Elektromagnetická kompatibilita v elektrických vozidlách

Keď prúd prechádza vodičom, vytvára elektromagnetické polia a takmer všetky elektronické zariadenia, ako sú televízory, práčky, indukčné kachle, semafory, mobilné telefóny, bankomaty a notebooky atď., Budú elektromagnetické polia vyžarovať. Vozidlá na fosílne palivá tiež trpia elektromagnetickým rušením (EMI) - Systém zapaľovania, štartovací motor a spínače spôsobujú širokopásmové EMI a elektronické zariadenia úzkopásmové EMI. Ale v porovnaní s vozidlami ICE (Internal Combustion Engine) sú elektrické vozidlá kombináciou rôznych subsystémov a elektronických komponentov, ako sú batéria, BMS, konvertor DC-DC, invertor, elektrický motor, vysoko výkonné káble rozmiestnené po celom vozidle a nabíjačky, to všetko pracujú na vysokých výkonových a frekvenčných úrovniach, čo spôsobuje emisiu vysokofrekvenčného nízkofrekvenčného EMI.

Ak sledujeme výkon a napätie, ktoré majú k dispozícii elektrické vozidlá, sú výkony medzi niekoľkými desiatkami KW až stovkami KW, zatiaľ čo hodnoty napätia sú v stovkách voltov, takže súčasná úroveň bude v stovkách ampérov, čo spôsobuje silnejšie magnetické polia.

• Nissan LEAF má pohon zadných kolies s výkonom 125 kW a pracuje na 400 V _ss
• BMW i3 má 125 kW pohon zadných kolies na 500 V _ss
• Tesla model S má 235 kW pohon zadných kolies na 650 V _ss
• Toyota Prius (3. generácia) má 74 kW s predným náhonom na 400 V _ss
• Toyota Prius PHV má pohon predných kolies s výkonom 60 kW na 350 V _ss
• Chevrolet Volt PHV má pohon predných kolies s výkonom 55 kW (x2), ktorý pracuje na 400 V _ss

Zoberme do úvahy elektrické vozidlo s elektrickým pohonom 100 KW pracujúcim na 400 V, čo znamená, že má prúd 250 A, ktorý vytvára silné magnetické pole. Pri navrhovaní vozidla musíme posúdiť EMC (elektromagnetická kompatibilita) všetkých týchto subsystémov a komponentov, aby sme zaistili bezpečnosť komponentov spolu s bezpečnosťou živých bytostí.

Pojmy a definície týkajúce sa EMC a EMI

EMC (elektromagnetická kompatibilita) zariadenia alebo zariadenia znamená, že je schopný nebyť ovplyvňovaný elektromagnetickým poľom (EMF) a neovplyvňovať činnosť iných systémov s ním, ak je zariadenie v elektromagnetickom prostredí. EMC predstavuje elektromagnetické vyžarovanie, citlivosť, problémy s imunitou a spojením.

Elektromagnetická emisia znamená generovanie a uvoľňovanie elektromagnetickej energie do životného prostredia. Akákoľvek nežiaduca emisia spôsobuje rušenie alebo rušenie iných elektronických zariadení, ktoré pracujú v rovnakom prostredí, tj. Známom ako elektromagnetické rušenie (EMI).

Elektromagnetická citlivosť zariadenia naznačuje jeho zraniteľnosť voči nežiaducim emisiám a rušeniu, ktoré spôsobujú poruchu alebo poruchu zariadenia. Ak je zariadenie náchylnejšie, znamená to, že je menej odolné voči elektromagnetickému rušeniu.

Elektromagnetická imunita zariadenia znamená, že je schopný normálne pracovať v prítomnosti elektromagnetického prostredia bez toho, aby dochádzalo k rušeniu alebo poruchám v dôsledku elektromagnetických emisií z iného elektronického zariadenia.

Elektromagnetická väzba znamená mechanizmus vyžarovaného elektromagnetického poľa jedného zariadenia dosahujúci alebo interferujúci s iným zariadením.

