Elektromagnetische compatibiliteit in elektrische voertuigen

Wanneer stroom door een geleider gaat, creëert het elektromagnetische velden en bijna alle elektronische apparaten zoals tv's, wasmachines, inductiekookplaten, verkeerslichten, mobiele telefoons, geldautomaten en laptops enz., Zullen de elektromagnetische velden uitzenden. Voertuigen op fossiele brandstof lijden ook aan elektromagnetische interferentie (EMI) - Het ontstekingssysteem, de startmotor en schakelaars veroorzaken breedband-EMI en elektronische apparaten veroorzaken smalband-EMI. Maar in vergelijking met ICE-voertuigen (Internal Combustion Engine), zijn elektrische voertuigen een combinatie van verschillende subsystemen en elektronische componenten zoals batterij, GBS, DC-DC-omvormer, omvormer, elektromotor, hoogspanningskabels die rond het voertuig zijn verdeeld en laders, al deze werken op hoge vermogens- en frequentieniveaus die de emissie van laagfrequente EMI op hoog niveau veroorzaken.

Als we het vermogen en de spanningswaarden van beschikbare elektrische voertuigen bekijken, liggen de vermogenswaarden tussen enkele tientallen kW en honderden kW, terwijl de spanning in honderden volt is, zodat de stroomniveaus in honderden ampère zullen zijn, wat sterkere magnetische velden veroorzaakt

De Nissan LEAF heeft 125 kW achterwielaandrijving op 400 V _DC
BMW i3 heeft met 125 kW achterwielaandrijving werkend op 500 V _DC
Tesla model S heeft 235 kW. Achterwielaandrijving werkt op 650 V _DC
Toyota Prius (3e gen.) Heeft 74 kW Voorwielaandrijving werkt op 400 V _DC
Toyota Prius PHV heeft voorwielaandrijving van 60 kW en werkt op 350 V _DC
Chevrolet Volt PHV heeft voorwielaandrijving van 55 kW (x2) werkt op 400 V _DC

Laten we eens kijken naar een elektrisch voertuig met een elektrische aandrijving van 100 kW die werkt op 400 V, wat betekent dat het een stroom van 250 A heeft, wat een sterk magnetisch veld creëert. Bij het ontwerpen van het voertuig moeten we de EMC (elektromagnetische compatibiliteit) van al deze subsystemen en componenten beoordelen om de veiligheid van componenten en de veiligheid van levende wezens te waarborgen.

Termen en definities met betrekking tot EMC en EMI

EMC (elektromagnetische compatibiliteit) van een apparaat of apparatuur betekent dat het niet kan worden beïnvloed door een elektromagnetisch veld (EMV) en dat het de werking van andere systemen met zijn EMV niet beïnvloedt wanneer het in een elektromagnetische omgeving werkt. EMC staat voor elektromagnetische emissie, gevoeligheid, immuniteit en koppelingsproblemen.

Elektromagnetische emissie betekent het genereren en vrijgeven van elektromagnetische energie in de omgeving. Elke ongewenste emissie veroorzaakt interferentie of storing in de werking van andere elektronische apparaten die in dezelfde omgeving werken, dwz bekend als elektromagnetische interferentie (EMI).

Elektromagnetische gevoeligheid van een apparaat geeft aan dat het kwetsbaar is voor ongewenste emissies en interferentie die storingen of defecten aan het apparaat veroorzaken. Als een apparaat gevoeliger is, betekent dit dat het minder immuun is voor elektromagnetische interferentie.

Elektromagnetische immuniteit van een apparaat betekent dat het normaal kan werken in de aanwezigheid van een elektromagnetische omgeving zonder interferentie te ondervinden of defect te raken door de elektromagnetische straling van een ander elektronisch apparaat.

Elektromagnetische koppeling betekent een mechanisme waarbij het uitgezonden elektromagnetische veld van een apparaat een ander apparaat bereikt of ermee interfereert.

