Elektromagnetisk kompatibilitet i elektriske kjøretøyer

Når strømmen går gjennom en leder, skaper den elektromagnetiske felt, og nesten alle elektroniske enheter som TV-er, vaskemaskiner, induksjonsovn, trafikklys, mobiltelefoner, minibanker og bærbare datamaskiner osv., Vil avgi elektromagnetiske felt. Fossilt drevne kjøretøy lider også av elektromagnetisk forstyrrelse (EMI) - tenningssystemet, startmotoren og bryterne forårsaker bredbånds EMI og elektroniske enheter forårsaker smalbånds EMI. Men sammenlignet med ICE (Internal Combustion Engine) biler, er elektriske kjøretøyer en kombinasjon av forskjellige delsystemer og elektroniske komponenter som batteri, BMS, DC-DC omformer, inverter, elektrisk motor, kraftige kabler fordelt rundt kjøretøyet og ladere, alle disse arbeider med høyt effekt- og frekvensnivå som forårsaker utslipp av høyt nivå lavfrekvent EMI.

Hvis vi observerer kraften og spenningsnivåene til tilgjengelige elektriske biler, er effektverdiene mellom noen titalls KW til hundrevis av KW, mens spenningsnivåene er i hundrevis av volt, slik at strømnivået vil være i hundrevis av ampere, noe som forårsaker sterkere magnetfelt.

• Nissan LEAF har 125 kW bakhjulsdrift på 400 V _DC
• BMW i3 har 125 kW bakhjulsdrift fungerer på 500 V _DC
• Tesla modell S har 235 kW bakhjulsdrift som fungerer på 650 V _DC
• Toyota Prius (3. generasjon) har 74 kW forhjulsdrift på 400 V _DC
• Toyota Prius PHV har forhjulsdrift på 60 kW og fungerer på 350 V _DC
• Chevrolet Volt PHV har forhjulsdrift på 55 kW (x2) som fungerer på 400 V _DC

La oss vurdere et elektrisk kjøretøy med 100 kW elektrisk stasjon som opererer ved 400 V, betyr at den har en strøm på 250 A som skaper et sterkt magnetfelt. Under utformingen av kjøretøyet må vi vurdere EMC (elektromagnetisk kompatibilitet) av alle disse delsystemene og komponentene for å sikre komponentsikkerhet sammen med levende vesens sikkerhet.

Vilkår og definisjoner relatert til EMC og EMI

EMC (elektromagnetisk kompatibilitet) til en enhet eller utstyr betyr at den er i stand til å ikke bli påvirket av elektromagnetisk felt (EMF) og ikke påvirke andre systemdrift med EMF når den fungerer i elektromagnetiske omgivelser. EMC representerer problemer med elektromagnetisk utslipp, mottakelighet, immunitet og kobling.

Elektromagnetisk utslipp betyr generering og frigjøring av elektromagnetisk energi til miljøet. Uønsket utslipp forårsaker forstyrrelser eller forstyrrelser i andre elektroniske enhetsdrift som fungerer i samme miljø, dvs. kjent som elektromagnetisk interferens (EMI).

Elektromagnetisk følsomhet for en enhet indikerer at den er sårbar overfor uønskede utslipp og forstyrrelser som forårsaker funksjonsfeil eller ødeleggelse av enheten. Hvis en enhet er mer utsatt, betyr den at den er mindre immun mot elektromagnetisk interferens.

Elektromagnetisk immunitet til en enhet betyr at dens evne til å fungere normalt i nærvær av elektromagnetiske omgivelser uten å oppleve forstyrrelser eller ødelegge på grunn av elektromagnetiske utslipp fra en annen elektronisk enhet.

Elektromagnetisk kobling betyr mekanisme for en enhets utsendte elektromagnetiske felt som når eller forstyrrer en annen enhet.