Zdroje elektromagnetického rušenia (EMI) v EV

• O meničoch výkonu je známe, že sú hlavným zdrojom elektromagnetického rušenia v rámci elektrických pohonných systémov. Jedná sa o vysokorýchlostné spínacie zariadenia, napr. Konvenčné bipolárne tranzistory s izolovanou bránou (IGBT) pracujú na frekvenciách od 2 do 20 kHz, rýchle IGBT môžu pracovať až do 50 kHz a SiC MOSFET môžu dokonca pracovať aj nad 150 KHz.
• Elektrické motory, ktoré pracujú na vysokých úrovniach výkonu, spôsobujú elektromagnetické emisie a cez svoju impedanciu fungujú ako cesta pre EM šum. A táto impedancia sa mení ako funkcia frekvencie. Pretože pohony elektromotorov používajú silové invertory s vysokorýchlostným spínacím režimom PWM, na svorkách motora sa vyskytujú nárazové napätia, ktoré spôsobujú vyžarovaný elektromagnetický šum. A prúd na hriadeli môže spôsobiť poškodenie ložísk motora a poruchu ovládača vozidla.
• Pri distribúcii trakčných batérií sa prúdy v batériách a v prepojovacích vedeních stávajú významným zdrojom emisií EMF a sú hlavnou súčasťou cesty pre EMI.
• Tienené a netienené káble vedúce vysoký prúd medzi rôznymi subsystémami, ako je prevodník batérie na napájanie, prevodník energie na motor atď., V EV spôsobujú silnejšie magnetické polia. Pretože je v elektroinštalácii obmedzený voľný priestor pre káblový zväzok, káble vysokého napätia a nízkeho napätia sú umiestnené blízko seba a spôsobujú medzi nimi elektromagnetické rušenie.
• Nabíjačky batérií a zariadenia na bezdrôtové nabíjanie sú hlavnými externými zdrojmi EMI okrem interného zdroja EMI EV. Keď sa na nabíjanie EV použila bezdrôtová energetická technológia, vytvára sa silné magnetické pole v rozmedzí niekoľkých desiatok až stoviek kilohertzov, ktoré prenáša niekoľko KW na desiatky KW.

Dopad EMI na elektronické súčasti elektrického vozidla

V dnešnej dobe s pokrokom v technológii obsahujú automobily viac elektronických súčiastok a systémov pre správnu činnosť a spoľahlivosť. Ak vidíme architektúru elektrických vozidiel, veľké množstvo elektrických a elektronických systémov umiestnených do obmedzeného priestoru. To spôsobuje elektromagnetické rušenie alebo krížový hovor medzi týmito systémami. Ak nebude EMC správne udržiavané, môže dôjsť k poruche ich fungovania alebo dokonca k zlyhaniu.

EMC

Väčšina automobilových štandardov EMC je stanovená Spoločnosťou automobilových inžinierov (SAE), Medzinárodnou organizáciou pre normalizáciu (ISO), Medzinárodným elektrotechnickým výborom (IEC), Združením pre normalizáciu elektrických a elektronických inžinierov ( IEEE -SA), Európske spoločenstvo (ES) a Európska hospodárska komisia OSN (EHK OSN).

ISO 11451 špecifikuje všeobecné podmienky, smernice a základné princípy na testovanie vozidla na stanovenie odolnosti ICE a elektrických vozidiel voči úzkopásmovému EMF vyžarovanému elektrickým rušením.

ISO 11452 špecifikuje všeobecné podmienky, smernice a základné princípy na testovanie komponentu na stanovenie odolnosti elektronických komponentov ICE a elektrických vozidiel voči úzkopásmovému EMF vyžarovanému elektrickým rušením.

CISPR12 špecifikuje limity a metódy merania na testovanie vyžarovaných elektromagnetických emisií z elektrických vozidiel, vozidiel ICE a člnov.

CISPR25 špecifikuje limity a metódy na meranie charakteristík rádiového rušenia a postup na testovanie vozidla na stanovenie úrovní RI / RE na ochranu prijímačov používaných na palube vozidiel.

SAE J551 -1 špecifikuje úrovne výkonu a metódy merania EMC vozidiel a zariadení (60 Hz - 18 GHz).

SAE J551 -2 špecifikuje testovacie limity a metódy merania charakteristík rádiového rušenia (emisií) vozidiel, motorových člnov a zariadení poháňaných iskrou.

SAE J551-4 špecifikuje testovacie limity a metódy merania charakteristík rádiového rušenia vozidiel a zariadení, širokopásmové a úzkopásmové, od 150 KHz do 1 000 MHz.

SAE J551-5 špecifikuje úrovne výkonu a metódy merania intenzity magnetického a elektrického poľa z elektrických vozidiel od 9 kHz do 30 MHz.

SAE J551-11 špecifikuje zdroj elektromagnetickej imunity vozidla - vypnutý zdroj vozidla.

SAE J551- 13 určuje vozidlo elektromagnetická odolnosť-prúdová injekcie.

