționează la niveluri ridicate de putere determină emisii electromagnetice și acționează ca o cale pentru zgomotul EM prin impedanța sa. Și această impedanță se schimbă în funcție de frecvență. Întrucât acționările cu motor electric utilizează invertoare de putere cu operațiune de comutare PWM de mare viteză, la bornele motorului apar tensiuni de supratensiune, care provoacă zgomotul radiat EM. Iar curentul arborelui poate provoca deteriorarea rulmenților motorului și funcționarea defectuoasă a controlerului vehiculului.
Pe măsură ce bateriile de tracțiune sunt distribuite, curenții din baterii și din interconectoare devin o sursă semnificativă pentru emisiile EMF și acestea reprezintă partea principală a căii pentru EMI.
Cablurile ecranate și neecranate care transportă curent de nivel înalt între diferite subsisteme, cum ar fi convertorul de la baterie la putere, convertorul de putere la motor etc., în EV provoacă câmpuri magnetice mai puternice. Deoarece spațiul disponibil în EV pentru cablajul este limitat, cablurile de înaltă tensiune și de joasă tensiune sunt amplasate unul lângă celălalt, cauzând interferențe electromagnetice între ele.
Încărcătoarele de baterii și facilitățile de încărcare fără fir sunt principalele surse EMI externe, în afară de sursa EMI internă EV. Atunci când se aplică tehnologia de alimentare fără fir pentru încărcarea EV, un câmp magnetic puternic cuprins între câteva zeci și sute de kiloherci produce transferul mai multor KW-uri către zeci de KW-uri de putere.

Impactul EMI asupra componentelor electronice ale vehiculelor electrice

În prezent, odată cu progresul tehnologic, automobilele conțin mai multe componente și sisteme electronice pentru o funcționare și fiabilitate adecvate. Dacă vedem arhitectura vehiculului electric, o cantitate mare de sisteme electrice și electronice plasate într-un spațiu limitat. Acest lucru provoacă interferențe electromagnetice sau discuții încrucișate între aceste sisteme. Dacă CEM nu este întreținut corect, aceste sisteme pot funcționa defectuos sau chiar nu funcționează.

EMC

Majoritatea standardelor EMC pentru autovehicule sunt stabilite de Societatea Inginerilor Auto (SAE), Organizația Internațională pentru Standarde (ISO), Comitetul Electrotehnic Internațional (IEC), Asociația pentru Standarde a Inginerilor în Electrice și Electronice ( IEEE -SA), Comunitatea Europeană (CE) și Comisia Economică pentru Europa a Organizației Națiunilor Unite (CEE-ONU).

ISO 11451 specifică condițiile generale, liniile directoare și principiile de bază pentru testarea vehiculului pentru a determina imunitatea ICE și a vehiculelor electrice față de EMF cu radiație îngustă de perturbare electrică.

ISO 11452 specifică condițiile generale, liniile directoare și principiile de bază pentru a testa componenta pentru a determina imunitatea componentelor electronice ale ICE și a vehiculelor electrice peste EMF cu radiație îngustă de perturbare electrică.

CISPR12 specifică limitele și metodele de măsurare pentru a testa emisiile electromagnetice radiate de la vehiculele electrice, vehiculele ICE și bărci.

CISPR25 specifică limitele și metodele de măsurare a caracteristicilor perturbațiilor radio și procedura de testare a vehiculului pentru a determina nivelurile RI / RE pentru protecția receptoarelor utilizate la bordul vehiculelor.

SAE J551 -1 specifică nivelurile de performanță și metodele de măsurare a CEM a vehiculelor și dispozitivelor (60Hz-18GHz).

SAE J551 -2 specifică limitele de încercare și metodele de măsurare a caracteristicilor de perturbare radio (emisie) ale vehiculelor, bărcilor cu motor și dispozitivelor acționate de motor cu aprindere prin scânteie.

SAE J551-4 specifică limitele de testare și metodele de măsurare a caracteristicilor de perturbații radio ale vehiculelor și dispozitivelor, în bandă largă și în bandă îngustă, de la 150 KHz la 1000 MHz.

SAE J551-5 specifică nivelurile de performanță și metodele de măsurare a intensității câmpului magnetic și electric de la vehiculele electrice, de la 9 kHz la 30 MHz.

SAE J551-11 specifică sursa vehiculului cu imunitate electromagnetică oprită.

