Електромагнитна съвместимост в електрически превозни средства

Когато токът премине през проводник, той създава електромагнитни полета и почти всички електронни устройства като телевизори, перални машини, индукционна печка, светофари, мобилни телефони, банкомати и лаптопи и др., Ще излъчват електромагнитни полета. Превозните средства с изкопаеми горива също страдат от електромагнитни смущения (EMI) - запалителната система, стартерът и превключвателите причиняват широколентов EMI, а електронните устройства причиняват теснолентови EMI. Но в сравнение с автомобилите ICE (двигател с вътрешно горене), електрическите превозни средства са комбинация от различни подсистеми и електронни компоненти като батерия, BMS, DC-DC преобразувател, инвертор, електродвигател, мощни кабели, разпределени около автомобила и зарядни устройства, всички тези работят при високи нива на мощност и честота, което води до излъчване на високочестотни нискочестотни EMI.

Ако наблюдаваме мощността и напрежението на наличните електрически превозни средства, мощностите са между няколко десетки KW до стотици KW, докато номиналните стойности са в стотици волта, така че нивата на тока ще бъдат в стотици ампери, което причинява по-силни магнитни полета

• Nissan LEAF има 125 kW задно задвижване, работещо на 400 V _DC
• BMW i3 има 125 kW задвижване на задните колела работи на 500 V _DC
• Моделът Tesla има 235 kW задно задвижване работи на 650 V _DC
• Toyota Prius (3-то поколение) има 74 kW задвижване на предните колела на 400 V _DC
• Toyota Prius PHV има задвижване на предните колела с мощност 60 kW и работи на 350 V _DC
• Chevrolet Volt PHV има задвижване на предните колела с мощност 55 kW (x2) и работи на 400 V _DC

Нека разгледаме електрическо превозно средство със 100KW електрическо задвижване, работещо при 400V, означава, че токът е 250A, което създава силно магнитно поле. Докато проектираме превозното средство, трябва да оценим EMC (електромагнитна съвместимост) на всички тези подсистеми и компоненти, за да осигурим безопасността на компонентите заедно с безопасността на живите същества.

Термини и определения, свързани с EMC и EMI

EMC (електромагнитна съвместимост) на устройство или оборудване означава, че способността му да не бъде засегната от електромагнитно поле (EMF) и да не влияе на работата на други системи с неговата EMF, когато работи в електромагнитна среда. EMC представлява проблеми с електромагнитното излъчване, чувствителността, имунитета и свързването.

Електромагнитна емисия означава генериране и освобождаване на електромагнитна енергия в околната среда. Всяко нежелано излъчване причинява смущения или смущения в работата на друго електронно устройство, което работи в същата среда, т.е. известно като Електромагнитни смущения (EMI).

Електромагнитната чувствителност на дадено устройство показва неговата уязвимост към нежелани емисии и смущения, които причиняват неизправност или повреда на устройството. Ако дадено устройство е по-податливо означава, че то е по-малко имунизирано срещу електромагнитни смущения.

Електромагнитният имунитет на дадено устройство означава способността му да работи нормално в присъствието на електромагнитна среда, без да изпитва смущения или повреда поради електромагнитните емисии от друго електронно устройство.

Електромагнитно свързване означава механизъм на излъчваното от едно устройство електромагнитно поле, което достига или пречи на друго устройство.

