Електромагнітна сумісність в електромобілях

Коли струм проходить через провідник, він створює електромагнітні поля, і майже всі електронні пристрої, такі як телевізори, пральні машини, індукційна плита, світлофори, мобільні телефони, банкомати, ноутбуки тощо, випромінюватимуть електромагнітні поля. Транспортні засоби, що працюють на викопному паливі, також страждають від електромагнітних перешкод (ЕМІ) - система запалювання, стартерний двигун та вимикачі спричиняють широкосмугові ЕМІ, а електронні пристрої - вузькосмугові ЕМІ. Але на відміну від автомобілів ICE (двигун внутрішнього згоряння), електричні транспортні засоби - це поєднання різних підсистем та електронних компонентів, таких як акумулятор, BMS, перетворювач постійного струму, інвертор, електродвигун, сильні кабелі, розподілені навколо автомобіля та зарядні пристрої, - все це працюють на високих рівнях потужності та частоти, що спричиняє випромінювання низькочастотних EMI високого рівня.

Якщо ми спостерігаємо показники потужності та напруги доступних електромобілів, показники потужності становлять від кількох десятків кВт до сотень кВт, тоді як номінали напруг складають сотні вольт, так що рівень струму буде в сотнях ампер, що спричиняє сильніші магнітні поля

• Nissan LEAF працює із заднім приводом потужністю 125 кВт на 400 В _{постійного струму}
• BMW i3 має 125 кВт заднього приводу, працює на 500 В _{постійного струму}
• Модель Tesla має 235 кВт, задній привід працює на 650 В _{постійного струму}
• Toyota Prius (3-е покоління) має 74 кВт переднього приводу, працює на 400 В _{постійного струму}
• Toyota Prius PHV має передній привід потужністю 60 кВт, працює на 350 В _{постійного струму}
• Chevrolet Volt PHV має передній привід потужністю 55 кВт (x2) і працює на _{постійному струмі} 400 В _{постійного струму}

Давайте розглянемо електричний транспортний засіб з електроприводом потужністю 100 кВт, що працює на 400 В, означає, що він має струм 250 А, який створює сильне магнітне поле. Під час проектування автомобіля ми повинні оцінити електромагнітну сумісність (ЕМС) усіх цих підсистем та компонентів, щоб забезпечити безпеку компонентів поряд із безпекою живих істот.

Терміни та визначення, що стосуються EMC та EMI

Електромагнітна сумісність (електромагнітна сумісність) пристрою чи обладнання означає його здатність не зазнавати впливу електромагнітного поля (ЕРС) і не впливати на роботу інших систем з його ЕРС, коли він працює в електромагнітному середовищі. ЕМС представляє проблеми електромагнітного випромінювання, сприйнятливості, імунітету та зв'язку.

Електромагнітне випромінювання означає вироблення та викид електромагнітної енергії в навколишнє середовище. Будь-яке небажане випромінювання спричиняє перешкоди або заважає роботі інших електронних пристроїв, які працюють в тому ж середовищі, тобто відомих як електромагнітні перешкоди (ЕМІ).

Електромагнітна сприйнятливість пристрою вказує на його вразливість до небажаних випромінювань та перешкод, що спричиняє несправність або поломку пристрою. Якщо пристрій більш сприйнятливий, це означає, що він менш захищений від електромагнітних перешкод.

Електромагнітна імунітет пристрою означає, що він здатний нормально працювати в присутності електромагнітного середовища, не відчуваючи перешкод або поломок внаслідок електромагнітних випромінювань іншого електронного пристрою.

Електромагнітна муфта означає механізм випромінювання електромагнітного поля одного пристрою, що досягає іншого інтерфейсу або заважає йому.

