Электромагнитная совместимость в электромобилях

Когда ток проходит через проводник, он создает электромагнитные поля, и почти все электронные устройства, такие как телевизоры, стиральные машины, индукционные плиты, светофоры, мобильные телефоны, банкоматы, ноутбуки и т. Д., Излучают электромагнитные поля. Транспортные средства, работающие на ископаемом топливе, также страдают от электромагнитных помех (EMI) - система зажигания, стартер и переключатели вызывают широкополосные электромагнитные помехи, а электронные устройства вызывают узкополосные электромагнитные помехи. Но по сравнению с автомобилями с ДВС (двигателем внутреннего сгорания) электромобили представляют собой комбинацию различных подсистем и электронных компонентов, таких как аккумулятор, BMS, преобразователь постоянного тока в постоянный, инвертор, электродвигатель, мощные кабели, распределенные по транспортному средству, и зарядные устройства, все это работают на высоких уровнях мощности и частоты, что вызывает излучение низкочастотных электромагнитных помех высокого уровня.

Если мы посмотрим на мощность и номинальное напряжение доступных электромобилей, то номинальная мощность составит от нескольких десятков кВт до сотен кВт, а номинальное напряжение - в сотнях вольт, так что уровни тока будут в сотнях ампер, что вызывает более сильные магнитные поля.

• Nissan LEAF имеет задний привод мощностью 125 кВт, работающий от 400 В _{постоянного тока}
• BMW i3 имеет задний привод мощностью 125 кВт и работает от 500 В _{постоянного тока}
• Tesla Model S имеет 235 кВт. Задний привод работает от 650 В _{постоянного тока.}
• Toyota Prius (3-го поколения) имеет 74 кВт Передний привод работает от 400 В _{постоянного тока.}
• Toyota Prius PHV имеет передний привод мощностью 60 кВт, работающий от 350 В _{постоянного тока.}
• Chevrolet Volt PHV имеет передний привод мощностью 55 кВт (x2), работающий от 400 В _{постоянного тока.}

Рассмотрим электромобиль с электроприводом мощностью 100 кВт, работающий при напряжении 400 В, что означает, что он имеет ток 250 А, который создает сильное магнитное поле. При проектировании автомобиля мы должны оценить ЭМС (электромагнитную совместимость) всех этих подсистем и компонентов, чтобы обеспечить безопасность компонентов наряду с безопасностью живых существ.

Термины и определения, относящиеся к электромагнитной совместимости и электромагнитным помехам

ЭМС (электромагнитная совместимость) устройства или оборудования означает его способность не подвергаться воздействию электромагнитного поля (ЭМП) и не влиять на работу других систем с помощью своей ЭМП, когда они работают в электромагнитной среде. Электромагнитная совместимость представляет собой проблемы электромагнитного излучения, восприимчивости, устойчивости и связи.

Электромагнитное излучение означает генерацию и выброс электромагнитной энергии в окружающую среду. Любое нежелательное излучение вызывает интерференцию или нарушение работы другого электронного устройства, которое работает в той же среде, то есть, известного как электромагнитные помехи (EMI).

Электромагнитная восприимчивость устройства указывает на его уязвимость к нежелательным излучениям и помехам, которые вызывают неисправность или выход из строя устройства. Если устройство более восприимчиво, значит, оно менее устойчиво к электромагнитным помехам.

Электромагнитная невосприимчивость устройства означает его способность нормально работать в присутствии электромагнитной среды, не испытывая помех или поломок из-за электромагнитных излучений от другого электронного устройства.

Электромагнитная связь означает механизм, при котором излучаемое одним устройством электромагнитное поле достигает или мешает другому устройству.