SAE J551- 13 specifică injecția de curent de imunitate electromagnetică a vehiculului.

SAE J551- 15 specifică imunitatea electromagnetică a vehiculului - descărcarea electrostatică care se va face în încăperea ecranată.

SAE J551- 17 specifiesvehicle electromagnetice linie de imunitate-putere câmpuri magnetice.

2004/144 CE - Anexa IV specifică metoda de măsurare a emisiilor radiate în bandă largă de la vehicule.

2004/144 CE - Anexa V specifică metoda de măsurare a emisiilor radiate în bandă îngustă de la vehicule.

2004/144 CE - Anexa VI specifică metoda de testare a imunității vehiculelor la radiațiile electromagnetice.

AIS-004 (Partea 3) prevede cerințe privind compatibilitatea electromagnetică la vehiculele auto.

AIS-004 (partea 3) Anexa 2 explică metoda de măsurare a emisiilor electromagnetice de bandă largă radiată de la vehicule.

AIS-004 (partea 3) Anexa 3 explică metoda de măsurare a emisiilor electromagnetice radiate în bandă îngustă de la vehicule.

AIS-004 (partea 3) Anexa 4 explică metoda de testare a imunității vehiculelor la radiațiile electromagnetice.

AIS-004 (Partea 3) Anexa 5 explică metoda de măsurare a emisiilor electromagnetice de bandă largă radiată de la subansamble electrice / electronice.

AIS-004 (Partea 3) Anexa 6 explică metoda de măsurare a emisiilor electromagnetice de bandă îngustă radiată de la subansamble electrice / electronice.

Limite la expunerea câmpurilor electromagnetice la oameni

Vehiculele electrice produc radiații electromagnetice neionizante care nu afectează sănătatea umană pentru o expunere scurtă. Dar pentru o expunere îndelungată, dacă câmpul magnetic radiat depășește limitele standard, acesta afectează sănătatea umană. Deci, în timpul proiectării vehiculului electric trebuie luate în considerare pericolele cu expunerea la câmpul magnetic.

Expunerea electromagnetică la pasageri este afectată de diferite configurații, niveluri de putere și topologii ale vehiculului electric, cum ar fi tracțiunea față sau tracțiunea spate, amplasarea bateriei și distanța dintre echipamentele de alimentare cu pasagerii etc.

Având în vedere posibilele efecte nocive ale expunerii umane la câmpurile electromagnetice, organizațiile internaționale, inclusiv Organizația Mondială a Sănătății (OMS) și Comisia internațională pentru protecția împotriva radiațiilor neionizante (ICNIRP), directivele UE, IEEE au specificat limite la expunerea maximă permisă la câmpul magnetic public.

Frecventa (Hz)	Câmpuri magnetice H (AM ^-1)	Densitatea fluxului magnetic B (T)
<0,153 Hz	9,39 x 10 ⁴	118 x 10 ^-3
0.153 -20Hz	1,44 x 10 ⁴ / f	18,1 x 10-3 / f
20- 759 Hz	719	0,904 x 10 ^-3
759 Hz - 3KHz	5,47 x 105 / f	687 x 10 ^-3 / f

Mai jos este tabelul care prezintă nivelurile maxime admise de câmp magnetic pentru publicul larg conform standardului IEEE

Ocupațional înseamnă oameni care sunt expuși la EMF în timp ce își desfășoară activitățile regulate de muncă.

Public general înseamnă restul publicului, altul decât ocupațional, expus câmpurilor electromagnetice

Valorile de orientare nu au efecte negative asupra sănătății în condiții normale de muncă și pentru persoanele care nu au niciun dispozitiv medical implantat activ sau sunt însărcinate. Acestea corespund intensității câmpului.

Valoarea acțiunii provoacă unele efecte expuse la aceste niveluri. Acestea corespund câmpului maxim direct măsurabil.

Practic valoarea acțiunii este mai mare decât valoarea orientării.
Valorile expunerii publice profesionale sunt mai mari decât cele pentru nivelul general de expunere publică.

Teste de compatibilitate electromagnetică

Testarea EMC trebuie făcută pentru a verifica dacă vehiculul electric respectă sau nu standardele cerute . Testele de laborator și testele rutiere sunt efectuate pe vehicul electric pentru a evalua EMC. Aceste teste constau în teste de emisii, susceptibilitate și imunitate.