Джерела електромагнітних перешкод (ЕМІ) у EV

• Відомо, що перетворювачі потужності є основним джерелом електромагнітних перешкод в електроприводних системах. Вони мають високошвидкісний комутаційний пристрій, наприклад, звичайні біполярні транзистори із ізольованими воротами (IGBT) працюють на частотах від 2 до 20 кГц, швидкі IGBT можуть працювати до 50 кГц, а MOS-транзистори SiC можуть працювати навіть на частотах вище 150 кГц.
• Електродвигуни, що працюють на високих рівнях потужності, викликають електромагнітні випромінювання, і вони діють як шлях для ЕМ-шуму через свій імпеданс. І цей імпеданс змінюється як функція частоти. Оскільки в електродвигунних приводах використовуються силові інвертори з високошвидкісною ШІМ-перемиканням, на клемах двигуна виникають стрибкові напруги, які спричиняють випромінюваний ЕМ-шум. А струм вала може спричинити пошкодження підшипників двигуна та несправність контролера автомобіля.
• По мірі розподілу тягових акумуляторів струми в батареях та в з'єднувальних з'єднувачах стають важливим джерелом випромінювання ЕРС, і це є основною частиною шляху для ЕМІ.
• Екрановані та неекрановані кабелі, що несуть струм високого рівня між різними підсистемами, такими як акумулятор для перетворювача потужності, перетворювач потужності в двигун тощо, в електромобілі викликають сильніші магнітні поля. Оскільки доступний простір для електропроводки в електромагнітному просторі обмежений, кабелі високої та низької напруги розміщені поруч один з одним, що створює електромагнітні перешкоди між ними.
• Зарядні пристрої для акумуляторів та засоби бездротової зарядки є основними зовнішніми джерелами електромагнітних сполучень, крім внутрішнього джерела електромагнітних сполук. Коли технологія бездротового живлення застосовується для заряджання електромобіля, створюється сильне магнітне поле в діапазоні від декількох десятків до сотень кілогерц, яке передає кілька кВт до десятків кВт потужності.

Вплив ЕМІ на електронні компоненти електромобілів

Сьогодні з розвитком технологій автомобілі містять більше електронних компонентів та систем для належної роботи та надійності. Якщо ми бачимо архітектуру електромобіля, велика кількість електричних та електронних систем розміщується у замкнутому просторі. Це спричиняє електромагнітні перешкоди або перехресні розмови між цими системами. Якщо EMC не підтримується належним чином, ці системи можуть вийти з ладу або навіть не працювати.

ЕМС

Більшість стандартів автомобільної електромагнітної сумісності встановлюються Товариством автомобільних інженерів (SAE), Міжнародною організацією зі стандартів (ISO), Міжнародним електротехнічним комітетом (IEC), Інститутом асоціацій стандартів інженерів з електротехніки та електроніки ( IEEE -SA), Європейське співтовариство (ЄК) та Європейська економічна комісія ООН (ЄЕК ООН).

ISO 11451 визначає загальні умови, керівні принципи та основні принципи випробування транспортного засобу для визначення імунітету ДВЗ та електричних транспортних засобів проти вузькосмугового випромінюваного ЕРС.

ISO 11452 визначає загальні умови, керівні принципи та основні принципи для випробування компонента для визначення стійкості електронних компонентів ДВЗ та електричних транспортних засобів до вузькосмугового випромінювання ЕРС.

CISPR12 визначає межі та методи вимірювання для тестування випромінюваних електромагнітних випромінювань від електромобілів, транспортних засобів ДВЗ та човнів.

CISPR25 визначає межі та методи вимірювання характеристик радіоперешкод та процедуру випробування автомобіля для визначення рівнів RI / RE для захисту приймачів, що використовуються на борту транспортних засобів.

SAE J551 -1 визначає рівні продуктивності та методи вимірювання ЕМС транспортних засобів та пристроїв (60 Гц-18 ГГц).

SAE J551 -2 визначає межі випробувань та методи вимірювання характеристик радіоперешкод (випромінювання) транспортних засобів, моторних човнів та приводів, що запалюються двигуном.

SAE J551-4 визначає межі випробувань та методи вимірювання характеристик радіоперешкод транспортних засобів та пристроїв, широкосмугових та вузькосмугових, від 150 кГц до 1000 МГц.

SAE J551-5 визначає рівні продуктивності та методи вимірювання напруженості магнітного та електричного поля від електричних транспортних засобів, від 9 кГц до 30 МГц.

