Elektromagnetická kompatibilita v elektrických vozidlech

Když proud prochází vodičem, vytváří elektromagnetická pole a téměř všechna elektronická zařízení, jako jsou televizory, pračky, indukční vařiče, semafory, mobilní telefony, bankomaty a notebooky atd., Budou elektromagnetická pole vyzařovat. Vozidla na fosilní paliva také trpí elektromagnetickým rušením (EMI) - Systém zapalování, motor startéru a spínače způsobují širokopásmové EMI a elektronická zařízení úzkopásmové EMI. Ale ve srovnání s vozidly ICE (Internal Combustion Engine) jsou elektrická vozidla kombinací různých subsystémů a elektronických součástek, jako je baterie, BMS, měnič DC-DC, střídač, elektrický motor, kabely vysokého výkonu distribuované po celém vozidle a nabíječky, to vše pracují na vysokých výkonových a frekvenčních úrovních, což způsobuje emise vysokofrekvenčního nízkofrekvenčního EMI.

Pokud sledujeme výkon a napětí dostupných elektrických vozidel, jsou výkony mezi několika desítkami KW až stovkami KW, zatímco hodnoty napětí jsou ve stovkách voltů, takže aktuální úrovně budou ve stovkách ampér, což způsobuje silnější magnetické pole

• Nissan LEAF má pohon zadních kol 125 kW a pracuje na 400 V _DC
• BMW i3 má 125 kW pohon zadních kol na 500 V _DC
• Tesla model S má 235 kW pohon zadních kol na 650 V _DC
• Toyota Prius (3. generace) má 74 kW s pohonem předních kol na 400 V _DC
• Toyota Prius PHV má pohon předních kol s jmenovitým výkonem 60 kW na 350 V _DC
• Chevrolet Volt PHV má pohon předních kol s výkonem 55 kW (x2), který pracuje na 400 V _DC

Uvažujme o elektrickém vozidle s 100kW elektrickým pohonem pracujícím na 400V, což znamená, že má proud 250A, který vytváří silné magnetické pole. Při konstrukci vozidla musíme posoudit EMC (elektromagnetická kompatibilita) všech těchto subsystémů a komponent, abychom zajistili bezpečnost komponent spolu s bezpečností živých bytostí.

Termíny a definice týkající se EMC a EMI

EMC (elektromagnetická kompatibilita) zařízení nebo zařízení znamená, že je možné, aby nebyl ovlivňován elektromagnetickým polem (EMF) a neovlivňoval provoz jiných systémů s tímto EMF, pokud pracuje v elektromagnetickém prostředí. EMC představuje elektromagnetické vyzařování, citlivost, problémy s imunitou a spojováním.

Elektromagnetická emise znamená generování a uvolňování elektromagnetické energie do prostředí. Jakákoli nežádoucí emise způsobuje rušení nebo narušení provozu jiného elektronického zařízení, které pracuje ve stejném prostředí, tj. Známém jako elektromagnetické rušení (EMI).

Elektromagnetická citlivost zařízení naznačuje jeho zranitelnost vůči nežádoucím emisím a interferenci, která způsobuje poruchu nebo poruchu zařízení. Pokud je zařízení náchylnější, znamená to, že je méně imunní vůči elektromagnetickému rušení.

Elektromagnetická imunita zařízení znamená, že je schopen normálně pracovat v přítomnosti elektromagnetického prostředí, aniž by docházelo k rušení nebo poruše v důsledku elektromagnetických emisí z jiného elektronického zařízení.

Elektromagnetická vazba znamená mechanismus vyzařovaného elektromagnetického pole jednoho zařízení dosahující nebo interferující s jiným zařízením.