Bronnen van elektromagnetische interferentie (EMI) in EV

Het is bekend dat stroomomvormers de belangrijkste bron van elektromagnetische interferentie zijn binnen elektrische aandrijfsystemen. Deze hebben een snelle schakelinrichting, bijv. Conventionele Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT) werken op frequenties van 2 tot 20 kHz, snelle IGBT's kunnen tot 50 kHz werken en SiC MOSFET's kunnen zelfs frequenties boven 150 kHz werken.
Elektromotoren die op hoog vermogen werken, veroorzaken elektromagnetische emissies en fungeren als pad voor EM-ruis door zijn impedantie. En deze impedantie verandert als functie van de frequentie. Omdat elektromotoraandrijvingen stroomomvormers gebruiken met snelle PWM-schakeling, treden er overspanningen op op de motorklemmen die de uitgestraalde EM-ruis veroorzaken. En de asstroom kan schade aan motorlagers en defecten aan de voertuigcontroller veroorzaken.
Aangezien tractiebatterijen worden gedistribueerd, worden de stromen in de batterijen en in de interconnectoren een belangrijke bron voor EMF-emissie en deze vormen een belangrijk onderdeel van het pad voor EMI.
Afgeschermde en niet-afgeschermde kabels die een hoog stroomniveau voeren tussen verschillende subsystemen, zoals batterij-naar-stroomomvormer, stroomomvormer naar motor enz., In de EV veroorzaken sterkere magnetische velden. Omdat de beschikbare ruimte in EV voor kabelboom beperkt is, worden hoogspannings- en laagspanningskabels dicht bij elkaar geplaatst, waardoor elektromagnetische interferentie tussen hen ontstaat.
De batterijladers en de draadloze oplaadfaciliteiten zijn de belangrijkste externe EMI-bronnen, afgezien van de interne EMI-bron van EV. Wanneer draadloze stroomtechnologie wordt toegepast om de EV op te laden, wordt een sterk magnetisch veld in het bereik van enkele tientallen tot honderden kilohertz geproduceerd om verschillende KW's over te brengen naar tientallen KW's aan stroom.

EMI-impact op elektronische componenten van elektrische voertuigen

Tegenwoordig bevatten auto's met de vooruitgang in technologie meer elektronische componenten en systemen voor een goede werking en betrouwbaarheid. Als we de architectuur van elektrische voertuigen zien, worden grote hoeveelheden elektrische en elektronische systemen in een kleine ruimte geplaatst. Dit veroorzaakt elektromagnetische interferentie of overspraak tussen deze systemen. Als EMC niet goed wordt onderhouden, kunnen deze systemen defect raken of zelfs niet werken.

EMC

De meeste EMC-normen voor auto's zijn vastgesteld door de Society of Automotive Engineers (SAE), de International Standards Organization (ISO), het International Electrotechnical Committee (IEC), The Institute of Electrical and Electronics Engineers Standards Association ( IEEE -SA), de Europese Gemeenschap (EG) en de Economische Commissie voor Europa van de Verenigde Naties (VN / ECE).

ISO 11451 specificeert de algemene voorwaarden, richtlijnen en basisprincipes om het voertuig te testen om de immuniteit van ICE en elektrische voertuigen te bepalen ten opzichte van smalband uitgestraalde EMV door elektrische storingen.

ISO 11452 specificeert de algemene voorwaarden, richtlijnen en basisprincipes om de component te testen om de immuniteit van elektronische componenten van ICE en elektrische voertuigen te bepalen ten opzichte van smalband uitgestraalde EMV door elektrische storingen.

CISPR12 specificeert de limieten en meetmethoden om de uitgestraalde elektromagnetische emissies van elektrische voertuigen, ICE-voertuigen en boten te testen.

CISPR25 specificeert de limieten en methoden om de radiostoringskarakteristieken te meten en de procedure om het voertuig te testen om de RI / RE-niveaus te bepalen voor de bescherming van ontvangers die aan boord van voertuigen worden gebruikt.

SAE J551 -1 specificeert prestatieniveaus en meetmethoden van EMC van voertuigen en apparaten (60Hz-18GHz).

SAE J551 -2 specificeert testlimieten en meetmethoden voor radiostoringskenmerken (emissie) van voertuigen, motorboten en door vonken ontstoken motoraangedreven apparaten.

SAE J551-4 specificeert testlimieten en meetmethoden voor radiostoringskarakteristieken van voertuigen en apparaten, breedband en smalband, 150 KHz tot 1000 MHz.

SAE J551-5 specificeert prestatieniveaus en meetmethoden van magnetische en elektrische veldsterkte van elektrische voertuigen, 9 kHz tot 30 MHz.

SAE J551-11 specificeert de elektromagnetische immuniteit van het voertuig - bron van het voertuig uitgeschakeld.

SAE J551- 13 specificeert de elektromagnetische immuniteit van het voertuig - bulkstroominjectie.