Източници на електромагнитни смущения (EMI) в EV

• Известно е, че преобразувателите на енергия са основният източник на електромагнитни смущения в електрическите задвижващи системи. Те имат високоскоростно превключващо устройство, например конвенционалните биполярни транзистори с изолирана порта (IGBT) работят на честоти от 2 до 20 kHz, бързите IGBT могат да работят до 50 kHz, а SiC MOSFET дори могат да работят на честоти над 150 KHz.
• Електрическите двигатели, които работят при високи нива на мощност, причиняват електромагнитни емисии и действат като път за ЕМ шум чрез своя импеданс. И този импеданс се променя като функция от честотата. Тъй като електромоторните задвижвания използват силови инвертори с високоскоростна ШИМ превключваща операция, на клемите на двигателя се появяват импулсни напрежения, които причиняват излъчвания EM шум. А токът на вала може да причини повреда на лагерите на двигателя и неизправност на контролера на автомобила.
• Тъй като тяговите батерии се разпределят, токовете в акумулаторите и междусистемните връзки стават важен източник за емисии на ЕМП и това са основната част от пътя за ЕМИ.
• Екранирани и неекранирани кабели, носещи високо ниво на ток между различни подсистеми като преобразувател на батерия в мощност, преобразувател на мощност в двигател и т.н., в EV предизвикват по-силни магнитни полета. Тъй като наличното пространство в EV за окабеляване е ограничено, кабелите с високо напрежение и ниско напрежение са разположени близо един до друг и причиняват електромагнитни смущения между тях.
• Зарядните устройства за батерии и съоръженията за безжично зареждане са основните външни EMI източници, освен EV вътрешния EMI източник. Когато се използва технология за безжично захранване за зареждане на EV, силно магнитно поле в диапазона от няколко десетки до стотици килогерца произвежда, за да прехвърли няколко KW на десетки KW мощност.

Въздействие на EMI върху електронните компоненти на електрическите превозни средства

В днешно време с напредъка в технологиите автомобилите съдържат повече електронни компоненти и системи за правилна работа и надеждност. Ако видим архитектурата на електрическото превозно средство, голямо количество електрически и електронни системи, поставени в ограничено пространство. Това причинява електромагнитни смущения или кръстосани разговори между тези системи. Ако EMC не се поддържа правилно, тези системи могат да повредят или дори да не работят.

EMC

Повечето от автомобилните EMC стандарти са определени от Обществото на автомобилните инженери (SAE), Международната организация по стандартизация (ISO), Международния електротехнически комитет (IEC), Института по стандартизация на инженерите по електротехника и електроника ( IEEE -SA), Европейската общност (ЕО) и Икономическата комисия на ООН за Европа (ИКЕ на ООН).

ISO 11451 определя общите условия, насоки и основни принципи за изпитване на превозното средство, за да се определи устойчивостта на ICE и електрическите превозни средства срещу електрически смущения, излъчвани EMF.

ISO 11452 определя общите условия, насоки и основни принципи за изпитване на компонента, за да се определи устойчивостта на електронните компоненти на ICE и електрическите превозни средства срещу електрически смущения, излъчвани EMF.

CISPR12 определя границите и методите за измерване за тестване на излъчените електромагнитни излъчвания от електрически превозни средства, ICE превозни средства и лодки.

CISPR25 определя границите и методите за измерване на характеристиките на радио смущения и процедурата за тестване на превозното средство за определяне на нивата на RI / RE за защита на приемниците, използвани на борда на превозни средства.

SAE J551 -1 определя нива на производителност и методи за измерване на EMC на превозни средства и устройства (60Hz-18GHz).

SAE J551 -2 определя границите на изпитване и методите за измерване на характеристиките на радио смущения (емисии) на превозни средства, моторни лодки и двигатели, задвижвани от искри.

SAE J551-4 определя граници на изпитване и методи за измерване на характеристиките на радиосмущения на превозни средства и устройства, широколентови и теснолентови, 150 KHz до 1000 MHz.

SAE J551-5 определя нивата на ефективност и методите за измерване на магнитното и електрическото напрежение на полето от електрически превозни средства, 9 kHz до 30MHz.

SAE J551-11 определя източника на електромагнитна устойчивост на превозното средство на автомобила.

SAE J551- 13 указва превозно средство електромагнитно имунитет-токовия инжектор.

SAE J551- 15 указва превозно средство електромагнитно имунитет-електростатичен разряд, което ще бъде направено в екранирана стая.

