Elektromagnetisk kompatibilitet i elektriske køretøjer

Når strøm passerer gennem en leder, skaber den elektromagnetiske felter, og næsten alle elektroniske enheder som tv'er, vaskemaskiner, induktionskomfur, trafiklys, mobiltelefoner, pengeautomater og bærbare computere osv. Udsender de elektromagnetiske felter. Fossilt drevne køretøjer lider også af elektromagnetisk interferens (EMI) - tændingssystemet, startmotoren og afbryderne forårsager bredbånds-EMI, og elektroniske enheder forårsager smalbånds-EMI. Men sammenlignet med ICE (Internal Combustion Engine) køretøjer, er elektriske køretøjer en kombination af forskellige undersystemer og elektroniske komponenter som batteri, BMS, DC-DC konverter, inverter, elmotor, kraftige kabler fordelt rundt om køretøjet og opladere, alle disse arbejder på høje effekt- og frekvensniveauer, hvilket forårsager emission af højt niveau lavfrekvent EMI.

Hvis vi observerer strømmen og spændingsklassificeringerne for tilgængelige elektriske køretøjer, er effektklassificeringerne mellem få titalls KW til hundreder af KW, mens spændingsgraderne er i hundreder af volt, så strømniveauerne vil være i hundreder af ampere, hvilket forårsager stærkere magnetfelter

Nissan LEAF har 125 kW baghjulstræk fungerer på 400 V _DC
BMW i3 har 125 kW baghjulstræk fungerer på 500 V _DC
Tesla model S har 235 kW baghjulstræk fungerer på 650 V _DC
Toyota Prius (3. generation) har 74 kW forhjulstræk fungerer på 400 V _DC
Toyota Prius PHV har forhjulstræk på 60 kW, der fungerer på 350 V _DC
Chevrolet Volt PHV har forhjulstræk på 55 kW (x2), der fungerer på 400 V _DC

Lad os overveje et elektrisk køretøj med 100 kW elektrisk drev, der fungerer ved 400 V, betyder, at det har en strøm på 250 A, hvilket skaber et stærkt magnetfelt. Mens vi designer køretøjet, skal vi vurdere EMC (elektromagnetisk kompatibilitet) af alle disse undersystemer og komponenter for at sikre komponentsikkerhed sammen med levende væseners sikkerhed.

Vilkår & definitioner relateret til EMC og EMI

EMC (elektromagnetisk kompatibilitet) af et udstyr eller udstyr betyder, at det er evnen til ikke at blive påvirket af elektromagnetisk felt (EMF) og ikke påvirke andre systemers drift med dets EMF, når det fungerer i et elektromagnetisk miljø. EMC repræsenterer elektromagnetisk emission, modtagelighed, immunitet og koblingsproblemer.

Elektromagnetisk emission betyder produktion og frigivelse af elektromagnetisk energi til miljøet. Enhver uønsket emission forårsager interferens eller forstyrrelser i andre elektroniske enhedsfunktioner, der fungerer i det samme miljø, dvs. kendt som elektromagnetisk interferens (EMI).

Elektromagnetisk følsomhed for en enhed indikerer, at den er sårbar over for uønskede emissioner og interferens, der forårsager funktionsfejl eller nedbrydning af enheden. Hvis en enhed er mere modtagelig, betyder det, at den er mindre immun over for elektromagnetisk interferens.

Elektromagnetisk immunitet for en enhed betyder, at den er i stand til at fungere normalt i nærværelse af elektromagnetiske omgivelser uden at opleve interferens eller nedbrud på grund af elektromagnetiske emissioner fra en anden elektronisk enhed.

Elektromagnetisk kobling betyder mekanisme for en enheds udsendte elektromagnetiske felt, der når eller forstyrrer en anden enhed.