Testele de laborator se fac pentru a caracteriza emisiile și susceptibilitatea câmpului magnetic de la toate echipamentele electrice de la bordul unei camere de testare EMC. Aceste camere sunt de tip anecoic și de reverberație.

Pentru testarea emisiilor efectuate, traductoarele includ rețeaua de stabilizare a impedanței de linie (LISN) sau se utilizează rețeaua de rețea artificială (AMN). Pentru testarea emisiilor radiate, antenele sunt utilizate ca traductoare. Emisiile radiate sunt măsurate în toate direcțiile din jurul dispozitivului supus testului (DUT).

Testarea sensibilității utilizează o sursă de mare putere de energie RF EM și o antenă radiantă pentru a direcționa energia electromagnetică către DUT. În timp ce efectuați testarea vehiculului electric, cu excepția dispozitivului testat (DUT), totul va fi oprit și apoi va fi măsurat câmpul magnetic.

Testele exterioare se fac într-o lume reală în condiții de condus rutier. În aceste teste, vehiculul testat trebuie să circule cu accelerație și decelerare maximă pentru a asigura curent maxim în timpul tracțiunii și frânării regenerative. Aceste teste vor fi efectuate pe drumuri drepte, unde câmpurile magnetice datorate pământului sunt constante și, în unele cazuri, pe drumuri cu pante abrupte. În timp ce facem teste rutiere, trebuie să identificăm perturbațiile magnetice externe din surse externe, cum ar fi liniile de cale ferată, capacele de canal și alte mașini, echipamente de distribuție a energiei electrice, liniile de transmisie de înaltă tensiune și transformatoarele de putere.

Ghiduri de proiectare pentru o mai bună EMC și pentru a reduce EMI

Cablurile de curent continuu care transportă curenți mari ar trebui să fie realizate sub formă răsucite, astfel încât curentul din acest cablu să curgă în direcție opusă, rezultând la minimizarea emisiilor EMF.
Cablurile de curent alternativ trifazate trebuie răsucite și trebuie amplasate cât mai aproape posibil pentru a minimiza emisiile EMF de la acestea.
Și toate aceste cabluri de alimentare trebuie să se așeze cât mai departe de regiunea scaunului pasagerului. Și aceste conexiuni nu ar trebui să formeze o buclă.
Dacă distanța dintre scaunele pasagerului și cablu este mai mică de 200 mm, trebuie adoptat un ecran.
Motoarele trebuie amplasate mai departe de zona scaunului pasagerului, iar axa de rotație a motorului nu trebuie să fie orientată spre zona scaunului pasagerului.
Deoarece oțelul are un efect de protecție mai bun, dacă greutatea permite în loc de aluminiu, carcasa metalică din oțel trebuie folosită pentru motor.
Dacă distanța dintre zona motorului și scaunul pasagerului este mai mică de 500 mm, trebuie să se utilizeze o protecție ca placa de oțel între zona motorului și scaunul pasagerului.
Carcasa motorului ar trebui să fie legată la pământ de șasiu în mod corespunzător pentru a minimiza orice potențial electric.
Pentru a minimiza lungimea cablului dintre invertor și motor, acestea s-au montat cât mai aproape unul de celălalt.
Pentru a suprima tensiunea de supratensiune, curentul arborelui și zgomotul radiat, ar trebui să fie atașat un controler de zgomot EMI la bornele motorului.
Un filtru digital activ EMI trebuie să fie integrat în controlerul digital al unui convertor DC-DC pentru a încărca bateria de joasă tensiune și pentru a oferi atenuare EMI semnificativă.
Pentru a suprima EMI în timpul încărcării fără fir, a fost dezvoltat un ecran reactiv rezonant. Aici câmpul magnetic de scurgere trece prin bobinele de protecție reactive rezonante în așa fel încât EMF indus în fiecare bobină de scut poate anula CEM incident și scurgerea câmpului magnetic poate fi suprimată eficient fără a consuma energie suplimentară.
Tehnologiile de ecranare conductivă, ecranare magnetică și ecranare activă au fost dezvoltate pentru a proteja emisia câmpului electromagnetic de sistemul WPT.
Un vehicul de control al zgomotului EMI a fost dezvoltat pentru vehiculele electrice, care este atașat la bornele motorului pentru a suprima tensiunea de supratensiune, curentul arborelui și zgomotul radiat.