Kompatybilność elektromagnetyczna w pojazdach elektrycznych

Gdy prąd przepływa przez przewodnik, wytwarza pola elektromagnetyczne i prawie wszystkie urządzenia elektroniczne, takie jak telewizory, pralki, kuchenki indukcyjne, sygnalizatory świetlne, telefony komórkowe, bankomaty, laptopy itp., Emitują pola elektromagnetyczne. Pojazdy napędzane paliwami kopalnymi są również narażone na zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) - Układ zapłonowy, rozrusznik i przełączniki powodują szerokopasmowe EMI, a urządzenia elektroniczne - wąskopasmowe. Ale w porównaniu z pojazdami ICE (Internal Combustion Engine), pojazdy elektryczne są połączeniem różnych podsystemów i elementów elektronicznych, takich jak akumulator, BMS, przetwornica DC-DC, falownik, silnik elektryczny, kable dużej mocy rozprowadzone wokół pojazdu i ładowarki, wszystko to pracują przy wysokich poziomach mocy i częstotliwości, co powoduje emisję zakłóceń elektromagnetycznych o wysokiej częstotliwości i niskiej częstotliwości.

Jeśli przyjrzymy się mocy i napięciu dostępnych pojazdów elektrycznych, moc znamionowa mieści się w zakresie od kilkudziesięciu KW do setek KW, podczas gdy wartości napięcia są w setkach woltów, więc poziomy prądu będą wynosić setki amperów, co powoduje silniejsze pola magnetyczne

• Nissan LEAF ma napęd na tylne koła 125 kW i pracuje na napięciu 400 V _DC
• BMW i3 posiada napęd na tylne koła 125 kW i pracuje na napięciu 500 V _DC
• Tesla model S ma 235 kW Napęd na tylne koła działa na 650 V _DC
• Toyota Prius (3 gen.) Ma 74 kW Napęd na przednie koła pracuje na 400 V _DC
• Toyota Prius PHV ma napęd na przednie koła o mocy 60 kW i pracuje na 350 V _DC
• Chevrolet Volt PHV ma napęd na przednie koła o mocy 55 kW (x2) i pracuje na 400 V _DC

Rozważmy pojazd elektryczny z napędem elektrycznym 100KW pracujący pod napięciem 400V, co oznacza, że ​​ma prąd 250A, który wytwarza silne pole magnetyczne. Projektując pojazd musimy ocenić EMC (kompatybilność elektromagnetyczną) wszystkich tych podsystemów i komponentów, aby zapewnić bezpieczeństwo komponentów, a także bezpieczeństwo istot żywych.

Terminy i definicje związane z EMC i EMI

EMC (kompatybilność elektromagnetyczna) urządzenia lub sprzętu oznacza, że ​​pole elektromagnetyczne (EMF) nie wpływa na niego i nie wpływa na działanie innych systemów z jego EMF, gdy działa w środowisku elektromagnetycznym. EMC reprezentuje emisję elektromagnetyczną, podatność, problemy z odpornością i sprzężeniem.

Emisja elektromagnetyczna oznacza wytwarzanie i uwalnianie energii elektromagnetycznej do środowiska. Każda niepożądana emisja powoduje zakłócenia lub zakłócenia w działaniu innego urządzenia elektronicznego, które działa w tym samym środowisku, tj. Nazywane zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI).

Podatność elektromagnetyczna urządzenia wskazuje na podatność urządzenia na niepożądane emisje i zakłócenia, które powodują nieprawidłowe działanie lub awarię urządzenia. Jeśli urządzenie jest bardziej podatne, oznacza to, że jest mniej odporne na zakłócenia elektromagnetyczne.

Odporność elektromagnetyczna urządzenia oznacza, że ​​może on działać normalnie w obecności środowiska elektromagnetycznego bez zakłóceń lub awarii z powodu emisji elektromagnetycznej z innego urządzenia elektronicznego.

Sprzężenie elektromagnetyczne oznacza mechanizm, w którym pole elektromagnetyczne emitowane przez jedno urządzenie dociera do innego urządzenia lub zakłóca jego działanie.