Zdroje elektromagnetického rušení (EMI) v EV

• O měničích výkonu je známo, že jsou hlavním zdrojem elektromagnetického rušení v elektrických pohonných systémech. Jedná se o vysokorychlostní spínací zařízení, např. Konvenční bipolární tranzistory s izolovanou bránou (IGBT) pracují na frekvencích od 2 do 20 kHz, rychlé IGBT mohou pracovat až do 50 kHz a SiC MOSFETy mohou dokonce pracovat na frekvencích nad 150 KHz.
• Elektrické motory, které pracují na vysokých úrovních výkonu, způsobují elektromagnetické emise a fungují jako cesta pro EM hluk přes jeho impedanci. A tato impedance se mění v závislosti na frekvenci. Protože pohony elektromotorů používají výkonové měniče s vysokorychlostním spínacím provozem PWM, dochází na svorkách motoru k rázovým napětím, které způsobují vyzařovaný EM šum. A proud na hřídeli může způsobit poškození ložisek motoru a poruchu ovladače vozidla.
• Při distribuci trakčních baterií se proudy v bateriích a v propojovacích vedeních stávají významným zdrojem emisí EMF a jsou hlavní součástí cesty pro EMI.
• Stíněné a nestíněné kabely, které přenášejí vysoký proud mezi různými subsystémy, jako je převodník baterie na výkon, převodník energie na motor atd., V EV způsobují silnější magnetické pole. Jelikož je v elektroinstalačním kabelovém svazku omezený dostupný prostor, kabely vysokého napětí a nízkého napětí jsou umístěny blízko sebe a způsobují mezi nimi elektromagnetické rušení.
• Nabíječky baterií a zařízení pro bezdrátové nabíjení jsou hlavními externími zdroji EMI kromě interního zdroje EMI EV. Když se k nabíjení EV použije bezdrátová energetická technologie, vytvoří se silné magnetické pole v rozmezí několika desítek až stovek kilohertů, které přenáší několik KW na desítky KW.

Dopad EMI na elektronické součásti elektrických vozidel

V dnešní době s pokrokem v technologii obsahují automobily více elektronických součástek a systémů pro správný provoz a spolehlivost. Pokud vidíme architekturu elektrického vozidla, velké množství elektrických a elektronických systémů je umístěno do omezeného prostoru. To způsobuje elektromagnetické rušení nebo křížový hovor mezi těmito systémy. Pokud EMC nebude správně udržováno, může dojít k poruše těchto systémů nebo dokonce k jejich selhání.

EMC

Většina standardů EMC pro automobilový průmysl je stanovena Společností automobilových inženýrů (SAE), Mezinárodní organizací pro normalizaci (ISO), Mezinárodním elektrotechnickým výborem (IEC), Asociací pro normalizaci elektrických a elektronických inženýrů ( IEEE -SA), Evropské společenství (ES) a Evropská hospodářská komise OSN (EHK OSN).

ISO 11451 specifikuje obecné podmínky, pokyny a základní principy pro testování vozidla za účelem stanovení odolnosti ICE a elektrických vozidel proti úzkopásmovému EMF vyzařovanému elektrickým rušením.

ISO 11452 specifikuje obecné podmínky, pokyny a základní principy pro testování součásti pro stanovení odolnosti elektronických součástek ICE a elektrických vozidel proti úzkopásmovému EMF vyzařovanému elektrickým rušením.

CISPR12 specifikuje limity a metody měření pro testování vyzařovaných elektromagnetických emisí z elektrických vozidel, vozidel ICE a člunů.

CISPR25 specifikuje limity a metody měření charakteristik rádiového rušení a postup testování vozidla za účelem stanovení úrovní RI / RE pro ochranu přijímačů používaných na palubě vozidel.

SAE J551 -1 specifikuje úrovně výkonu a metody měření EMC vozidel a zařízení (60 Hz - 18 GHz).

SAE J551 -2 specifikuje zkušební limity a metody měření charakteristik rádiového rušení (emise) vozidel, motorových člunů a zážehových motorem poháněných zařízení.

SAE J551-4 specifikuje zkušební limity a metody měření charakteristik rádiového rušení vozidel a zařízení, širokopásmové a úzkopásmové, 150 KHz až 1000 MHz.

SAE J551-5 specifikuje úrovně výkonu a metody měření intenzity magnetického a elektrického pole od elektrických vozidel, 9 kHz až 30 MHz.