SAE J551-11 визначає джерело електромагнітної стійкості автомобіля до вимкнення електромагнітної стійкості.

SAE J551- 13 визначає транспортного засобу електромагнітний імунітет об'ємного струму інжекції.

SAE J551- 15 визначає транспортний засіб електромагнітного імунітету електростатичного розряду, який буде зроблений в екранованої кімнаті.

SAE J551- 17 specifiesvehicle електромагнітної лінії імунітету потужності магнітних полів.

2004/144 ЄС - Додаток IV визначає метод вимірювання випромінюваних широкосмугових викидів від транспортних засобів.

2004/144 ЄС - Додаток V визначає метод вимірювання випромінюваних вузькосмугових викидів від транспортних засобів.

2004/144 ЄС - Додаток VI визначає метод випробування на стійкість транспортних засобів до електромагнітного випромінювання.

AIS-004 (Частина 3) містить вимоги щодо електромагнітної сумісності в автомобільних транспортних засобах.

AIS-004 (Частина 3) Додаток 2 пояснює метод вимірювання випромінених широкосмугових електромагнітних випромінювань від транспортних засобів.

AIS-004 (Частина 3) Додаток 3 пояснює метод вимірювання випромінених вузькосмугових електромагнітних випромінювань від транспортних засобів.

AIS-004 (Частина 3) Додаток 4 пояснює метод випробування на стійкість транспортних засобів до електромагнітного випромінювання.

AIS-004 (Частина 3) Додаток 5 пояснює метод вимірювання випромінених широкосмугових електромагнітних випромінювань від електричних / електронних підвузлів.

AIS-004 (Частина 3) Додаток 6 пояснює метод вимірювання випромінених вузькосмугових електромагнітних випромінювань від електричних / електронних підвузлів.

Межі впливу електромагнітних полів на людей

Електричні транспортні засоби виробляють неіонізуюче електромагнітне випромінювання, яке не впливає на здоров'я людини протягом короткого часу. Але при тривалому впливі, якщо випромінене магнітне поле перевищує стандартні межі, це впливає на здоров’я людини. Отже, під час проектування електромобіля необхідно враховувати небезпеку, яка піддається впливу магнітного поля.

Електромагнітний вплив пасажирів залежить від різних конфігурацій, рівнів потужності та топологій електромобіля, таких як передній привід або задній привід, розміщення акумулятора та відстань між силовим обладнанням та пасажирами тощо.

Розглядаючи можливі шкідливі наслідки впливу людини на електромагнітні поля, міжнародні організації, включаючи Всесвітню організацію охорони здоров'я (ВООЗ) та Міжнародну комісію з захисту від неіонізуючого випромінювання (ICNIRP), директивами ЄС, IEEE встановили межі гранично допустимого впливу магнітного поля на громадськості.

Частота (Гц)	Магнітні поля H (AM -1)	Щільність магнітного потоку B (T)
<0,153 Гц	9,39 x 10 4	118 х 10 -3
0,153 -20 Гц	1,44 x 10 4 / f	18,1 х 10-3 / ф
20- 759 Гц	719	0,904 x 10 -3
759 Гц - 3 кГц	5,47 х 105 / ф	687 x 10 -3 / f

Нижче наведена таблиця, що показує максимально допустимі рівні магнітного поля для широкого загалу відповідно до стандарту IEEE

Професійні - це люди, які піддаються впливу ЕМП під час звичайної роботи.

Громадськість означає решту громадськості, крім професій, що зазнали впливу електромагнітних полів

Орієнтаційні значення не мають негативних наслідків для здоров’я за нормальних умов праці та для осіб, які не мають активного імплантованого медичного виробу або вагітні. Це відповідає напруженості поля.

Значення дії спричиняє деякі ефекти, які піддаються цим рівням. Вони відповідають максимально прямому вимірюваному полю.

• В основному значення Action вище, ніж значення Orientation.
• Значення професійного опромінення населення вищі за показники загального рівня опромінення населення.

Тести на електромагнітну сумісність

Тестування на електромагнітну сумісність потрібно провести, щоб перевірити, чи відповідає електромобіль необхідним стандартам чи ні . Для оцінки електромагнітної сумісності на електромобілі проводяться лабораторні випробування та дорожні випробування. Ці випробування включають випробування на викиди, чутливість та імунітет.