SAE J551- 15 určuje vozidlo elektromagnetická odolnosť, elektrostatický výboj, ktorý sa vykoná v tienených miestnosti.

SAE J551- 17 specifiesvehicle elektromagnetická odolnosť, elektrické vedenie magnetické pole.

2004/144 ES - príloha IV špecifikuje metódu merania vyžarovaných širokopásmových emisií z vozidiel.

2004/144 ES - príloha V špecifikuje metódu merania vyžarovaných úzkopásmových emisií z vozidiel.

2004/144 ES - príloha VI špecifikuje metódu testovania odolnosti vozidiel voči elektromagnetickému žiareniu.

AIS-004 (časť 3) poskytuje požiadavky na elektromagnetickú kompatibilitu v automobilových vozidlách.

AIS-004 (časť 3), príloha 2, vysvetľuje metódu merania vyžarovaných širokopásmových elektromagnetických emisií z vozidiel.

AIS-004 (časť 3) Príloha 3 vysvetľuje metódu merania vyžarovaných úzkopásmových elektromagnetických emisií z vozidiel.

AIS-004 (časť 3), príloha 4, vysvetľuje metódu testovania odolnosti vozidiel voči elektromagnetickému žiareniu.

AIS-004 (časť 3), príloha 5, vysvetľuje metódu merania vyžarovaných širokopásmových elektromagnetických emisií z elektrických / elektronických montážnych podskupín.

AIS-004 (časť 3), príloha 6, vysvetľuje metódu merania vyžarovaných úzkopásmových elektromagnetických emisií z elektrických / elektronických montážnych podskupín.

Limity vystavenia elektromagnetickým poliam ľuďom

Elektrické vozidlá produkujú neionizujúce elektromagnetické žiarenie, ktoré pri krátkodobom pôsobení neovplyvňuje zdravie človeka. Ale pri dlhodobom pôsobení, ak je vyžarované magnetické pole viac ako štandardné limity, ovplyvňuje to zdravie ľudí. Pri projektovaní elektrického vozidla sa musí brať do úvahy nebezpečenstvo vystavenia magnetickému poľu.

Elektromagnetické vystavenie cestujúcim ovplyvňuje rôzne konfigurácie, úrovne výkonu a topológie elektrického vozidla, ako je pohon predných alebo zadných kolies, umiestnenie batérie a vzdialenosť medzi elektrickým zariadením a cestujúcimi atď.

Berúc do úvahy možné škodlivé účinky vystavenia človeka elektromagnetickým poliam, medzinárodné organizácie vrátane Svetovej zdravotníckej organizácie (WHO) a Medzinárodnej komisie pre ochranu pred neionizujúcim žiarením (ICNIRP) stanovili smernice IEEE limity maximálneho povoleného vystavenia magnetickému poľu verejné.

Frekvencia (Hz)	Magnetické pole H (AM -1)	Hustota magnetického toku B (T)
<0,153 Hz	9,39 x 10 4	118 x 10 -3
0,153 - 20 Hz	1,44 x 10 4 / f	18,1 x 10-3 / f
20 - 759 Hz	719	0,904 x 10 -3
759 Hz - 3 kHz	5,47 x 105 / f	687 x 10 -3 / f

Nasledujúca tabuľka zobrazuje maximálnu prípustnú hladinu magnetického poľa pre širokú verejnosť podľa štandardu IEEE

Pracovný znamená ľudia, ktorí sú vystavení EMP pri výkone svojich bežných pracovných činností.

Široká verejnosť znamená zvyšok verejnosti, ktorá nie je pracovníkom vystaveným elektromagnetickým poliam

Orientačné hodnoty nemajú žiadny nepriaznivý vplyv na zdravie za normálnych pracovných podmienok a pre osoby, ktoré nemajú aktívny implantovaný lekársky prístroj alebo sú tehotné. To zodpovedá intenzite poľa.

Akčná hodnota spôsobuje určité účinky vystavené týmto úrovniam. To zodpovedá maximálnemu priamo merateľnému poľu.

• Hodnota Action je v zásade vyššia ako hodnota orientácie.
• Hodnoty expozície verejnosti na pracovisku sú vyššie ako hodnoty expozície verejnosti.

Skúšky elektromagnetickej kompatibility

Je potrebné vykonať testovanie EMC, aby sa skontrolovalo, či elektrické vozidlo spĺňa požadované normy alebo nie . Na vyhodnotenie EMC sa na elektrickom vozidle vykonávajú laboratórne skúšky a cestné skúšky. Tieto testy pozostávajú z testov emisií, citlivosti a odolnosti.