SAE J551- 17 specifiesvehicle електромагнитна имунитет-електропровода магнитни полета.

2004/144 ЕО - Приложение IV определя метод за измерване на излъчени широколентови емисии от превозни средства.

2004/144 ЕО - Приложение V определя метод за измерване на излъчени теснолентови емисии от превозни средства.

2004/144 ЕО - Приложение VI определя метод за изпитване за устойчивост на превозните средства срещу електромагнитно излъчване.

AIS-004 (част 3) предоставя изисквания за електромагнитна съвместимост в автомобилните превозни средства.

AIS-004 (част 3) Приложение 2 обяснява метода за измерване на излъчени широколентови електромагнитни емисии от превозни средства.

AIS-004 (Част 3) Приложение 3 обяснява метода за измерване на излъчени теснолентови електромагнитни емисии от превозни средства.

AIS-004 (част 3) Приложение 4 обяснява метода за изпитване за устойчивост на превозните средства срещу електромагнитно излъчване.

AIS-004 (Част 3) Приложение 5 обяснява метода за измерване на излъчени широколентови електромагнитни емисии от електрически / електронни модули.

AIS-004 (Част 3) Приложение 6 обяснява метода за измерване на излъчени теснолентови електромагнитни емисии от електрически / електронни модули.

Граници на излагане на електромагнитни полета на хората

Електрическите превозни средства произвеждат нейонизиращи електромагнитни лъчения, които не оказват влияние върху човешкото здраве за кратко време. Но при продължителна експозиция, ако излъченото магнитно поле е повече от стандартните граници, това влияе на човешкото здраве. Така че, при проектирането на електрическо превозно средство трябва да се вземат предвид опасностите с излагане на магнитно поле.

Електромагнитното излагане на пътниците се влияе от различни конфигурации, нива на мощност и топологии на електрическо превозно средство, като задвижване на предни колела или задно задвижване, разположение на батерията и разстоянието между електрическото оборудване до пътниците и т.н.

Като разглеждат възможните вредни ефекти от излагането на човека на електромагнитни полета, международни организации, включително Световната здравна организация (СЗО) и Международната комисия за защита от нейонизиращо лъчение (ICNIRP), директивите на ЕС, IEEE са посочили граници на максимално допустимото излагане на магнитно поле на публично.

Честота (Hz)	Магнитни полета H (AM -1)	Плътност на магнитния поток B (T)
<0,153 Hz	9,39 x 10 4	118 х 10 -3
0,153 -20Hz	1,44 x 10 4 / f	18,1 x 10-3 / f
20- 759 Hz	719	0,904 х 10 -3
759 Hz - 3KHz	5,47 x 105 / f	687 x 10 -3 / f

По-долу е таблицата, показваща максимално допустимите нива на магнитно поле за широката общественост съгласно стандарта IEEE

Професионален означава хора, които са изложени на ЕМП, докато извършват редовните си работни дейности.

Широката общественост означава останалата част от обществеността, различна от професионална, изложена на електромагнитни полета

Ориентационните стойности нямат неблагоприятен ефект върху здравето при нормални работни условия и за лица, които нямат активно имплантирано медицинско изделие или са бременни. Те съответстват на силата на полето.

Стойността на действието причинява някои ефекти, изложени на тези нива. Те съответстват на максимално директно измеримото поле.

• По принцип стойността на Action е по-висока от стойността на Orientation.
• Стойностите на професионалната обществена експозиция са по-високи от тези за общото ниво на обществена експозиция.

Тестове за електромагнитна съвместимост

Трябва да се направи EMC тестване, за да се провери дали електрическото превозно средство отговаря на необходимите стандарти или не . Лабораторни тестове и пътни тестове се извършват на електрически превозни средства за оценка на ЕМС. Тези тестове се състоят от тестове за емисии, чувствителност и имунитет.