Лабораторні випробування проводяться для характеристики випромінювання магнітного поля та сприйнятливості всього бортового електрообладнання в тестовій камері ЕМС. Ці камери мають беззвучний та ревербераційний типи.

Для проведених випробувань на випромінювання перетворювачі включають мережу стабілізації опору лінії (LISN) або використовується штучна мережа мережі (AMN). Для випробовування випромінюваних випромінювань антени використовуються як перетворювачі. Випромінювані викиди вимірюються в усіх напрямках навколо випробовуваного пристрою (DUT).

Тестування сприйнятливості використовує потужне джерело радіочастотної ЕМ енергії та випромінювальну антену для спрямування електромагнітної енергії на DUT. Під час тестування на електромобілі, крім випробовуваного пристрою (DUT), все буде вимкнено, а потім буде виміряно магнітне поле.

Зовнішні випробування проводяться в реальному світі на умовах дорожнього руху. У цих випробуваннях випробовуваний транспортний засіб повинен їздити з максимальним прискоренням та уповільненням, щоб забезпечити максимальний струм під час тяги та рекуперативного гальмування. Ці випробування будуть проводитися на прямій дорозі, де магнітне поле від землі постійне, а в деяких випадках на крутих схилах. Виконуючи дорожні випробування, ми повинні виявити зовнішні магнітні збурення від зовнішніх джерел, таких як залізничні лінії, кришки люків та інші вагони, обладнання розподілу електроенергії, високовольтні лінії електропередачі та силові трансформатори.

Розробити керівні принципи для кращої ЕМС та зниження ЕМІ

• Кабелі постійного струму, що несуть сильні струми, повинні бути виконані у скрученій формі, щоб струм у цьому кабелі протікав у протилежному напрямку, щоб мінімізувати випромінювання ЕРС.
• Трифазні кабелі змінного струму слід скручувати і розміщувати якомога ближче, щоб мінімізувати випромінювання ЕРС від них.
• І всі ці силові кабелі повинні розташовуватися якомога далі від місця пасажирських сидінь. І ці з'єднання не повинні утворювати петлю.
• Якщо відстань між пасажирськими сидіннями та тросом менше 200 мм, необхідно застосувати екранування.
• Двигуни потрібно розташовувати подалі від зони пасажирського сидіння, а вісь обертання двигуна не повинна спрямовувати до зони пасажирського сидіння.
• Оскільки сталь має кращий захисний ефект, якщо вага дозволяє це замість алюмінію, для двигуна потрібно використовувати сталевий металевий корпус.
• Якщо відстань між областю сидіння двигуна та пасажира менше 500 мм, між ділянкою двигуна та пасажирського сидіння потрібно застосовувати екран, подібний до сталевої пластини.
• Корпус двигуна повинен бути належним чином заземлений на шасі, щоб мінімізувати будь-який електричний потенціал.
• Щоб мінімізувати довжину кабелю між інвертором і двигуном, вони встановлені якомога ближче один до одного.
• Для придушення імпульсної напруги, струму вала і випромінюваного шуму до клем двигуна слід приєднати контролер шуму ЕМІ.
• Цифровий активний EMI-фільтр потрібно інтегрувати в цифровий контролер перетворювача постійного струму, щоб зарядити низьковольтну батарею та забезпечити значне ослаблення EMI.
• Для придушення ЕМІ під час бездротової зарядки розроблено резонансне реактивне екранування. Тут магнітне поле витоку проходить через резонансні реактивні котушки екрану таким чином, що індукований ЕРС у кожній екранованій котушці може скасувати падаючу ЕРС, і витік магнітного поля може бути ефективно придушений без споживання додаткової потужності.
• Технології провідного екранування, магнітного екранування та активного екранування розроблені для екранування випромінювання електромагнітного поля від системи WPT.
• Для електромобілів розроблений контролер шуму EMI, який кріпиться на клемах двигуна для придушення імпульсної напруги, струму вала та випромінюваного шуму.