Źródła zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) w EV

• Wiadomo, że przetworniki mocy są głównym źródłem zakłóceń elektromagnetycznych w elektrycznych układach napędowych. Mają one szybkie urządzenia przełączające, np. Konwencjonalne tranzystory bipolarne z izolowaną bramką (IGBT) pracują z częstotliwościami w zakresie od 2 do 20 kHz, szybkie tranzystory IGBT mogą pracować do 50 kHz, a tranzystory SiC MOSFET mogą pracować nawet z częstotliwościami powyżej 150 kHz.
• Silniki elektryczne, które działają przy wysokich poziomach mocy, powodują emisje elektromagnetyczne i działają jako ścieżka dla szumu elektromagnetycznego poprzez swoją impedancję. A impedancja zmienia się w funkcji częstotliwości. Ponieważ napędy silników elektrycznych wykorzystują falowniki z szybkim przełączaniem PWM, na zaciskach silnika występują przepięcia, które powodują promieniowanie elektromagnetyczne. A prąd na wale może spowodować uszkodzenie łożysk silnika i nieprawidłowe działanie sterownika pojazdu.
• W miarę dystrybucji akumulatorów trakcyjnych prądy w akumulatorach i połączeniach międzysystemowych stają się znaczącym źródłem emisji pól elektromagnetycznych i stanowią główną część ścieżki dla EMI.
• Kable ekranowane i nieekranowane przenoszące prąd o wysokim poziomie między różnymi podsystemami, takimi jak konwerter akumulatora do zasilania, przetwornica do silnika itp., W EV powodują silniejsze pola magnetyczne. Ponieważ dostępna przestrzeń w EV na wiązkę przewodów jest ograniczona, kable wysokiego i niskiego napięcia są umieszczone blisko siebie, co powoduje zakłócenia elektromagnetyczne między nimi.
• Ładowarki akumulatorów i urządzenia do ładowania bezprzewodowego są głównymi zewnętrznymi źródłami EMI oprócz wewnętrznego źródła EMI EV. Gdy do ładowania EV zastosowano technologię zasilania bezprzewodowego, wytwarza się silne pole magnetyczne w zakresie od kilkudziesięciu do setek kiloherców, które przenosi od kilku do kilkudziesięciu kW mocy.

Wpływ EMI na elektroniczne komponenty pojazdów elektrycznych

W dzisiejszych czasach, wraz z postępem technologicznym, samochody zawierają więcej elementów elektronicznych i systemów zapewniających prawidłowe działanie i niezawodność. Jeśli zobaczymy architekturę pojazdu elektrycznego, dużą ilość systemów elektrycznych i elektronicznych umieszczonych w ograniczonej przestrzeni. Powoduje to zakłócenia elektromagnetyczne lub przesłuchy między tymi systemami. Jeśli EMC nie zostanie odpowiednio utrzymane, systemy te mogą działać nieprawidłowo lub nawet mogą przestać działać.

EMC

Większość norm motoryzacyjnych w zakresie EMC jest ustalana przez Society of Automotive Engineers (SAE), International Standards Organization (ISO), International Electrotechnical Committee (IEC), The Institute of Electrical and Electronics Engineers Standards Association ( IEEE -SA), Wspólnota Europejska (WE) i Europejska Komisja Gospodarcza ONZ (EKG ONZ).

ISO 11451 określa ogólne warunki, wytyczne i podstawowe zasady badania pojazdu w celu określenia odporności pojazdów elektrycznych i spalinowych na zakłócenia elektryczne wąskopasmowe EMF.

Norma ISO 11452 określa ogólne warunki, wytyczne i podstawowe zasady badania elementu w celu określenia odporności elementów elektronicznych pojazdów elektrycznych i spalinowych na zakłócenia elektryczne wąskopasmowe promieniowane EMF.

CISPR12 określa limity i metody pomiaru do badania emisji promieniowania elektromagnetycznego z pojazdów elektrycznych, pojazdów ICE i łodzi.

CISPR25 określa ograniczenia i metody pomiaru charakterystyk zakłóceń radioelektrycznych oraz procedurę badania pojazdu w celu określenia poziomów RI / RE dla ochrony odbiorników znajdujących się w pojazdach.

SAE J551 -1 określa poziomy wydajności i metody pomiaru EMC pojazdów i urządzeń (60Hz-18GHz).

SAE J551 -2 podaje wartości graniczne i metody pomiaru zakłóceń radiowych (emisja) cech pojazdów, motorowych i zapłonem iskrowym silnika testowe urządzenia napędzane.

SAE J551-4 określa limity badań i metody pomiaru charakterystyk zakłóceń radiowych pojazdów i urządzeń, szerokopasmowych i wąskopasmowych, od 150 kHz do 1000 MHz.

SAE J551-5 określa poziomy wydajności i metody pomiaru natężenia pola magnetycznego i elektrycznego pojazdów elektrycznych, od 9 kHz do 30 MHz.

SAE J551-11 określa źródło niewrażliwości elektromagnetycznej pojazdu - wyłączone.