SAE J551-11 specifikuje zdroj elektromagnetické imunity vozidla - vypnutý zdroj vozidla.

SAE J551- 13 určuje vozidlo elektromagnetická odolnost-PROUDOVOU injekce.

SAE J551- 15 určuje vozidlo elektromagnetická odolnost, elektrostatický výboj, který se provede ve stíněném místnosti.

SAE J551- 17 specifiesvehicle elektromagnetická odolnost, elektrické vedení magnetické pole.

2004/144 EC - Příloha IV specifikuje metodu měření vyzařovaných širokopásmových emisí z vozidel.

2004/144 EC - Příloha V specifikuje metodu měření vyzařovaných úzkopásmových emisí z vozidel.

2004/144 EC - Příloha VI specifikuje metodu testování odolnosti vozidel proti elektromagnetickému záření.

AIS-004 (část 3) poskytuje požadavky na elektromagnetickou kompatibilitu v automobilových vozidlech.

AIS-004 (část 3) Příloha 2 vysvětluje metodu měření vyzařovaných širokopásmových elektromagnetických emisí z vozidel.

AIS-004 (část 3) Příloha 3 vysvětluje metodu měření vyzařovaných úzkopásmových elektromagnetických emisí z vozidel.

AIS-004 (část 3) Příloha 4 vysvětluje metodu testování odolnosti vozidel proti elektromagnetickému záření.

AIS-004 (část 3) Příloha 5 vysvětluje metodu měření vyzařovaných širokopásmových elektromagnetických emisí z elektrických / elektronických podsestav.

AIS-004 (část 3) Příloha 6 vysvětluje metodu měření vyzařovaného úzkopásmového elektromagnetického vyzařování z elektrických / elektronických podsestav.

Meze expozice elektromagnetickým polím lidem

Elektromobily produkují neionizující elektromagnetické záření, které při krátkodobém působení nemá vliv na lidské zdraví. Ale při dlouhodobém působení, pokud je vyzařované magnetické pole vyšší než standardní limity, ovlivňuje to lidské zdraví. Při konstrukci elektrického vozidla je tedy třeba vzít v úvahu rizika spojená s expozicí magnetickému poli.

Elektromagnetické vystavení cestujícím ovlivňuje různé konfigurace, úrovně výkonu a topologie elektrického vozidla, jako je pohon předních kol nebo pohon zadních kol, umístění baterie a vzdálenost mezi elektrickým zařízením a cestujícími atd.

Při zvažování možných škodlivých účinků expozice člověka elektromagnetickým polím mezinárodní organizace, včetně Světové zdravotnické organizace (WHO) a Mezinárodní komise pro ochranu před neionizujícím zářením (ICNIRP), stanovily směrnice EU IEEE limity pro maximální přípustnou expozici magnetickému poli veřejnost.

Frekvence (Hz)	Magnetická 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

Níže je tabulka zobrazující maximální povolené úrovně magnetického pole pro širokou veřejnost podle standardu IEEE

Pracovní znamená lidé, kteří jsou vystaveni EMF při provádění svých běžných pracovních činností.

Široká veřejnost znamená zbytek veřejnosti, která není vystavena elektromagnetickému poli z povolání

Orientační hodnoty nemají za normálních pracovních podmínek žádné nepříznivé účinky na zdraví osob, které nemají aktivní implantovaný zdravotnický prostředek nebo jsou těhotné. To odpovídá intenzitě pole.

Akční hodnota způsobuje některé efekty vystavené těmto úrovním. To odpovídá maximálnímu přímo měřitelnému poli.

• Hodnota Action je v zásadě vyšší než hodnota Orientace.
• Hodnoty expozice veřejnosti na pracovišti jsou vyšší než hodnoty pro úroveň expozice veřejnosti.

Zkoušky elektromagnetické kompatibility

Je třeba provést testování EMC, aby se ověřilo, zda elektrické vozidlo splňuje požadované normy nebo ne . Laboratorní zkoušky a silniční zkoušky se provádějí na elektrických vozidlech za účelem posouzení EMC. Tyto testy zahrnují testy emisí, citlivosti a odolnosti.

