Compatibilità elettromagnetica nei veicoli elettrici

Quando la corrente passa attraverso un conduttore crea campi elettromagnetici e quasi tutti i dispositivi elettronici come TV, lavatrici, fornelli a induzione, semafori, telefoni cellulari, bancomat e laptop ecc., Emetteranno i campi elettromagnetici. I veicoli alimentati a combustibili fossili soffrono anche di interferenze elettromagnetiche (EMI) - Il sistema di accensione, il motorino di avviamento e gli interruttori causano EMI a banda larga e i dispositivi elettronici causano EMI a banda stretta. Ma rispetto ai veicoli ICE (Internal Combustion Engine), i veicoli elettrici sono una combinazione di vari sottosistemi e componenti elettronici come batteria, BMS, convertitore CC-CC, inverter, motore elettrico, cavi ad alta potenza distribuiti intorno al veicolo e caricabatterie, tutti questi stanno lavorando a livelli di alta potenza e frequenza che causano l'emissione di EMI a bassa frequenza di alto livello.

Se osserviamo la potenza e le tensioni nominali dei veicoli elettrici disponibili, le potenze nominali vanno da poche decine di KW a centinaia di KW mentre le tensioni nominali sono in centinaia di volt in modo che i livelli di corrente saranno in centinaia di Ampere, il che causa campi magnetici più forti

Nissan LEAF ha una trazione posteriore da 125 kW che funziona a 400 V _CC
La BMW i3 ha una trazione posteriore da 125 kW che funziona con 500 V _CC
Tesla modello S sta avendo 235 kW La trazione posteriore funziona a 650 V _CC
La Toyota Prius (3a generazione) ha una potenza di 74 kW La trazione anteriore funziona con 400 V _CC
Toyota Prius PHV ha la trazione anteriore da 60 kW che funziona a 350 V _CC
Chevrolet Volt PHV ha la trazione anteriore da 55 kW (x2) che funziona a 400 V _CC

Lasciare consideri un veicolo elettrico con 100KW operativo motore elettrico a 400V mezzi che sta avendo corrente 250A che crea un campo magnetico forte. Durante la progettazione del veicolo dobbiamo valutare la compatibilità elettromagnetica (EMC) di tutti questi sottosistemi e componenti per garantire la sicurezza dei componenti insieme alla sicurezza degli esseri viventi.

Termini e definizioni relativi a EMC ed EMI

EMC (compatibilità elettromagnetica) di un dispositivo o apparecchiatura significa che è in grado di non essere influenzato dal campo elettromagnetico (EMF) e di non influenzare il funzionamento di altri sistemi con il suo EMF quando opera in ambiente elettromagnetico. EMC rappresenta emissioni elettromagnetiche, suscettibilità, immunità e problemi di accoppiamento.

Emissione elettromagnetica significa generazione e rilascio di energia elettromagnetica nell'ambiente. Qualsiasi emissione indesiderata causa interferenze o disturbi al funzionamento di altri dispositivi elettronici che operano nello stesso ambiente, cioè noto come interferenza elettromagnetica (EMI).

La suscettibilità elettromagnetica di un dispositivo indica la sua vulnerabilità a emissioni e interferenze indesiderate che causano il malfunzionamento o il guasto del dispositivo. Se un dispositivo è più suscettibile significa che è meno immune alle interferenze elettromagnetiche.

L' immunità elettromagnetica di un dispositivo significa la sua capacità di funzionare normalmente in presenza di un ambiente elettromagnetico senza subire interferenze o guasti a causa delle emissioni elettromagnetiche di un altro dispositivo elettronico.

Accoppiamento elettromagnetico indica il meccanismo del campo elettromagnetico emesso da un dispositivo che raggiunge o interferisce con un altro dispositivo.