Правят се лабораторни тестове, за да се характеризират емисиите на магнитно поле и чувствителността на всички бордови електрически съоръжения в EMC камера за изпитване. Тези камери са анехогенни и реверберационни.

За проведено изпитване на емисии преобразувателите включват мрежа за стабилизиране на импеданса на линията (LISN) или се използва мрежа от изкуствени мрежи (AMN). За изпитване на излъчени излъчвания антените се използват като преобразуватели. Излъчените емисии се измерват във всички посоки около тестваното устройство (DUT).

Изпитването за чувствителност използва мощни източници на радиочестотна EM енергия и излъчваща антена за насочване на електромагнитната енергия към DUT. Докато правите тест на електрическо превозно средство, с изключение на тестваното устройство (DUT), всичко ще бъде изключено и след това ще бъде измерено магнитното поле.

Външните тестове се правят в реалния свят на условията на шофиране. При тези тестове изпитваното превозно средство трябва да се движи с максимално ускорение и забавяне, за да осигури максимален ток по време на сцепление и регенеративно спиране. Тези тестове ще се извършват на прав път, където магнитните полета, дължащи се на земята, са постоянни и в някои случаи на пътища със стръмен наклон. Докато правим пътни тестове, трябва да идентифицираме външните магнитни смущения от външни източници като железопътни линии, капаци на шахти и други автомобили, съоръжения за разпределение на енергия, далекопроводи за високо напрежение и силови трансформатори.

Проектирайте насоки за по-добра EMC и за намаляване на EMI

• DC кабелите, носещи високи токове, трябва да бъдат направени в усукана форма, така че токът в този кабел да протича в обратна посока, да доведе до минимизиране на EMF емисията.
• Трифазните променливотокови кабели трябва да бъдат усукани и трябва да се поставят възможно най-близо, за да се сведе до минимум EMF емисията от тях.
• И всички тези захранващи кабели трябва да се поставят възможно най-далеч от района на пътническите седалки. И тези връзки не трябва да образуват цикъл.
• Ако разстоянието между пътническите седалки и кабела е по-малко от 200 mm, трябва да се използва екраниране.
• Двигателите трябва да бъдат разположени по-далеч от зоната на пътническите седалки, а оста на въртене на двигателя не трябва да сочи към зоната на пътническите седалки.
• Тъй като стоманата има по-добър екраниращ ефект, ако теглото позволява вместо алуминий, за мотора трябва да се използва метален корпус от стомана.
• Ако разстоянието между зоната на мотора и пътническата седалка е по-малко от 500 mm, трябва да се използва екранирана като стоманена плоча между зоната на мотора и пътническата седалка.
• Корпусът на двигателя трябва да бъде заземен към шасито правилно, за да сведе до минимум електрическия потенциал.
• За да се сведе до минимум дължината на кабела между инвертора и двигателя, те са монтирани възможно най-близо един до друг.
• За да се потисне пренапрежението, тока на вала и излъчения шум, към клемите на двигателя трябва да се прикрепи EMI контролер на шума.
• Цифров активен EMI филтър трябва да бъде интегриран в цифровия контролер на DC-DC преобразувател, за да зареди батерията с ниско напрежение и да осигури значително затихване на EMI.
• За потискане на EMI по време на безжично зареждане е разработено резонансно реактивно екраниране. Тук изтичането на магнитно поле преминава през резонансните реактивни екраниращи бобини по такъв начин, че индуцираната ЕМП във всяка екранираща намотка може да отмени падащата ЕМП и изтичането на магнитно поле може да бъде ефективно потиснато, без да се консумира допълнителна мощност.
• Проводими екраниращи, магнитни екраниращи и активни екраниращи технологии са разработени за екраниране на емисията на електромагнитното поле от WPT системата.
• За електрически превозни средства е разработен EMI контролер на шума, който е прикрепен към клемите на двигателя за потискане на напрежението от напрежение, тока на вала и излъчения шум.