SAE J551- 13 określa pojazdu elektromagnetyczny odpornością większość prądu wtryskowego.

SAE J551- 15 określa pojazdu odpornością elektrostatycznego rozładowania elektromagnetyczne, które będą wykonane w ekranowanym pomieszczeniu.

SAE J551- 17 specifiesvehicle linii odporność mocy elektromagnetycznego pola magnetycznego.

2004/144 WE - załącznik IV określa metodę pomiaru promieniowanej emisji szerokopasmowej z pojazdów.

2004/144 WE - załącznik V określa metodę pomiaru promieniowanej emisji wąskopasmowej z pojazdów.

2004/144 WE - załącznik VI określa metodę badania odporności pojazdów na promieniowanie elektromagnetyczne.

AIS-004 (część 3) zawiera wymagania dotyczące kompatybilności elektromagnetycznej w pojazdach samochodowych.

AIS-004 (część 3) Załącznik 2 wyjaśnia metodę pomiaru wypromieniowanej szerokopasmowej emisji elektromagnetycznej z pojazdów.

AIS-004 (część 3) Załącznik 3 wyjaśnia metodę pomiaru promieniowanej emisji elektromagnetycznej wąskopasmowej z pojazdów.

AIS-004 (część 3) Załącznik 4 wyjaśnia metodę badania odporności pojazdów na promieniowanie elektromagnetyczne.

AIS-004 (część 3) Załącznik 5 wyjaśnia metodę pomiaru wypromieniowanej szerokopasmowej emisji elektromagnetycznej z podzespołów elektrycznych / elektronicznych.

AIS-004 (część 3) Załącznik 6 wyjaśnia metodę pomiaru promieniowanej emisji elektromagnetycznej wąskopasmowej z podzespołów elektrycznych / elektronicznych.

Ograniczenia narażenia ludzi na pola elektromagnetyczne

Pojazdy elektryczne wytwarzają niejonizujące promieniowanie elektromagnetyczne, które nie ma wpływu na zdrowie ludzi przy krótkotrwałej ekspozycji. Jednak w przypadku długotrwałej ekspozycji, jeśli wypromieniowane pole magnetyczne przekracza standardowe limity, ma to wpływ na zdrowie ludzi. Dlatego projektując pojazd elektryczny należy wziąć pod uwagę zagrożenia związane z ekspozycją na pole magnetyczne.

Narażenie elektromagnetyczne pasażerów ma wpływ na różne konfiguracje, poziomy mocy i topologie pojazdu elektrycznego, takie jak napęd na przednie lub tylne koła, rozmieszczenie akumulatorów oraz odległość między urządzeniami zasilającymi a pasażerami itp.

Biorąc pod uwagę możliwe szkodliwe skutki narażenia ludzi na pola elektromagnetyczne, organizacje międzynarodowe, w tym Światowa Organizacja Zdrowia (WHO) i Międzynarodowa Komisja ds. Ochrony przed Promieniowaniem Niejonizującym (ICNIRP), dyrektywy UE, IEEE określiły limity maksymalnego dopuszczalnego narażenia na pole magnetyczne publiczny.

Częstotliwość (Hz)	Pola magnetyczne H (AM -1)	Gęstość strumienia magnetycznego 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

Poniżej znajduje się tabela przedstawiająca maksymalne dopuszczalne poziomy pola magnetycznego dla ogółu społeczeństwa zgodnie ze standardem IEEE

Zawód oznacza osoby, które są narażone na działanie pola elektromagnetycznego podczas wykonywania swoich normalnych czynności zawodowych.

Ogół społeczeństwa oznacza resztę społeczeństwa inną niż zawodowa narażona na działanie pól elektromagnetycznych

Wartości orientacyjne nie mają negatywnego wpływu na zdrowie w normalnych warunkach pracy i dla osób bez aktywnego wszczepionego wyrobu medycznego lub będących w ciąży. Odpowiadają one natężeniu pola.

Wartość akcji powoduje pewne efekty narażone na te poziomy. Odpowiadają one maksymalnemu bezpośrednio mierzalnemu polu.

• Zasadniczo wartość akcji jest wyższa niż wartość orientacji.
• Wartości narażenia zawodowego ludności są wyższe niż wartości narażenia ogółu społeczeństwa.

Testy kompatybilności elektromagnetycznej

Należy przeprowadzić testy EMC, aby sprawdzić, czy pojazd elektryczny spełnia wymagane normy, czy nie . Testy laboratoryjne i drogowe są wykonywane na pojeździe elektrycznym w celu oceny EMC. Testy te obejmują testy emisji, podatności i odporności.

