Elektromagnetska kompatibilnost u električnim vozilima

Kad struja prolazi kroz vodič, on stvara elektromagnetska polja, a gotovo svi elektronički uređaji poput televizora, perilica rublja, indukcijskog štednjaka, semafora, mobilnih telefona, bankomata, prijenosnika itd. Emitirat će elektromagnetska polja. Vozila na fosilna goriva također pate od elektromagnetskih smetnji (EMI) - sustav paljenja, pokretački motor i prekidači uzrokuju širokopojasni EMI, a elektronički uređaji uskopojasni EMI. Ali u usporedbi s vozilima ICE (Motor s unutarnjim izgaranjem), električna vozila su kombinacija različitih podsustava i elektroničkih komponenata poput baterije, BMS-a, pretvarača DC-DC, pretvarača, elektromotora, kabela velike snage raspoređenih oko vozila i punjača, sve to rade na visokim razinama snage i frekvencije što uzrokuje emisiju visokofrekventnih EMI.

Ako promatramo ocjene snage i napona raspoloživih električnih vozila, ocjene snage su između nekoliko desetaka KW do stotina KW, dok su naponi u stotinama volti, tako da će razine struje biti u stotinama ampera, što uzrokuje jača magnetska polja

• Nissan LEAF ima pogon od 125 kW na stražnje kotače na 400 V _DC
• BMW i3 ima 125 kW pogona na stražnjim kotačima i radi na 500 V _DC
• Tesla model S ima 235 kW stražnjeg pogona na 650 V _DC
• Toyota Prius (3. generacija) ima 74 kW pogona na prednjim kotačima na 400 V _DC
• Toyota Prius PHV ima pogon na prednje kotače snage 60 kW i radi na 350 V _DC
• Chevrolet Volt PHV ima pogon na prednje kotače snage 55 kW (x2) i radi na 400 V _DC

Razmotrimo električno vozilo sa električnim pogonom od 100 kW koji radi na 400 V znači da ima struju od 250 A koja stvara jako magnetsko polje. Tijekom projektiranja vozila moramo procijeniti EMC (elektromagnetsku kompatibilnost) svih ovih podsustava i komponenata kako bismo osigurali sigurnost komponenata zajedno sa sigurnošću živih bića.

Pojmovi i definicije koji se odnose na EMC i EMI

EMC (Elektromagnetska kompatibilnost) uređaja ili opreme znači da njegova sposobnost neće biti pod utjecajem elektromagnetskog polja (EMF) i da neće utjecati na rad drugih sustava svojim EMF-om kada radi u elektromagnetskom okruženju. EMC predstavlja probleme elektromagnetske emisije, osjetljivosti, imuniteta i sprege.

Elektromagnetska emisija znači stvaranje i ispuštanje elektromagnetske energije u okoliš. Bilo koja neželjena emisija uzrokuje smetnje ili smetnje u radu drugih elektroničkih uređaja koji rade u istom okruženju, tj. Poznat kao Elektromagnetske smetnje (EMI).

Elektromagnetska osjetljivost uređaja ukazuje na njegovu ranjivost na neželjene emisije i smetnje koje uzrokuju kvar ili kvar uređaja. Ako je uređaj osjetljiviji, znači da je manje imun na elektromagnetske smetnje.

Elektromagnetska imunitet uređaja znači da može normalno raditi u prisutnosti elektromagnetskog okruženja, a da pri tome ne dođe do smetnji ili kvara zbog elektromagnetskih emisija iz drugog elektroničkog uređaja.

Elektromagnetska sprega znači mehanizam emitiranog elektromagnetskog polja jednog uređaja koji doseže ili ometa drugi uređaj.