SAE J551- 15 specificeert auto-immuniteit elektromagnetische elektrostatische ontlading die zal gebeuren in afgeschermde ruimte.

SAE J551- 17 specifiesvehicle elektromagnetische immuniteit-hoogspanningslijn magnetische velden.

2004/144 EC - Bijlage IV specificeert de meetmethode van uitgestraalde breedbandemissies van voertuigen.

2004/144 EC - Bijlage V specificeert de meetmethode van uitgestraalde smalbandemissies van voertuigen.

2004/144 EC - Bijlage VI specificeert de testmethode voor de immuniteit van voertuigen voor elektromagnetische straling.

AIS-004 (deel 3) bevat vereisten voor elektromagnetische compatibiliteit in automobielvoertuigen.

AIS-004 (Deel 3) Bijlage 2 legt de meetmethode uit van uitgestraalde breedband elektromagnetische emissies van voertuigen.

AIS-004 (deel 3) Bijlage 3 legt de meetmethode uit van uitgestraalde smalband elektromagnetische emissies van voertuigen.

AIS-004 (deel 3) Bijlage 4 legt de testmethode uit voor de immuniteit van voertuigen voor elektromagnetische straling.

AIS-004 (Deel 3) Bijlage 5 legt de meetmethode uit van uitgestraalde breedband elektromagnetische emissies van elektrische / elektronische subeenheden.

AIS-004 (deel 3) Bijlage 6 legt de meetmethode uit van uitgestraalde elektromagnetische smalbandemissies van elektrische / elektronische subeenheden.

Grenzen aan blootstelling van elektromagnetische velden aan mensen

Elektrische voertuigen produceren niet-ioniserende elektromagnetische straling die bij korte blootstelling geen effect heeft op de menselijke gezondheid. Maar als het uitgestraalde magnetische veld bij langdurige blootstelling meer is dan de standaardlimieten, heeft dit gevolgen voor de menselijke gezondheid. Bij het ontwerpen van een elektrisch voertuig moet dus rekening worden gehouden met de gevaren van blootstelling aan magnetische velden.

Elektromagnetische blootstelling aan passagiers wordt beïnvloed door verschillende configuraties, vermogensniveaus en topologieën van elektrische voertuigen zoals voorwielaandrijving of achterwielaandrijving, batterijplaatsing en de afstand tussen aandrijfapparatuur tot de passagiers enz.

Door rekening te houden met mogelijke schadelijke effecten van menselijke blootstelling aan elektromagnetische velden, internationale organisaties, waaronder de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) en de Internationale Commissie voor niet-ioniserende stralingsbescherming (ICNIRP), EU-richtlijnen, hebben IEEE limieten gespecificeerd voor de maximaal toelaatbare blootstelling aan magnetische velden openbaar.

Frequentie (Hz)	Magnetische velden H (AM ^-1)	Magnetische fluxdichtheid B (T)
<0,153 Hz	9,39 x 10 ⁴	118 x ^10-3
0,153 -20 Hz	1,44 x 10 ⁴ / v	18,1 x 10-3 / v
20-759 Hz	719	0,904 x ^10-3
759 Hz - 3 KHz	5,47 x 105 / v	687 x ^10-3 / v

Hieronder vindt u de tabel met de maximaal toegestane magnetische veldniveaus voor het grote publiek volgens de IEEE-norm

Beroepsmatig betekent mensen die worden blootgesteld aan elektromagnetische velden tijdens hun normale werkactiviteiten.

Algemeen publiek betekent de rest van het publiek anders dan beroepsmatig blootgesteld aan elektromagnetische velden

Oriëntatiewaarden hebben geen nadelig effect op de gezondheid onder normale werkomstandigheden en voor personen die geen actief geïmplanteerd medisch hulpmiddel hebben of zwanger zijn. Deze komen overeen met de veldsterkte.

Actiewaarde veroorzaakt enkele effecten die aan deze niveaus worden blootgesteld. Deze komen overeen met het maximaal direct meetbare veld.

In principe is de actiewaarde hoger dan de oriëntatiewaarde.
Beroepsmatige blootstellingswaarden van het publiek zijn hoger dan die voor het algemene blootstellingsniveau.

Elektromagnetische compatibiliteitstests

EMC-tests moeten worden uitgevoerd om te controleren of een elektrisch voertuig aan de vereiste normen voldoet of niet . Er worden laboratoriumtests en tests op de weg uitgevoerd op elektrische voertuigen om de EMC te beoordelen. Deze tests bestaan uit emissie-, gevoeligheids- en immuniteitstests.