Kilder til elektromagnetisk interferens (EMI) i EV

Power Converters er kendt for at være den vigtigste kilde til elektromagnetisk interferens i elektriske drevsystemer. Disse har højhastighedsomskifterenhed, f.eks. Konventionelle isolerede portbipolære transistorer (IGBT) arbejder ved frekvenser fra 2 til 20 kHz, hurtige IGBT'er kan arbejde op til 50 kHz, og SiC MOSFET'er kan endda arbejde frekvenser over 150 KHz.
Elektriske motorer, der fungerer ved høje effektniveauer, forårsager elektromagnetiske emissioner, og det fungerer som sti for EM-støj gennem dets impedans. Og denne impedans ændres som en funktion af frekvensen. Da elektriske motordrev bruger effektomformere med højhastigheds PWM-omskiftning, opstår der spændingsspændinger ved motorterminalerne, som forårsager den udstrålede EM-støj. Og akselstrømmen kan forårsage beskadigelse af motorlejer og funktionsfejl i køretøjets controller.
Efterhånden som trækkraftbatterier fordeles, bliver strømmen i batterierne og i forbindelsesledene en væsentlig kilde til EMF-emission, og disse er hoveddelen af stien for EMI.
Afskærmede og uskærmede kabler, der bærer højt niveau mellem forskellige undersystemer som batteri til strømomformer, strømomformer til motor osv. I EV forårsager stærkere magnetfelter. Da ledig plads i EV til ledningsnet er begrænset, placeres højspændingskabler og lavspændingskabler tæt på hinanden, hvilket forårsager elektromagnetisk interferens mellem dem.
Batteriopladere og de trådløse opladningsfaciliteter er de vigtigste eksterne EMI-kilder bortset fra EV intern EMI-kilde. Når trådløs strømteknologi blev anvendt til at oplade EV, producerer et stærkt magnetfelt i området fra flere ti til hundreder kilohertz for at overføre flere KW'er til titusinder af KW'er.

EMI-indvirkning på elektriske køretøjers elektroniske komponenter

I dag med fremskridt inden for teknologi indeholder biler flere elektroniske komponenter og systemer til korrekt drift og pålidelighed. Hvis vi ser den elektriske køretøjs arkitektur, er store mængder elektriske og elektroniske systemer placeret i et begrænset rum. Dette forårsager elektromagnetisk interferens eller krydstale mellem disse systemer. Hvis EMC ikke vedligeholdes korrekt , kan disse systemer fungere eller endda fungere.

EMC

De fleste af EMC-standarderne til biler er sat af Society of Automotive Engineers (SAE), Den Internationale Standardiseringsorganisation (ISO), Den Internationale Elektrotekniske Komité (IEC), Institute of Electrical and Electronics Engineers Standards Association ( IEEE -SA), Det Europæiske Fællesskab (EF) og De Forenede Nationers Økonomiske Kommission for Europa (UNECE).

ISO 11451 specificerer de generelle betingelser, retningslinjer og grundlæggende principper til at teste køretøjet for at bestemme immuniteten for ICE og elektriske køretøjer over elektrisk forstyrrelse smalbåndsudstrålet EMF.

ISO 11452 specificerer de generelle betingelser, retningslinjer og grundlæggende principper til at teste komponenten for at bestemme immuniteten af elektroniske komponenter i ICE og elektriske køretøjer over elektrisk forstyrrelse smalbåndsudstrålt EMF.

CISPR12 specificerer grænserne og målemetoderne til at teste de udstrålede elektromagnetiske emissioner fra elektriske køretøjer, ICE-køretøjer og både.

CISPR25 specificerer grænserne og metoderne til at måle radioforstyrrelseskarakteristika og proceduren til at teste køretøjet for at bestemme RI / RE-niveauer til beskyttelse af modtagere, der bruges om bord på køretøjer.

SAE J551 -1 specificerer ydelsesniveauer og målemetoder for køretøjers og enheders EMC (60Hz-18GHz).

SAE J551 -2 specificerer testgrænser og målinger til måling af køretøjers, motorbåders og gnisttændte motordrevne apparater.

SAE J551-4 specificerer testgrænser og målemetoder for køretøjers og enheders radioforstyrrelsesegenskaber, bredbånd og smalbånd, 150 KHz til 1000 MHz.