Izvori elektromagnetskih smetnji (EMI) u EV

• Poznato je da su pretvarači snage glavni izvor elektromagnetskih smetnji u sustavima električnog pogona. Oni imaju sklopni uređaj velike brzine, npr. Konvencionalni bipolarni tranzistori s izoliranim vratima (IGBT) rade na frekvencijama u rasponu od 2 do 20 kHz, brzi IGBT-i mogu raditi do 50 kHz, a SiC MOSFET-ovi mogu raditi i na frekvencijama iznad 150 KHz.
• Električni motori koji rade na visokim razinama snage uzrokuju elektromagnetske emisije i djeluju kao put za EM buku kroz svoju impedansu. A ta se impedancija mijenja u ovisnosti o frekvenciji. Kako elektromotorni pogoni koriste pretvarače snage s brzim prebacivanjem PWM-a, na terminalima motora javljaju se prenaponski naponi koji uzrokuju zračenu EM buku. A struja osovine može prouzročiti oštećenje ležajeva motora i neispravnost regulatora vozila.
• Kako se vučne baterije raspodjeljuju, struje u baterijama i međuspojevima postaju značajan izvor EMF emisije i to je glavni dio putanje EMI.
• Zaštićeni i neoklopljeni kablovi koji nose struju visoke razine između različitih podsustava poput pretvarača baterije u pretvarač snage, pretvarača snage u motor itd., U EV uzrokuju jača magnetska polja. Budući da je raspoloživi prostor u EV za kabelski svežanj ograničen, visokonaponski i niskonaponski kabeli postavljeni su jedan blizu drugog što uzrokuje elektromagnetske smetnje između njih.
• Punjači baterija i uređaji za bežično punjenje glavni su vanjski EMI izvori, osim EV internog EMI izvora. Kada se tehnologija bežičnog napajanja primijeni za punjenje EV, snažno magnetsko polje u rasponu od nekoliko desetaka do stotina kiloherca proizvodi prijenos nekoliko KW na desetke KW snage.

Učinak EMI-ja na elektroničke komponente električnih vozila

Danas s napretkom tehnologije automobili sadrže više elektroničkih komponenata i sustava za pravilan rad i pouzdanost. Ako vidimo arhitekturu električnog vozila veliku količinu električnih i elektroničkih sustava smještenih u zatvoreni prostor. To uzrokuje elektromagnetske smetnje ili unakrsni razgovor između ovih sustava. Ako se EMC ne održava pravilno, ovi sustavi mogu pokvariti ili čak možda neće raditi.

EMC

Većina automobilskih EMC standardima su postavljena od strane društva automobilskih inženjera (SAE), Međunarodna organizacija za standardizaciju (ISO), Međunarodni elektrotehnički odbor (IEC), Institut za inženjera elektrotehnike Standardi pridruživanju ( IEEE -SA) je Europska zajednica (EK) i Ekonomska komisija Ujedinjenih naroda za Europu (UNECE).

ISO 11451 utvrđuje opće uvjete, smjernice i osnovna načela za ispitivanje vozila kako bi se utvrdila otpornost ICE i električnih vozila na električni smetnje uskopojasnog EMF-a.

ISO 11452 specificira opće uvjete, smjernice i osnovna načela za ispitivanje komponente radi utvrđivanja otpornosti elektroničkih komponenata ICE i električnih vozila na električne pojave EMF uskog pojasa.

CISPR12 određuje granice i metode mjerenja za ispitivanje zračenih elektromagnetskih emisija iz električnih vozila, ICE vozila i čamaca.

CISPR25 određuje ograničenja i metode za mjerenje karakteristika radio smetnji i postupak ispitivanja vozila kako bi se odredile razine RI / RE za zaštitu prijamnika koji se koriste u vozilima.

SAE J551 -1 određuje razine izvedbe i Metode mjerenja EMC-a vozila i uređaja (60Hz-18GHz).

SAE J551 -2 određuje ispitna ograničenja i metode mjerenja karakteristika radiosmetnji (emisija) vozila, motornih čamaca i uređaja pokrenutih motorom na svjećicu.

SAE J551-4 određuje ispitne granice i metode mjerenja karakteristika radiosmetanja vozila i uređaja, širokopojasnih i uskopojasnih, 150 KHz do 1000 MHz.

SAE J551-5 određuje razine performansi i metode mjerenja jakosti magnetskog i električnog polja električnih vozila, od 9 kHz do 30 MHz.

SAE J551-11 specificira izvor vozila s isključenim elektromagnetskim imunitetom.

SAE J551- 13 navodi se vozilo elektromagnetska otpornost-bulk tekući injekcija.