Fonti di interferenza elettromagnetica (EMI) in EV

I convertitori di potenza sono noti per essere la principale fonte di interferenza elettromagnetica all'interno dei sistemi di azionamento elettrico. Questi hanno dispositivi di commutazione ad alta velocità, ad esempio i tradizionali transistor bipolari a gate isolato (IGBT) funzionano a frequenze che vanno da 2 a 20 kHz, gli IGBT veloci possono funzionare fino a 50 kHz e i MOSFET SiC possono persino lavorare a frequenze superiori a 150 KHz.
I motori elettrici che funzionano a livelli di potenza elevati provocano emissioni elettromagnetiche e agiscono come percorso per il rumore EM attraverso la sua impedenza. E questa impedenza cambia in funzione della frequenza. Poiché i motori elettrici utilizzano inverter di potenza con commutazione PWM ad alta velocità, si verificano picchi di tensione sui terminali del motore, che causano il rumore EM irradiato. E la corrente dell'albero può causare danni ai cuscinetti del motore e malfunzionamento del controller del veicolo.
Man mano che le batterie di trazione vengono distribuite, le correnti nelle batterie e negli interconnettori diventano una fonte significativa di emissioni di campi elettromagnetici e queste sono la parte principale del percorso per le interferenze elettromagnetiche.
Cavi schermati e non schermati che trasportano corrente ad alto livello tra vari sottosistemi come convertitore da batteria a convertitore di alimentazione, convertitore di potenza a motore ecc., Nell'EV provocano campi magnetici più forti. Poiché lo spazio disponibile nel veicolo elettrico per il cablaggio è limitato, i cavi di alta e bassa tensione sono posizionati uno vicino all'altro causando interferenze elettromagnetiche tra di loro.
I caricabatterie e le strutture di ricarica wireless sono le principali fonti EMI esterne oltre alla fonte EMI interna EV. Quando la tecnologia di alimentazione wireless applicata per caricare il veicolo elettrico, un forte campo magnetico nell'intervallo da diverse decine a centinaia di kilohertz produce per trasferire diversi KW a decine di KW di potenza.

Impatto EMI sui componenti elettronici dei veicoli elettrici

Al giorno d'oggi con il progresso della tecnologia, le automobili contengono più componenti e sistemi elettronici per un corretto funzionamento e affidabilità. Se vediamo l'architettura del veicolo elettrico una grande quantità di sistemi elettrici ed elettronici collocati in uno spazio ristretto. Ciò causa interferenze elettromagnetiche o diafonia tra questi sistemi. Se la manutenzione EMC non è adeguata, questi sistemi potrebbero non funzionare correttamente o addirittura non funzionare.

EMC

La maggior parte degli standard EMC per il settore automobilistico sono stabiliti dalla Society of Automotive Engineers (SAE), dall'International Standards Organization (ISO), dall'International Electrotechnical Committee (IEC), dall'Institute of Electrical and Electronics Engineers Standards Association ( IEEE -SA), Comunità europea (CE) e Commissione economica per l'Europa delle Nazioni Unite (UNECE).

La ISO 11451 specifica le condizioni generali, le linee guida ei principi di base per testare il veicolo per determinare l'immunità dei veicoli elettrici e ICE rispetto ai campi elettromagnetici irradiati a banda stretta da disturbi elettrici.

ISO 11452 specifica le condizioni generali, le linee guida ei principi di base per testare il componente per determinare l'immunità dei componenti elettronici di ICE e dei veicoli elettrici rispetto ai disturbi elettrici irradiati a banda stretta EMF.

CISPR12 specifica i limiti e i metodi di misurazione per testare le emissioni elettromagnetiche irradiate da veicoli elettrici, veicoli ICE e imbarcazioni.

CISPR25 specifica i limiti e le modalità per misurare le caratteristiche di radiodisturbo e la procedura per testare il veicolo per determinare i livelli RI / RE per la protezione dei ricevitori utilizzati a bordo dei veicoli.

SAE J551 -1 specifica i livelli di prestazione e i metodi di misurazione dell'EMC di veicoli e dispositivi (60Hz-18GHz).

SAE J551 -2 specifica i limiti di prova ei metodi di misurazione delle caratteristiche di radiodisturbo (emissione) di veicoli, motoscafi e dispositivi azionati da motore con accensione a scintilla.

SAE J551-4 specifica limiti di prova e metodi di misurazione delle caratteristiche di radiodisturbo di veicoli e dispositivi, banda larga e banda stretta, da 150 KHz a 1000 MHz.

SAE J551-5 specifica i livelli di prestazione ei metodi di misurazione dell'intensità del campo magnetico ed elettrico dei veicoli elettrici, da 9 kHz a 30 MHz.