Testy laboratoryjne są wykonywane w celu scharakteryzowania emisji pola magnetycznego i podatności na wszystkie znajdujące się na pokładzie urządzenia elektryczne w komorze testowej EMC. Te komory są bezechowe i typu pogłosowego.

Do przeprowadzanych badań emisji przetworniki wykorzystują sieć stabilizacji impedancji linii (LISN) lub sztuczną sieć zasilającą (AMN). Do testowania emisji promieniowania anteny są używane jako przetworniki. Emisje wypromieniowane są mierzone we wszystkich kierunkach wokół badanego urządzenia (DUT).

Testowanie wrażliwości wykorzystuje źródło energii RF EM o dużej mocy i antenę promieniującą do kierowania energii elektromagnetycznej do testowanego urządzenia. Podczas wykonywania testu na pojeździe elektrycznym za wyjątkiem testowanego urządzenia (DUT) wszystko zostanie wyłączone, a następnie zmierzone zostanie pole magnetyczne.

Testy zewnętrzne są przeprowadzane w rzeczywistych warunkach drogowych. W tych testach badany pojazd musi jechać z maksymalnym przyspieszeniem i zmniejszeniem, aby zapewnić maksymalny prąd podczas hamowania trakcyjnego i regeneracyjnego. Testy te zostaną przeprowadzone na prostej drodze, na której pola magnetyczne powodowane przez ziemię są stałe, aw niektórych przypadkach na drogach o stromych nachyleniach. Podczas testów drogowych musimy zidentyfikować zewnętrzne zakłócenia magnetyczne pochodzące ze źródeł zewnętrznych, takich jak linie kolejowe, włazy i inne samochody, urządzenia do dystrybucji energii, linie przesyłowe wysokiego napięcia i transformatory mocy.

Wytyczne projektowe dla lepszej EMC i obniżenia EMI

• Kable DC przenoszące duże prądy powinny być wykonane w postaci skręconej tak, aby prąd w tym kablu płynął w przeciwną stronę, skutkując minimalizacją emisji PEM.
• Trójfazowe kable prądu przemiennego powinny być skręcone i położone jak najbliżej, aby zminimalizować emisję z nich pola elektromagnetycznego.
• Wszystkie te kable zasilające muszą być umieszczone jak najdalej od miejsca pasażera. A te połączenia nie powinny tworzyć pętli.
• Jeśli odległość między siedzeniami pasażerów a kablem jest mniejsza niż 200 mm, należy zastosować ekranowanie.
• Silniki należy umieścić dalej od siedzenia pasażera, a oś obrotu silnika nie powinna być skierowana w stronę siedzenia pasażera.
• Ponieważ stal ma lepszy efekt ekranowania, jeśli pozwala na to waga zamiast aluminium, do silnika należy zastosować stalową obudowę metalową.
• Jeśli odległość między silnikiem a obszarem siedzenia pasażera jest mniejsza niż 500 mm, należy zastosować ekranowanie, takie jak stalowa płyta, między silnikiem a obszarem siedzenia pasażera.
• Obudowa silnika powinna być odpowiednio uziemiona do podwozia, aby zminimalizować potencjał elektryczny.
• Aby zminimalizować długość kabla między falownikiem a silnikiem, zamontowano je jak najbliżej siebie.
• Aby stłumić przepięcia, prąd na wale i szumy promieniowane, do zacisków silnika należy podłączyć kontroler szumów EMI.
• Cyfrowy aktywny filtr EMI musi być zintegrowany z cyfrowym kontrolerem przetwornika DC-DC, aby ładować akumulator niskonapięciowy i zapewnić znaczne tłumienie EMI.
• Aby stłumić EMI podczas ładowania bezprzewodowego, opracowano rezonansowe ekranowanie reaktywne. Tutaj pole magnetyczne upływu przechodzi przez rezonansowe reaktywne cewki ekranujące w taki sposób, że indukowana EMF w każdej cewce ekranującej może anulować padające pole elektromagnetyczne, a wyciek pola magnetycznego może być skutecznie stłumiony bez zużywania dodatkowej mocy.
• Technologie ekranowania przewodzącego, ekranowania magnetycznego i ekranowania aktywnego zostały opracowane w celu ochrony emisji pola elektromagnetycznego z systemu WPT.
• Opracowano kontroler szumów EMI dla pojazdów elektrycznych, który jest przymocowany do zacisków silnika w celu tłumienia napięcia udarowego, prądu wału i emitowanego hałasu.