Vykonávajú sa laboratórne testy na charakterizáciu emisií a citlivosti magnetického poľa zo všetkých palubných elektrických zariadení v testovacej komore EMC. Tieto komory sú anechoické a dozvukové.

Na vykonávanie testovania emisií sa používajú meniče využívajúce sieťovú stabilizačnú impedanciu siete (LISN) alebo umelú sieť (AMN). Na testovanie vyžarovanej emisie sa ako meniče používajú antény. Vyžarované emisie sa merajú vo všetkých smeroch okolo testovaného zariadenia (DUT).

Testovanie citlivosti využíva vysokovýkonný zdroj RF EM energie a vyžarujúcu anténu na nasmerovanie elektromagnetickej energie na DUT. Pri testovaní na elektrickom vozidle okrem testovaného zariadenia (DUT) sa všetko vypne a potom sa zmeria magnetické pole.

Vonkajšie testy sa vykonávajú v skutočnom svete s ohľadom na jazdné podmienky. Pri týchto skúškach musí skúšané vozidlo jazdiť s maximálnym zrýchlením a spomalením, aby sa zabezpečil maximálny prúd počas trakcie a rekuperačné brzdenie. Tieto skúšky sa vykonajú na priamej ceste, kde sú magnetické polia v dôsledku zeme konštantné, a v niektorých prípadoch na cestách so strmým svahom. Pri cestných testoch musíme identifikovať vonkajšie magnetické poruchy od vonkajších zdrojov, ako sú železničné trate, kryty prielezov a ďalšie automobily, zariadenia na rozvod energie, vysokonapäťové prenosové vedenia a výkonové transformátory.

Navrhnite pokyny pre lepšiu EMC a pre zníženie EMI

• Káble na jednosmerný prúd, ktoré vedú vysoké prúdy, by mali byť vyrobené v krútenej forme, aby prúd v tomto kábli pretekal v opačnom smere, čo vedie k minimalizácii emisií EMF.
• Trojfázové káble striedavého prúdu by mali byť skrútené a musia byť umiestnené čo najbližšie, aby sa z nich minimalizovala emisia EMF.
• Všetky tieto napájacie káble musia byť umiestnené čo najďalej od oblasti sedadla spolujazdca. A tieto spojenia by nemali tvoriť slučku.
• Ak je vzdialenosť medzi sedadlami cestujúcich a káblom menšia ako 200 mm, musí sa použiť tienenie.
• Motory musia byť umiestnené ďalej od oblasti sedadla spolujazdca a os otáčania motora by nemala smerovať k oblasti sedadla spolujazdca.
• Pretože oceľ má lepší tieniaci účinok, ak to umožňuje hmotnosť namiesto hliníka, musí sa pre motor použiť oceľové kovové puzdro.
• Ak je vzdialenosť medzi oblasťou sedadla motora a spolujazdca menšia ako 500 mm, musí sa medzi oblasťou sedadla motora a sedadla spolujazdca použiť ochranný štít.
• Skriňa motora by mala byť správne uzemnená k podvozku, aby sa minimalizoval akýkoľvek elektrický potenciál.
• Aby sa minimalizovala dĺžka kábla medzi striedačom a motorom, namontovali sa čo najbližšie k sebe.
• Na potlačenie rázového napätia, prúdu hriadeľa a vyžarovaného hluku by sa mal na svorky motora pripevniť EMI regulátor šumu.
• Digitálny aktívny filter EMI je potrebné integrovať do digitálneho ovládača konvertora DC-DC, aby sa dobila nízkonapäťová batéria a zabezpečil významný útlm EMI.
• Na potlačenie EMI počas bezdrôtového nabíjania bolo vyvinuté rezonančné reaktívne tienenie. Tu únikové magnetické pole prechádza cez rezonančné reaktívne štítové cievky takým spôsobom, že indukovaný EMF v každej štítovej cievke môže rušiť dopadajúci EMF a únik magnetického poľa je možné účinne potlačiť bez spotreby dodatočnej energie.
• Na tienenie emisií elektromagnetického poľa zo systému WPT boli vyvinuté technológie vodivého tienenia, magnetického tienenia a aktívneho tienenia.
• Pre elektrické vozidlá bol vyvinutý EMI regulátor hluku, ktorý je pripevnený na svorkách motora na potlačenie rázového napätia, prúdu hriadeľa a vyžarovaného hluku.