Laboratoriumtests worden uitgevoerd om de magnetische veldemissies en gevoeligheid van alle elektrische apparatuur aan boord in een EMC-testkamer te karakteriseren. Deze kamers zijn echovrije en nagalmtypes.

Voor uitgevoerde emissietests worden transducers onder meer gebruikt door het lijnimpedantie-stabilisatienetwerk (LISN) of het kunstmatige lichtnet (AMN). Voor het testen van stralingsemissie worden antennes gebruikt als transducers. De uitgestraalde emissies worden gemeten in alle richtingen rond het te testen apparaat (DUT).

Gevoeligheidstesten maken gebruik van een krachtige bron van RF EM-energie en een stralende antenne om de elektromagnetische energie naar de TU Delft te leiden. Tijdens het testen op een elektrisch voertuig, behalve het te testen apparaat (DUT), wordt alles uitgeschakeld en wordt het magnetische veld gemeten.

Buitentests worden uitgevoerd in een reële rijomstandigheden op de weg. Bij deze tests moet het geteste voertuig met maximale acceleratie en deceleratie rijden om maximale stroom tijdens tractie en regeneratief remmen te garanderen. Deze tests worden uitgevoerd op rechte wegen waar de magnetische velden door de aarde constant zijn en in sommige gevallen op steile wegen. Tijdens het uitvoeren van tests op de weg moeten we de externe magnetische verstoringen van externe bronnen identificeren, zoals spoorlijnen, putdeksels en andere auto's, stroomdistributieapparatuur, hoogspanningsleidingen en stroomtransformatoren.

Ontwerprichtlijnen voor betere EMC en om de EMI te verlagen

Gelijkstroomkabels met hoge stromen moeten in gedraaide vorm worden gemaakt, zodat de stroom in deze kabel in tegengestelde richting stroomt, waardoor de emissie van EMV tot een minimum wordt beperkt.
Driefasige wisselstroomkabels moeten worden gedraaid en zo dicht mogelijk bij elkaar worden geplaatst om de emissie van EMV tot een minimum te beperken.
En al deze stroomkabels moeten zo ver mogelijk van de passagiersstoel verwijderd zijn. En deze verbindingen mogen geen lus vormen.
Als de afstand tussen de passagiersstoelen en de kabel minder dan 200 mm bedraagt, moet voor afscherming worden gezorgd.
Motoren moeten verder van de passagiersstoel worden geplaatst en de rotatieas van de motor mag niet naar de passagiersstoel wijzen.
Aangezien staal een beter afschermend effect heeft, moet als het gewicht het toelaat in plaats van aluminium, een stalen metalen behuizing worden gebruikt voor de motor.
Als de afstand tussen de motor en de passagiersstoel minder dan 500 mm is, moet een afscherming zoals stalen plaat worden gebruikt tussen de motor en de passagiersstoel.
De motorbehuizing moet op de juiste manier op het chassis worden geaard om eventuele elektrische potentiaal te minimaliseren.
Om de kabellengte tussen de omvormer en de motor te minimaliseren, zijn ze zo dicht mogelijk bij elkaar gemonteerd.
Om de stootspanning, asstroom en uitgestraalde ruis te onderdrukken, moet een EMI-ruisregelaar op de motorklemmen worden aangesloten.
Een digitaal actief EMI-filter moet worden geïntegreerd in de digitale controller van een DC-DC-omzetter om de laagspanningsbatterij op te laden en om een aanzienlijke EMI-verzwakking te bieden.
Om de EMI tijdens draadloos opladen te onderdrukken, is resonante reactieve afscherming ontwikkeld. Hier gaat het magnetische lekveld door de resonerende reactieve afschermspoelen op een zodanige manier dat de geïnduceerde EMF in elke afschermspoel de invallende EMF kan opheffen en de magnetische veldlekkage effectief kan worden onderdrukt zonder extra stroom te verbruiken.
Geleidende afscherming, magnetische afscherming en actieve afschermingstechnologieën zijn ontwikkeld om de emissie van elektromagnetische velden van het WPT-systeem af te schermen.
Voor elektrische voertuigen is een EMI-ruisregelaar ontwikkeld, die op de motorklemmen wordt bevestigd om de stootspanning, asstroom en uitgestraalde ruis te onderdrukken.