Jsou prováděny laboratorní testy k charakterizaci emisí a citlivosti magnetického pole ze všech palubních elektrických zařízení ve zkušební komoře EMC. Tyto komory jsou bezodrazové a dozvukové.

Pro zkoušení prováděných emisí zahrnují převodníky síťovou stabilizační síťovou impedanci (LISN) nebo umělou síťovou síť (AMN). Pro testování vyzařovaných emisí se jako měniče používají antény. Vyzařované emise se měří ve všech směrech kolem testovaného zařízení (DUT).

Testování citlivosti využívá vysoce výkonný zdroj RF EM energie a vyzařovací anténu k směrování elektromagnetické energie na DUT. Při provádění testu na elektrickém vozidle kromě testovaného zařízení (DUT) se vše vypne a poté se změří magnetické pole.

Vnější testy se provádějí v reálném světě na podmínkách jízdy na silnici. V těchto testech musí testované vozidlo jet s maximálním zrychlením a zpomalováním, aby byl zajištěn maximální proud během trakce a rekuperačního brzdění. Tyto zkoušky budou provedeny na přímé silnici, kde je magnetické pole v důsledku Země konstantní, a v některých případech na silnicích se strmým sklonem. Při zkouškách na silnicích musíme identifikovat vnější magnetické poruchy z externích zdrojů, jako jsou železniční tratě, poklopy šachet a další automobily, zařízení pro distribuci energie, vysokonapěťová přenosová vedení a výkonové transformátory.

Navrhujte pokyny pro lepší EMC a pro snížení EMI

• DC kabely, které vedou vysoké proudy, by měly být vyráběny ve zkroucené formě, aby proud v tomto kabelu protékal opačným směrem a minimalizoval emise EMF.
• Třífázové střídavé kabely by měly být zkroucené a musí být umístěny co nejblíže, aby se z nich minimalizovala emise EMF.
• A všechny tyto napájecí kabely musí být umístěny co nejdále od oblasti sedadla spolujezdce. A tato spojení by neměla tvořit smyčku.
• Pokud je vzdálenost mezi sedadly spolujezdce a kabelem menší než 200 mm, musí být použito stínění.
• Motory musí být umístěny dále od oblasti sedadla spolujezdce a osa otáčení motoru by neměla směřovat k oblasti sedadla spolujezdce.
• Protože ocel má lepší stínící účinek, pokud to místo hliníku dovoluje hmotnost, je třeba pro motor použít ocelové kovové pouzdro.
• Pokud je vzdálenost mezi oblastí motoru a sedadla spolujezdce menší než 500 mm, je třeba použít stínění jako ocelový plech mezi oblastí motoru a sedadla spolujezdce.
• Skříň motoru by měla být správně uzemněna k podvozku, aby se minimalizoval elektrický potenciál.
• Aby se minimalizovala délka kabelu mezi střídačem a motorem, namontovali se co nejblíže k sobě.
• Pro potlačení rázového napětí, proudu na hřídeli a vyzařovaného šumu by měl být ke svorkám motoru připojen ovladač hluku EMI.
• Digitální digitální EMI filtr je třeba integrovat do digitálního řadiče převodníku DC-DC, aby se nabila nízkonapěťová baterie a zajistil se výrazný útlum EMI.
• Pro potlačení EMI během bezdrátového nabíjení bylo vyvinuto rezonanční reaktivní stínění. Zde únikové magnetické pole prochází rezonančními reaktivními stínícími cívkami takovým způsobem, že indukovaný EMF v každé stínící cívce může rušit dopadající EMF a únik magnetického pole lze účinně potlačit bez spotřeby další energie.
• K ochraně emise elektromagnetického pole ze systému WPT byly vyvinuty technologie vodivého stínění, magnetického stínění a aktivního stínění.
• Pro elektrická vozidla byl vyvinut EMI regulátor hluku, který je připevněn na svorkách motoru k potlačení rázového napětí, proudu na hřídeli a vyzařovaného hluku.