SAE J551-5 specificerer ydelsesniveauer og målinger af magnetisk og elektrisk feltstyrke fra elektriske køretøjer, 9 kHz til 30MHz.

SAE J551-11 specificerer køretøjets elektromagnetiske immunitet - Fra køretøjskilde.

SAE J551- 13 specificerer køretøjets elektromagnetiske immunitet-bulk- strøminjektion.

SAE J551- 15 specificerer køretøj elektromagnetisk immunitet-elektrostatisk afladning som vil ske i afskærmet rum.

SAE J551- 17 specificerer køretøjets elektromagnetiske immunitets-kraftlednings magnetiske felter.

2004/144 EF - Bilag IV specificerer målemetode for udstrålt bredbåndsemission fra køretøjer.

2004/144 EF - Bilag V specificerer målemetoden for udstrålede smalbåndsemissioner fra køretøjer.

2004/144 EF - Bilag VI specificerer testmetoden for køretøjers immunitet over for elektromagnetisk stråling.

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

AIS-004 (del 3) Bilag 2 forklarer metoden til måling af udstrålede bredbånds elektromagnetiske emissioner fra køretøjer.

AIS-004 (del 3) Bilag 3 forklarer metoden til måling af udstrålet smalbånds elektromagnetiske emissioner fra køretøjer.

AIS-004 (del 3) Bilag 4 forklarer testmetoden for køretøjers immunitet over for elektromagnetisk stråling.

AIS-004 (del 3) Bilag 5 forklarer metoden til måling af udstrålede elektromagnetiske bredbåndsemissioner fra elektriske / elektroniske underenheder.

AIS-004 (del 3) Bilag 6 forklarer metoden til måling af udstrålede smalbånds elektromagnetiske emissioner fra elektriske / elektroniske underenheder.

Grænser for eksponering af elektromagnetiske felter for mennesker

Elektriske køretøjer producerer ikke-ioniserende elektromagnetiske stråling, som ikke påvirker menneskers sundhed i kort tid. Men ved langvarig eksponering, hvis det udstrålede magnetfelt er mere end standardgrænserne, påvirker det menneskers sundhed. Så når man designer elektriske køretøjer, skal farerne ved magnetfelteksponering tages i betragtning.

Elektromagnetisk eksponering for passagerer påvirkes af forskellige konfigurationer, effektniveauer og topologier for elbiler som forhjulstræk eller baghjulstræk, batteriets placering og afstanden mellem eludstyr til passagererne osv.

Ved at overveje mulige skadelige virkninger af menneskelig eksponering for elektromagnetiske felter internationale organisationer, herunder Verdenssundhedsorganisationen (WHO) og Den Internationale Kommission for Ikke-ioniserende Strålingsbeskyttelse (ICNIRP), EU-direktiver, har IEEE specificeret grænser for maksimal tilladt magnetisk felteksponering for offentlig.

Frekvens (Hz)	Magnetfelter H (AM ^-1)	Magnetisk fluxdensitet B (T)
<0,153 Hz	9,39 x 10 ⁴	118 x 10 ^-3
0,153 -20Hz	1,44 x ¹⁰⁴ / 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, der viser de maksimalt tilladte magnetiske feltniveauer for offentligheden i henhold til IEEE-standarden

Med erhverv forstås mennesker, der udsættes for EMF, mens de udfører deres regelmæssige jobaktiviteter.

Offentlig offentlighed betyder resten af offentligheden bortset fra erhvervsmæssig eksponering for elektromagnetiske felter

Orienteringsværdier har ingen skadelig sundhedseffekt under normale arbejdsforhold og for personer, der ikke har noget aktivt implanteret medicinsk udstyr eller er gravide. Disse svarer til feltstyrken.

Handlingsværdi forårsager nogle effekter, der udsættes for disse niveauer. Disse svarer til det maksimale direkte målbare felt.

Grundlæggende er handlingsværdien højere end retningsværdien.
Erhvervsmæssige offentlige eksponeringsværdier er højere end værdierne for det almindelige offentlige eksponeringsniveau.