Kilder til elektromagnetisk interferens (EMI) i EV

• Kraftomformere er kjent for å være den viktigste kilden til elektromagnetisk interferens i elektriske drivsystemer. Disse har høyhastighets-vekslingsenhet, for eksempel konvensjonelle Isolerte Gate Bipolare Transistorer (IGBT) fungerer ved frekvenser fra 2 til 20 kHz, raske IGBT kan fungere opptil 50 kHz og SiC MOSFET kan til og med arbeide frekvenser over 150 KHz.
• Elektriske motorer som opererer på høyt effektnivå forårsaker elektromagnetiske utslipp, og det fungerer som vei for EM-støy gjennom impedansen. Og denne impedansen endres som en funksjon av frekvensen. Ettersom elektriske motorstasjoner bruker strømomformere med høyhastighets PWM-bryteroperasjon, oppstår det overspenninger ved motorterminalene, som forårsaker utstrålt EM-støy. Og akselstrømmen kan forårsake skade på motorlagrene og funksjonsfeil i kjøretøykontrollen.
• Når trekkbatterier fordeles, blir strømmen i batteriene og i sammenkoblingene en viktig kilde for EMF-utslipp, og disse er hoveddelen av banen for EMI.
• Skjermede og uskjermede kabler som bærer høy strømnivå mellom forskjellige delsystemer som batteri til strømomformer, strømomformer til motor osv., I EV forårsaker sterkere magnetfelt. Ettersom ledig plass i EV for ledningsnett er begrenset, er høyspennings- og lavspenningskabler plassert nær hverandre og forårsaker elektromagnetisk interferens mellom dem.
• Batteriladere og trådløse ladeanlegg er de viktigste eksterne EMI-kildene bortsett fra EV intern EMI-kilde. Når trådløs kraftteknologi ble brukt for å lade EV, produserer et sterkt magnetfelt i området fra flere titalls til hundrevis av kilohertz for å overføre flere KW til titalls KWs kraft.

EMI-innvirkning på elektriske kjøretøyers elektroniske komponenter

I dag med fremskritt innen teknologi inneholder biler flere elektroniske komponenter og systemer for riktig drift og pålitelighet. Hvis vi ser den elektriske kjøretøyarkitekturen, er store mengder elektriske og elektroniske systemer plassert i et trangt rom. Dette forårsaker elektromagnetisk interferens eller kryssprat mellom disse systemene. Hvis EMC ikke vedlikeholdes ordentlig, kan disse systemene fungere eller til og med mislykkes i å fungere.

EMC

De fleste av EMC-standardene for biler er satt av Society of Automotive Engineers (SAE), International Standards Organization (ISO), International Electrotechnical Committee (IEC), Institute of Electrical and Electronics Engineers Standards Association ( IEEE -SA), Det europeiske fellesskap (EF) og FNs økonomiske kommisjon for Europa (UNECE).

ISO 11451 spesifiserer de generelle forhold, retningslinjer og grunnleggende prinsipper for å teste kjøretøyet for å bestemme immuniteten til ICE og elektriske kjøretøyer over elektrisk forstyrrelse smalbåndsutstrålt EMF.

ISO 11452 spesifiserer de generelle forhold, retningslinjer og grunnleggende prinsipper for å teste komponenten for å bestemme immuniteten til elektroniske komponenter i ICE og elektriske kjøretøyer over elektrisk forstyrrelse smalbåndsutstrålt EMF.

CISPR12 spesifiserer grensene og målemetodene for å teste utstrålte elektromagnetiske utslipp fra elektriske kjøretøyer, ICE-biler og båter.

CISPR25 spesifiserer grensene og metodene for å måle radioforstyrrelsesegenskapene og prosedyren for å teste kjøretøyet for å bestemme RI / RE-nivåene for beskyttelse av mottakere som brukes om bord i kjøretøyer.

SAE J551 -1 spesifiserer ytelsesnivåer og målemetoder for EMC for kjøretøy og enheter (60Hz-18GHz).

SAE J551 -2 spesifiserer testgrenser og målemetoder for radioforstyrrelsesegenskaper (utslipp) for kjøretøy, motorbåter og gnisttente motordrevne enheter.

SAE J551-4 spesifiserer testgrenser og målemetoder for radioforstyrrelsesegenskaper for kjøretøy og enheter, bredbånd og smalbånd, 150 KHz til 1000 MHz.