SAE J551-11 specifica l'immunità elettromagnetica del veicolo - Off dalla sorgente del veicolo.

SAE J551- 13 specifica veicolo elettromagnetica immunità-bulk iniezione di corrente.

SAE J551- 15 specifica veicolo elettromagnetica immunità a scarica elettrostatica che sarà effettuata in stanza schermata.

SAE J551- 17 specifiesvehicle elettromagnetica linea immunità potenza campi magnetici.

2004/144 CE - L' allegato IV specifica il metodo di misurazione delle emissioni a banda larga irradiate dai veicoli.

2004/144 CE - L' allegato V specifica il metodo di misurazione delle emissioni a banda stretta irradiate dai veicoli.

2004/144 CE - L' allegato VI specifica il metodo di prova per l'immunità dei veicoli alle radiazioni elettromagnetiche.

AIS-004 (Parte 3) fornisce i requisiti per la compatibilità elettromagnetica nei veicoli automobilistici.

AIS-004 (Parte 3) L'allegato 2 spiega il metodo di misurazione delle emissioni elettromagnetiche a banda larga irradiate dai veicoli.

AIS-004 (Parte 3) L'allegato 3 spiega il metodo di misurazione delle emissioni elettromagnetiche a banda stretta irradiate dai veicoli.

AIS-004 (Parte 3) L'allegato 4 spiega il metodo di prova per l'immunità dei veicoli alle radiazioni elettromagnetiche.

AIS-004 (Parte 3) L'allegato 5 spiega il metodo di misurazione delle emissioni elettromagnetiche a banda larga irradiate da sottounità elettriche / elettroniche.

AIS-004 (Parte 3) L'allegato 6 spiega il metodo di misurazione delle emissioni elettromagnetiche a banda stretta irradiate da sottounità elettriche / elettroniche.

Limiti all'esposizione degli esseri umani ai campi elettromagnetici

I veicoli elettrici producono radiazioni elettromagnetiche non ionizzanti che non hanno effetti sulla salute umana per brevi periodi di esposizione. Ma per esposizioni prolungate, se il campo magnetico irradiato è superiore ai limiti standard, ha effetti sulla salute umana. Quindi, durante la progettazione di veicoli elettrici, è necessario tenere in considerazione i pericoli derivanti dall'esposizione al campo magnetico.

L'esposizione elettromagnetica ai passeggeri influisce su diverse configurazioni, livelli di potenza e topologie del veicolo elettrico come trazione anteriore o trazione posteriore, posizionamento della batteria e distanza tra le apparecchiature elettriche ai passeggeri, ecc.

Considerando i possibili effetti dannosi dell'esposizione umana ai campi elettromagnetici le organizzazioni internazionali, tra cui l'Organizzazione mondiale della sanità (OMS) e la Commissione internazionale per la protezione dalle radiazioni non ionizzanti (ICNIRP), le direttive UE, IEEE hanno specificato limiti all'esposizione massima consentita ai campi magnetici a pubblico.

Frequenza (Hz)	Campi magnetici H (AM ^-1)	Densità del flusso magnetico 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

Di seguito è riportata la tabella che mostra i livelli massimi di campo magnetico consentiti al pubblico in base allo standard IEEE

Occupazionale significa persone che sono esposte a campi elettromagnetici mentre svolgono le loro normali attività lavorative.

Per pubblico generico si intende il resto del pubblico diverso da quello professionale esposto ai campi elettromagnetici

I valori di orientamento non hanno alcun effetto negativo sulla salute in condizioni di lavoro normali e per le persone che non hanno alcun dispositivo medico impiantato attivo o che sono incinte. Questi corrispondono all'intensità del campo.

Il valore dell'azione causa alcuni effetti esposti a questi livelli. Questi corrispondono al campo massimo misurabile direttamente.

Fondamentalmente il valore di azione è superiore al valore di orientamento.
I valori di esposizione del pubblico professionale sono superiori a quelli del livello di esposizione del pubblico generale.

Test di compatibilità elettromagnetica

È necessario eseguire test EMC per verificare se il veicolo elettrico rispetta o meno gli standard richiesti . Test di laboratorio e prove su strada vengono eseguiti sul veicolo elettrico per valutare la compatibilità elettromagnetica. Questi test consistono in prove di emissioni, suscettibilità e immunità.