Источники электромагнитных помех (EMI) в электромобиле

• Преобразователи мощности, как известно, являются основным источником электромагнитных помех в системах электропривода. У них есть высокоскоростное переключающее устройство, например, обычные биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) работают на частотах от 2 до 20 кГц, быстрые IGBT могут работать до 50 кГц, а SiC MOSFET могут работать даже на частотах выше 150 кГц.
• Электродвигатели, которые работают с высокими уровнями мощности, вызывают электромагнитное излучение и действуют как путь для электромагнитных шумов через свое сопротивление. И это сопротивление изменяется в зависимости от частоты. Поскольку в приводах электродвигателей используются силовые инверторы с высокоскоростным ШИМ-переключением, на выводах двигателя возникают перенапряжения, которые вызывают излучаемый электромагнитный шум. А ток на валу может вызвать повреждение подшипников двигателя и неисправность контроллера автомобиля.
• Когда тяговые батареи распределяются, токи в батареях и в межсоединителях становятся значительным источником эмиссии ЭДС, и они являются основной частью пути ЭМП.
• Экранированные и неэкранированные кабели, пропускающие ток высокого уровня между различными подсистемами, такими как преобразователь батареи в питание, преобразователь мощности в двигатель и т. Д., В электромобиле создают более сильные магнитные поля. Поскольку доступное пространство в электромобиле для жгута проводов ограничено, кабели высокого и низкого напряжения размещены рядом друг с другом, что вызывает электромагнитные помехи между ними.
• Зарядные устройства аккумуляторов и устройства беспроводной зарядки являются основными внешними источниками электромагнитных помех помимо внутреннего источника электромагнитных помех электромобиля. Когда для зарядки электромобиля применяется технология беспроводной связи, создается сильное магнитное поле в диапазоне от нескольких десятков до сотен килогерц для передачи мощности от нескольких киловатт до десятков киловатт.

Воздействие электромагнитных помех на электронные компоненты электромобилей

В настоящее время с развитием технологий автомобили содержат больше электронных компонентов и систем, обеспечивающих правильную работу и надежность. Если мы увидим архитектуру электромобиля, большое количество электрических и электронных систем помещено в ограниченное пространство. Это вызывает электромагнитные помехи или перекрестные помехи между этими системами. Если ЭМС не обслуживается должным образом, эти системы могут работать со сбоями или даже не работать.

ЭМС

Большинство автомобильных стандартов EMC установлено Обществом автомобильных инженеров (SAE), Международной организацией по стандартизации (ISO), Международным электротехническим комитетом (IEC), Институтом стандартов ассоциации инженеров по электротехнике и электронике ( IEEE- SA), Европейское сообщество (ЕС) и Европейская экономическая комиссия Организации Объединенных Наций (ЕЭК ООН).

ISO 11451 определяет общие условия, руководящие принципы и основные принципы тестирования транспортного средства с целью определения устойчивости ДВС и электромобилей к электромагнитным помехам узкополосного излучения.

ISO 11452 определяет общие условия, руководящие принципы и основные принципы для тестирования компонента с целью определения устойчивости электронных компонентов ДВС и электромобилей к электромагнитным помехам узкополосного излучения.

CISPR12 определяет пределы и методы измерения для проверки излучаемого электромагнитного излучения электромобилей, транспортных средств с ДВС и лодок.

CISPR25 определяет пределы и методы измерения характеристик радиопомех, а также процедуру тестирования транспортного средства для определения уровней RI / RE для защиты приемников, используемых на борту транспортных средств.

SAE J551 -1 определяет уровни производительности и методы измерения электромагнитной совместимости транспортных средств и устройств (60 Гц-18 ГГц).

SAE J551 -2 определяет пределы испытаний и методы измерения характеристик радиопомех (излучения) транспортных средств, моторных лодок и устройств с искровым зажиганием, приводимых в действие двигателем.

SAE J551-4 определяет пределы испытаний и методы измерения характеристик радиопомех транспортных средств и устройств, широкополосных и узкополосных, от 150 кГц до 1000 МГц.

SAE J551-5 определяет уровни производительности и методы измерения напряженности магнитного и электрического поля от электромобилей, от 9 кГц до 30 МГц.

SAE J551-11 определяет источник питания автомобиля с электромагнитной помехоустойчивостью.