SAE J551- 15 navodi se vozilo elektromagnetska otpornost-elektrostatičkog pražnjenja koja će se obaviti u oklopljenom sobi.

SAE J551- 17 specifiesvehicle elektromagnetska otpornost snage linija magnetskog polja.

2004/144 EZ - Prilog IV. Određuje metodu mjerenja zračenih širokopojasnih emisija iz vozila.

2004/144 EZ - Prilog V. određuje metodu mjerenja zračenih uskopojasnih emisija iz vozila.

2004/144 EZ - Prilog VI. Određuje metodu ispitivanja otpornosti vozila na elektromagnetsko zračenje.

AIS-004 (dio 3) pruža zahtjeve za elektromagnetsku kompatibilnost u automobilskim vozilima.

AIS-004 (Dio 3) Prilog 2. objašnjava metodu mjerenja zračenih širokopojasnih elektromagnetskih emisija iz vozila.

AIS-004 (Dio 3) Prilog 3. objašnjava metodu mjerenja zračenih uskopojasnih elektromagnetskih emisija iz vozila.

AIS-004 (Dio 3) Prilog 4. objašnjava metodu ispitivanja otpornosti vozila na elektromagnetsko zračenje.

AIS-004 (Dio 3) Prilog 5. objašnjava metodu mjerenja zračenih širokopojasnih elektromagnetskih emisija iz električnih / elektroničkih podsklopova.

AIS-004 (Dio 3) Prilog 6. objašnjava metodu mjerenja zračenih uskopojasnih elektromagnetskih emisija iz električnih / elektroničkih podsklopova.

Ograničenja izloženosti elektromagnetskih polja ljudima

Električna vozila proizvode neionizirajuća elektromagnetska zračenja koja kratkotrajno ne utječu na ljudsko zdravlje. Ali dugotrajna izloženost ako je zračeno magnetsko polje više od standardnih granica, utječe na ljudsko zdravlje. Dakle, prilikom projektiranja električnog vozila moraju se uzeti u obzir opasnosti s izlaganjem magnetskom polju.

Elektromagnetska izloženost putnicima utječe na različite konfiguracije, razine snage i topologije električnog vozila poput pogona na prednje ili stražnje kotače, postavljanja baterije i udaljenosti između opreme za napajanje putnika, itd.

Razmatrajući moguće štetne učinke izloženosti ljudi elektromagnetskim poljima, međunarodne organizacije, uključujući Svjetsku zdravstvenu organizaciju (WHO) i Međunarodnu komisiju za zaštitu od neionizirajućih zračenja (ICNIRP), direktivama EU-a, IEEE odredile su ograničenja maksimalno dopuštene izloženosti magnetskom polju javnost.

Frekvencija (Hz)	Magnetska polja H (AM -1)	Gustoća magnetskog toka B (T)
<0,153 Hz	9,39 x 10 4	118 x 10 -3
0,153 -20Hz	1,44 x 10 4 / ž	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

Ispod je tablica koja prikazuje maksimalno dopuštene razine magnetskog polja za širu javnost prema IEEE standardu

Pod zanimanjem se podrazumijevaju ljudi koji su izloženi EMF-u dok obavljaju svoje redovne radne aktivnosti.

Opća javnost znači ostatak javnosti, osim onih koji su izloženi elektromagnetskim poljima

Vrijednosti orijentacije nemaju štetan učinak na zdravlje u normalnim radnim uvjetima i za osobe koje nemaju aktivni ugrađeni medicinski proizvod ili su trudne. To odgovara jačini polja.

Vrijednost akcije uzrokuje neke učinke izložene tim razinama. To odgovara maksimalnom izravno mjerljivom polju.

• U osnovi je vrijednost akcije veća od vrijednosti orijentacije.
• Vrijednosti javne izloženosti na radu veće su od vrijednosti za opću razinu izloženosti javnosti.

Ispitivanja elektromagnetske kompatibilnosti

Treba izvršiti EMC ispitivanje kako bi se provjerilo slijedi li električno vozilo tražene standarde ili ne . Laboratorijska ispitivanja i ispitivanja na cesti provode se na električnom vozilu kako bi se procijenila EMC. Ova ispitivanja sastoje se od ispitivanja emisija, osjetljivosti i imunosti.