Vengono eseguiti test di laboratorio per caratterizzare le emissioni di campo magnetico e la suscettibilità da tutte le apparecchiature elettriche di bordo in una camera di prova EMC. Queste camere sono di tipo anecoico e riverberante.

Per i test delle emissioni condotti, i trasduttori includono la rete di stabilizzazione dell'impedenza di linea (LISN) o la rete di rete artificiale (AMN). Per i test sulle emissioni irradiate, le antenne vengono utilizzate come trasduttori. Le emissioni irradiate vengono misurate in tutte le direzioni attorno al dispositivo in prova (DUT).

Il test di sensibilità utilizza una fonte ad alta potenza di energia RF EM e un'antenna radiante per dirigere l'energia elettromagnetica al DUT. Durante il test su veicolo elettrico tranne il dispositivo in prova (DUT) tutto verrà spento e quindi verrà misurato il campo magnetico.

I test esterni vengono eseguiti in un mondo reale in condizioni di guida su strada. In questi test il veicolo in prova deve guidare con la massima accelerazione e decelerazione per garantire la massima corrente durante la trazione e la frenata rigenerativa. Queste prove saranno eseguite su strada rettilinea dove i campi magnetici dovuti alla terra sono costanti e in alcuni casi su strade in forte pendenza. Durante le prove su strada dobbiamo identificare le perturbazioni magnetiche esterne da fonti esterne come linee ferroviarie, chiusini e altre auto, apparecchiature di distribuzione di energia, linee di trasmissione ad alta tensione e trasformatori di potenza.

Linee guida di progettazione per una migliore EMC e per ridurre l'EMI

I cavi CC che trasportano correnti elevate devono essere realizzati in forma attorcigliata in modo che la corrente in questo flusso del cavo in direzione opposta si traduca in una riduzione al minimo dell'emissione di campi elettromagnetici.
I cavi CA trifase devono essere intrecciati e devono essere posizionati il più vicino possibile per ridurre al minimo l'emissione di campi elettromagnetici da essi.
E tutti questi cavi di alimentazione devono essere posizionati il più lontano possibile dalla regione del sedile del passeggero. E queste connessioni non dovrebbero formare un loop.
Se la distanza tra i sedili dei passeggeri e il cavo è inferiore a 200 mm, è necessario adottare una schermatura.
I motori devono essere posizionati più lontano dall'area del sedile del passeggero e l'asse di rotazione del motore non deve puntare verso l'area del sedile del passeggero.
Poiché l'acciaio ha un migliore effetto schermante, se il peso lo consente invece dell'alluminio, è necessario utilizzare un alloggiamento metallico in acciaio per il motore.
Se la distanza tra il motore e l'area del sedile del passeggero è inferiore a 500 mm, è necessario utilizzare una schermatura simile a una piastra di acciaio tra il motore e l'area del sedile del passeggero.
L'alloggiamento del motore deve essere adeguatamente messo a terra sul telaio per ridurre al minimo qualsiasi potenziale elettrico.
Per ridurre al minimo la lunghezza del cavo tra l'inverter e il motore, sono montati il più vicino possibile l'uno all'altro.
Per sopprimere la sovratensione, la corrente dell'albero e il rumore irradiato, è necessario collegare un controller del rumore EMI ai terminali del motore.
Un filtro EMI attivo digitale deve essere integrato nel controller digitale di un convertitore DC-DC per caricare la batteria a bassa tensione e per fornire una significativa attenuazione EMI.
Per sopprimere l'EMI durante la ricarica wireless, è stata sviluppata una schermatura reattiva risonante. Qui il campo magnetico di dispersione passa attraverso le bobine dello schermo reattivo risonante in modo tale che l'EMF indotto in ciascuna bobina dello schermo possa annullare l'EMF incidente e la dispersione del campo magnetico può essere efficacemente soppressa senza consumare ulteriore energia.
Sono state sviluppate tecnologie di schermatura conduttiva, schermatura magnetica e schermatura attiva per schermare l'emissione di campi elettromagnetici dal sistema WPT.
È stato sviluppato un controller del rumore EMI per i veicoli elettrici, che è collegato ai terminali del motore per sopprimere la sovratensione, la corrente dell'albero e il rumore irradiato.