SAE J551- 13 определяет транспортного средства электромагнитный иммунитет объемного тока инжекции.

SAE J551- 15 определяет транспортное средство электромагнитного иммунитета электростатического разряд, который будет сделан в экранированной комнате.

SAE J551- 17 specifiesvehicle электромагнитной линии иммунитета мощности магнитных полей.

2004/144 EC - Приложение IV определяет метод измерения излучаемых широкополосных излучений от транспортных средств.

2004/144 EC - Приложение V определяет метод измерения излучаемых узкополосных излучений от транспортных средств.

2004/144 EC - Приложение VI определяет метод проверки невосприимчивости транспортных средств к электромагнитному излучению.

AIS-004 (часть 3) содержит требования к электромагнитной совместимости в транспортных средствах.

AIS-004 (Часть 3) Приложение 2 объясняет метод измерения излучаемых широкополосных электромагнитных излучений от транспортных средств.

AIS-004 (Часть 3) Приложение 3 объясняет метод измерения излучаемого узкополосного электромагнитного излучения от транспортных средств.

AIS-004 (Часть 3) Приложение 4 объясняет метод проверки невосприимчивости транспортных средств к электромагнитному излучению.

В Приложении 5 к AIS-004 (Часть 3) объясняется метод измерения излучаемых широкополосных электромагнитных излучений от электрических / электронных узлов.

В Приложении 6 к AIS-004 (Часть 3) поясняется метод измерения излучаемых узкополосных электромагнитных излучений от электрических / электронных узлов.

Пределы воздействия электромагнитных полей на человека

Электромобили производят неионизирующие электромагнитные излучения, которые не влияют на здоровье человека при кратковременном воздействии. Но при длительном воздействии, если излучаемое магнитное поле превышает стандартные пределы, это влияет на здоровье человека. Таким образом, при проектировании электромобиля необходимо учитывать опасности воздействия магнитного поля.

Электромагнитное воздействие на пассажиров влияет на различные конфигурации, уровни мощности и топологии электромобиля, такие как привод на передние или задние колеса, размещение батареи и расстояние между силовым оборудованием и пассажирами и т. Д.

Рассматривая возможные вредные последствия воздействия электромагнитных полей на человека, международные организации, включая Всемирную организацию здравоохранения (ВОЗ) и Международную комиссию по защите от неионизирующего излучения (ICNIRP), директивы ЕС, IEEE установили пределы максимально допустимого воздействия магнитного поля на общественность.

Частота (Гц)	Магнитные поля H (AM -1)	Плотность магнитного потока B (T)
<0,153 Гц	9,39 х 10 4	118 х 10 -3
0,153 -20 Гц	1,44 х 10 4 / f	18,1 х 10-3 / f
20-759 Гц	719	0,904 х 10 -3
759 Гц - 3 кГц	5,47 х 105 / f	687 х 10 -3 / f

Ниже приведена таблица, показывающая максимально допустимые уровни магнитного поля для населения в соответствии со стандартом IEEE.

Под профессиональными подразумеваются люди, которые подвергаются воздействию электромагнитных полей при выполнении своей обычной работы.

Под «широкой публикой» понимается остальная часть населения, не имеющая профессий, подверженная воздействию электромагнитных полей.

Значения ориентации не оказывают вредного воздействия на здоровье при нормальных условиях работы, а также для людей, не имеющих активного имплантированного медицинского устройства или беременных. Это соответствует напряженности поля.

Значение действия вызывает некоторые эффекты, подверженные этим уровням. Это соответствует максимальному непосредственно измеряемому полю.

• Обычно значение действия выше, чем значение ориентации.
• Значения профессионального облучения населения выше, чем уровни облучения населения в целом.

Испытания на электромагнитную совместимость

Необходимо провести тестирование на ЭМС, чтобы проверить, соответствует ли электромобиль требуемым стандартам или нет . Для оценки электромагнитной совместимости электромобиля проводятся лабораторные и дорожные испытания. Эти тесты состоят из тестов на выбросы, восприимчивость и невосприимчивость.