SAE J551-5 spesifiserer ytelsesnivåer og metoder for måling av magnetisk og elektrisk feltstyrke fra elektriske kjøretøy, 9 kHz til 30MHz.

SAE J551-11 spesifiserer kjøretøyets elektromagnetiske immunitet-Off-kilde.

SAE J551- 13 spesifiserer elektromagnetisk immunitet- bulkstrøminjeksjon for kjøretøy.

SAE J551- 15 spesifiserer elektromagnetisk immunitet-elektrostatisk utladning fra kjøretøy som skal gjøres i skjermet rom.

SAE J551- 17 spesifiserer kjøretøyets elektromagnetiske immunitets-kraftlednings magnetiske felt.

2004/144 EF - Vedlegg IV spesifiserer målemetode for utstrålt bredbåndsutslipp fra kjøretøy.

2004/144 EF - Vedlegg V spesifiserer målemetode for utstrålt smalbåndsutslipp fra kjøretøy.

2004/144 EF - Vedlegg VI spesifiserer testmetoden for kjøretøyers immunitet mot elektromagnetisk stråling.

AIS-004 (del 3) gir krav til elektromagnetisk kompatibilitet i biler.

AIS-004 (del 3) Vedlegg 2 forklarer målemetoden for utstrålt bredbånds elektromagnetiske utslipp fra kjøretøyer.

AIS-004 (del 3) Vedlegg 3 forklarer målemetoden for utstrålt smalbånds elektromagnetiske utslipp fra kjøretøyer.

AIS-004 (del 3) Vedlegg 4 forklarer testmetoden for kjøretøyers immunitet mot elektromagnetisk stråling.

AIS-004 (del 3) Vedlegg 5 forklarer målemetoden for utstrålt bredbånds elektromagnetiske utslipp fra elektriske / elektroniske delaggregater.

AIS-004 (del 3) Vedlegg 6 forklarer målemetoden for utstrålt smalbånds elektromagnetiske utslipp fra elektriske / elektroniske underenheter.

Grenser for eksponering av elektromagnetiske felt for mennesker

Elektriske kjøretøy produserer ikke-ioniserende elektromagnetisk stråling som ikke påvirker menneskers helse i kort tid. Men i lang tid eksponering hvis det utstrålte magnetfeltet er mer enn standardgrensene, påvirker det menneskers helse. Så når du designer elektriske kjøretøy, må farene med magnetfelteksponering tas i betraktning.

Elektromagnetisk eksponering for passasjerer påvirkes av forskjellige konfigurasjoner, effektnivåer og topologier for elektriske kjøretøy som forhjulsdrift eller bakhjulsdrift, plassering av batteri og avstanden mellom kraftutstyr til passasjerene osv.

Ved å vurdere mulige skadelige effekter av menneskelig eksponering for elektromagnetiske felt internasjonale organisasjoner, inkludert Verdens helseorganisasjon (WHO) og Den internasjonale kommisjonen for ikke-ioniserende strålebeskyttelse (ICNIRP), EU-direktiver, har IEEE spesifisert grenser for maksimal tillatt magnetisk felteksponering for offentlig.

Frekvens (Hz)	Magnetiske felt H (AM -1)	Magnetisk flytdensitet B (T)
<0,153 Hz	9,39 x 10 4	118 x 10 -3
0,153 -20Hz	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

Nedenfor er tabellen som viser maksimalt tillatte magnetiske feltnivåer for allmennheten i henhold til IEEE-standarden

Yrkesmessig betyr mennesker som blir utsatt for EMF mens de gjør sine vanlige jobbaktiviteter.

Med allmennheten menes resten av publikum enn yrke utsatt for elektromagnetiske felt

Orienteringsverdier har ingen skadelig helseeffekt under normale arbeidsforhold og for personer som ikke har noe aktivt implantert medisinsk utstyr eller er gravide. Disse tilsvarer feltstyrken.

Handlingsverdi forårsaker noen effekter som er utsatt for disse nivåene. Disse tilsvarer det maksimale direkte målbare feltet.

• I utgangspunktet er Handlingsverdi høyere enn Retningsverdi.
• Verdiene for yrkesmessig eksponering er høyere enn de for allmennhetens eksponeringsnivå.