Laboratorijska ispitivanja provode se kako bi se karakterizirale emisije magnetskog polja i osjetljivost sve ugrađene električne opreme u EMC ispitnoj komori. Te su komore anehogeni i tipovi odjeka.

Za provedena ispitivanja emisije, pretvarači uključuju linijsku mrežu za stabilizaciju impedancije (LISN) ili se koristi umjetna mrežna mreža (AMN). Za ispitivanje zračene emisije, antene se koriste kao pretvarači. Zračene emisije mjere se u svim smjerovima oko uređaja koji se ispituje (DUT).

Ispitivanje osjetljivosti koristi snažni izvor RF EM energije i zračnu antenu za usmjeravanje elektromagnetske energije na DUT. Tijekom ispitivanja na električnom vozilu, osim na uređaju koji se ispituje (DUT), sve će se isključiti i tada će se izmjeriti magnetsko polje.

Vanjski testovi rade se u stvarnom svijetu na uvjetima vožnje na cesti. U tim testovima vozilo koje se testira mora voziti s maksimalnim ubrzanjem i usporavanjem kako bi se osigurala maksimalna struja tijekom vuče i regenerativnog kočenja. Ta će se ispitivanja izvoditi na ravnoj cesti gdje su magnetska polja zbog zemlje konstantna, au nekim slučajevima i na cestama sa strmim nagibom. Tijekom ispitivanja na cestama moramo identificirati vanjske magnetske smetnje iz vanjskih izvora poput željezničkih pruga, poklopaca šahtova i drugih automobila, opreme za distribuciju električne energije, visokonaponskih dalekovoda i energetskih transformatora.

Dizajnirati smjernice za bolji EMC i za snižavanje EMI

• Istosmjerni kabeli koji nose velike struje trebaju biti izvedeni u uvijenom obliku tako da struja u ovom kabelu teče u suprotnom smjeru i rezultira minimalizacijom EMF emisije.
• Trofazni kabeli naizmjenične struje trebaju biti uvijeni i trebaju ih postaviti što bliže kako bi se smanjila EMF emisija iz njih.
• I svi ovi kabeli za napajanje moraju se postaviti što dalje od područja suvozačkih sjedala. I te veze ne bi trebale činiti petlju.
• Ako je udaljenost između putničkih sjedala i kabela manja od 200 mm, mora se primijeniti zaštita.
• Motori se trebaju postaviti dalje od područja suvozačevog sjedala, a os rotacije motora ne smije biti usmjerena prema području suvozačevog sjedala.
• Kako čelik ima bolji zaštitni učinak, ako težina dopušta umjesto aluminija, za motor treba koristiti čelično metalno kućište.
• Ako je udaljenost između područja sjedala motora i suvozača manja od 500 mm, između prostora motora i suvozača treba primijeniti štit poput čelične ploče.
• Kućište motora mora biti pravilno uzemljeno na šasiju kako bi se smanjio bilo kakav električni potencijal.
• Da bi se smanjila duljina kabela između pretvarača i motora koji su montirali što bliže jedni drugima.
• Da bi se suzbio prenaponski napon, struja osovine i zračena buka, na stezaljke motora treba biti priključen EMI kontroler buke.
• Digitalni aktivni EMI filtar mora biti integriran u digitalni kontroler istosmjernog i istosmjernog pretvarača za punjenje niskonaponske baterije i za osiguravanje značajnog EMI slabljenja.
• Kako bi se suzbio EMI tijekom bežičnog punjenja, razvijen je rezonantni reaktivni štit. Ovdje magnetsko polje curenja prolazi kroz rezonantne reaktivne zaštitne zavojnice na takav način da inducirani EMF u svakoj zaštitnoj zavojnici može poništiti upadni EMF, a curenje magnetskog polja može se učinkovito suzbiti bez trošenja dodatne snage.
• Provedene su tehnologije vodljive zaštite, magnetske zaštite i aktivne zaštite kako bi se zaštitila emisija elektromagnetskog polja iz WPT sustava.
• Za električna vozila razvijen je EMI kontroler buke, koji je pričvršćen na stezaljkama motora za suzbijanje prenaponskog napona, struje osovine i zračene buke.