Лабораторные испытания проводятся для определения характеристик излучения магнитного поля и восприимчивости всего бортового электрического оборудования в испытательной камере на ЭМС. Эти камеры бывают безэхового и реверберационного типов.

Для испытания на кондуктивную эмиссию преобразователи включают сеть стабилизации полного сопротивления линии (LISN) или сеть искусственного питания (AMN). Для испытаний на излучаемое излучение антенны используются как преобразователи. Излучение измеряется во всех направлениях вокруг тестируемого устройства (DUT).

При тестировании восприимчивости используется мощный источник РЧ-электромагнитной энергии и излучающая антенна для направления электромагнитной энергии на ИУ. Во время тестирования электромобиля, кроме тестируемого устройства (DUT), все будет выключено, а затем будет измерено магнитное поле.

Внешние тесты проводятся в реальных дорожных условиях. В этих испытаниях испытываемое транспортное средство должно двигаться с максимальным ускорением и замедлением, чтобы обеспечить максимальный ток во время тяги и рекуперативного торможения. Эти испытания будут проводиться на прямой дороге, где магнитные поля, создаваемые землей, постоянны, а в некоторых случаях - на дорогах с крутым уклоном. При проведении дорожных испытаний мы должны идентифицировать внешние магнитные возмущения от внешних источников, таких как железнодорожные пути, крышки люков и другие автомобили, оборудование для распределения электроэнергии, линии передачи высокого напряжения и силовые трансформаторы.

Рекомендации по проектированию для улучшения электромагнитной совместимости и снижения электромагнитных помех

• Кабели постоянного тока, по которым проходят большие токи, должны быть скручены, чтобы ток в этом кабеле протекал в обратном направлении, что привело к минимизации эмиссии ЭДС.
• Трехфазные кабели переменного тока должны быть скручены и располагаться как можно ближе, чтобы свести к минимуму излучение от них ЭМП.
• И все эти силовые кабели нужно размещать как можно дальше от пассажирского сиденья. И эти соединения не должны образовывать петлю.
• Если расстояние между пассажирскими сиденьями и кабелем менее 200 мм, необходимо использовать экранирование.
• Двигатели должны быть размещены подальше от пассажирского сиденья, а ось вращения двигателя не должна быть направлена ​​в сторону пассажирского сиденья.
• Так как сталь имеет лучший экранирующий эффект, если позволяет вес, вместо алюминия следует использовать стальной металлический корпус для двигателя.
• Если расстояние между электродвигателем и зоной сиденья пассажира меньше 500 мм, необходимо использовать экранирование, например стальную пластину, между электродвигателем и зоной сиденья пассажира.
• Корпус двигателя должен быть правильно заземлен на шасси, чтобы минимизировать электрический потенциал.
• Чтобы минимизировать длину кабеля между инвертором и двигателем, они устанавливались как можно ближе друг к другу.
• Для подавления скачков напряжения, тока на валу и излучаемых шумов к клеммам двигателя следует прикрепить регулятор шума EMI.
• Цифровой активный фильтр электромагнитных помех должен быть интегрирован в цифровой контроллер преобразователя постоянного тока для зарядки низковольтной батареи и обеспечения значительного ослабления электромагнитных помех.
• Для подавления электромагнитных помех во время беспроводной зарядки было разработано резонансное реактивное экранирование. Здесь магнитное поле рассеяния проходит через резонансные реактивные экранирующие катушки таким образом, что наведенная ЭДС в каждой экранирующей катушке может нейтрализовать падающую ЭДС, и утечка магнитного поля может быть эффективно подавлена ​​без потребления дополнительной энергии.
• Технологии проводящего экранирования, магнитного экранирования и активного экранирования были разработаны для защиты от излучения электромагнитного поля от системы БПЭ.
• Для электромобилей был разработан регулятор шума EMI, который крепится к клеммам двигателя для подавления скачков напряжения, тока вала и излучаемого шума.