Elektromagnetiske kompatibilitetstester

EMC-testing må gjøres for å sjekke om elektriske kjøretøy følger de nødvendige standardene eller ikke . Laboratorietester og veitester utføres på elektrisk kjøretøy for å vurdere EMC. Disse testene består av utslipp, følsomhet og immunitetstester.

Laboratorietester gjøres for å karakterisere magnetfeltutslipp og følsomhet fra alt det innebygde elektriske utstyret i et EMC-testkammer. Disse kamrene er anekoiske og etterklangstyper.

For utført utslippstesting inkluderer transdusere linjen impedans stabiliseringsnettverk (LISN) eller kunstig strømnett (AMN) brukes. For testing av utstrålt utslipp brukes antenner som svinger. Utstrålt utslipp måles i alle retninger rundt enheten som testes (DUT).

Følsomhetstesting bruker kraftig kilde til RF EM-energi og en utstrålingsantenne for å lede den elektromagnetiske energien til DUT. Mens du gjør test på elektrisk kjøretøy, bortsett fra enheten som testes (DUT), blir alt slått av, og deretter måles magnetfeltet.

Utenfor tester blir utført i en reell verden på kjøreforhold. I disse testene må kjøretøyet som testes kjøre med maksimal akselerasjon og retardasjon for å sikre maksimal strøm under trekkraft og regenerativ bremsing. Disse testene vil bli utført på rett vei der magnetfeltene på grunn av jorden er konstante og i noen tilfeller på bratte skråningsveier. Mens vi gjør på veiprøver, må vi identifisere eksterne magnetiske forstyrrelser fra eksterne kilder som jernbanelinjer, kumlokk og andre biler, kraftdistribusjonsutstyr, høyspent overføringslinjer og transformatorer.

Design retningslinjer for bedre EMC og for å senke EMI

• DC-kabler som bærer høye strømmer, bør gjøres i vridd form slik at strømmen i denne kabelstrømmen i motsatt retning resulterer i minimering av EMF-utslipp.
• Tre-faset vekselstrømskabler skal være vridd og må plasseres så nært som mulig for å minimere EMF-utslipp fra dem.
• Og alle disse strømkablene må plasseres så langt unna passasjerseteregionen. Og disse forbindelsene skal ikke danne en løkke.
• Hvis avstanden mellom passasjerseter og kabel er mindre enn 200 mm, må skjerming tas i bruk.
• Motorer må plasseres lenger unna passasjerseteområdet, og motorens rotasjonsakse skal ikke peke mot passasjerseteområdet.
• Ettersom stål har bedre skjermingseffekt, må det brukes stålmetallhus til motoren hvis vekten tillater det i stedet for aluminium.
• Hvis avstanden mellom motor- og passasjerseteområdet er mindre enn 500 mm, må det benyttes skjerming som stålplate mellom motor- og passasjerseteområdet.
• Motorhuset skal jordes til chassiset riktig for å minimere elektrisk potensial.
• For å minimere kabellengden mellom omformeren og motoren monterte de så nær hverandre som mulig.
• For å undertrykke overspenningen, akselstrømmen og utstrålt støy, bør en EMI-støykontroller være festet til motorterminalene.
• Et digitalt aktivt EMI-filter må integreres i den digitale kontrolleren til en DC-DC-omformer for å lade lavspenningsbatteriet og for å gi betydelig EMI-demping.
• For å undertrykke EMI under trådløs lading har man utviklet resonansreaktiv skjerming. Her passerer lekkasjemagnetfeltet gjennom de resonansreaktive skjoldspolene på en slik måte at den induserte EMF i hver skjoldspole kan avbryte den innfallende EMF og magnetfeltlekkasjen kan effektivt undertrykkes uten å forbruke ekstra kraft.
• Ledende skjerming, magnetisk skjerming og aktiv skjermingsteknologi er utviklet for å skjerme det elektromagnetiske feltutslippet fra WPT-systemet.
• Det er utviklet en EMI-støykontroller for elektriske kjøretøyer, som er festet på motorterminalene for å undertrykke overspenningen, akselstrømmen og utstrålt støy.