Elektromagnetisk kompatibilitetstest

EMC-test skal udføres for at kontrollere, om elbiler følger de krævede standarder eller ej . Laboratorietest og vejtest udføres på el-køretøjer til vurdering af EMC. Disse tests består af emissioner, følsomhed og immunitetstest.

Laboratorietest udføres for at karakterisere magnetfeltemissioner og følsomhed fra alt det indbyggede elektriske udstyr i et EMC-testkammer. Disse kamre er anekoiske og efterklangstyper.

Til udført emissionstest inkluderer transducere linieimpedansstabiliseringsnetværket (LISN) eller kunstigt lysnetværk (AMN) anvendes. Til strålingstestning anvendes antenner som transducere. Udstrålede emissioner måles i alle retninger omkring enheden, der testes (DUT).

Følsomhedstest bruger højtydende kilde til RF EM-energi og en udstrålende antenne til at lede den elektromagnetiske energi til DUT. Under test på el-køretøj undtagen apparatet, der testes (DUT), slukkes alt, og derefter måles magnetfeltet.

Udenfor test udføres i en reel verden af vejkørselsforhold. I disse tests skal køretøjet, der testes, køre med maksimal acceleration og deceleration for at sikre maksimal strøm under trækkraft og regenerativ bremsning. Disse test udføres på lige vej, hvor magnetfelterne på grund af jorden er konstante og i nogle tilfælde på stejle skråningsveje. Undervejs på vejtest er vi nødt til at identificere de eksterne magnetiske forstyrrelser fra eksterne kilder som jernbanelinjer, kummerdæksler og andre biler, strømfordelingsudstyr, højspændingstransmissionsledninger og transformere.

Design retningslinjer for bedre EMC og for at sænke EMI

DC-kabler, der bærer høje strømme, skal laves i snoet form, så strømmen i dette kabel strømmer i modsat retning resulterer i minimering af EMF-emission.
Tre-faset vekselstrømskabler skal være snoet og skal placeres så tæt som muligt for at minimere EMF-emission fra dem.
Og alle disse strømkabler skal placeres så langt væk som muligt fra passagersædeområdet. Og disse forbindelser bør ikke danne en løkke.
Hvis afstanden mellem passagersæder og kabel er mindre end 200 mm, skal der anvendes afskærmning.
Motorer skal placeres længere væk fra passagersædeområdet, og motorens rotationsakse bør ikke pege mod passagersædeområdet.
Da stål har en bedre afskærmningseffekt, skal stålmetalhus, hvis vægten tillader det i stedet for aluminium, bruges til motoren.
Hvis afstanden mellem motor- og passagersædeområdet er mindre end 500 mm, skal der anvendes afskærmning som stålplade mellem motor- og passagersædeområdet.
Motorhuset skal jordes korrekt til chassiset for at minimere ethvert elektrisk potentiale.
For at minimere kabellængden mellem inverteren og motoren monterede de så tæt på hinanden som muligt.
For at undertrykke overspændingen, akselstrømmen og den udstrålede støj skal der tilsluttes en EMI-støjregulator til motorklemmerne.
Et digitalt aktivt EMI-filter skal integreres i den digitale controller i en DC-DC-konverter for at oplade lavspændingsbatteriet og for at give betydelig EMI-dæmpning.
For at undertrykke EMI under trådløs opladning er der udviklet en resonant reaktiv afskærmning. Her passerer lækagemagnetfeltet gennem de resonansreaktive skjoldspoler på en sådan måde, at den inducerede EMF i hver skjoldspole kan annullere den indfaldende EMF, og magnetfeltlækagen effektivt kan undertrykkes uden at forbruge yderligere strøm.
Ledende afskærmning, magnetisk afskærmning og aktiv afskærmningsteknologi er udviklet til at afskærme den elektromagnetiske feltemission fra WPT-systemet.
Der er udviklet en EMI-støjregulator til elektriske køretøjer, der er fastgjort på motorklemmerne for at undertrykke overspænding, akselstrøm og udstrålet støj.