Sähköajoneuvojen sähkömagneettinen yhteensopivuus

Kun virta kulkee johtimen läpi, se luo sähkömagneettisia kenttiä ja melkein kaikki elektroniset laitteet, kuten televisiot, pesukoneet, induktioliesi, liikennevalot, matkapuhelimet, pankkiautomaatit ja kannettavat tietokoneet, lähettävät sähkömagneettisia kenttiä. Fossiilisten polttoaineiden ajoneuvot kärsivät myös sähkömagneettisista häiriöistä (EMI) - Sytytysjärjestelmä, käynnistysmoottori ja kytkimet aiheuttavat laajakaistaisen EMI: n ja elektroniset laitteet aiheuttavat kapeakaistaisen EMI: n. Mutta verrattuna ICE-ajoneuvoihin (sisäinen polttomoottori), sähköajoneuvot ovat yhdistelmä erilaisia ​​osajärjestelmiä ja elektronisia komponentteja, kuten akku, BMS, DC-DC-muunnin, invertteri, sähkömoottori, ajoneuvon ympäri jaetut suuritehoiset kaapelit ja laturit työskentelevät suurilla tehotasoilla ja taajuuksilla, mikä aiheuttaa korkean tason matalataajuisen EMI-päästön.

Jos tarkkailemme käytettävissä olevien sähköajoneuvojen tehoa ja jänniteluokituksia, tehoarvot ovat muutamien kymmenien kW: n ja satojen kW: n välillä, kun taas jännitearvot ovat satoja volttia, joten virtatasot ovat satoissa ampeereissa, mikä aiheuttaa voimakkaampia magneettikenttiä

• Nissan LEAF: lla on 125 kW: n takapyöräveto 400 V _{DC: llä}
• BMW i3: n takaveto on 125 kW ja toimii 500 V _{DC: llä}
• Tesla-mallilla S on 235 kW takavetoinen käyttö 650 V _{DC: llä}
• Toyota Prius (3. sukupolvi) on 74 kW: n etuveto toimii 400 V _{DC: llä}
• Toyota Prius PHV: n etuveto on 60 kW, ja se toimii 350 V _{DC: llä}
• Chevrolet Volt PHV: n etupyöräveto on 55 kW (x2) 400 V _{DC: n jännitteellä}

Tarkastellaan sähköajoneuvoa, jonka 100 kW: n sähkökäyttö toimii 400 V: lla, sillä sen virta on 250 A, mikä luo voimakkaan magneettikentän. Ajoneuvoa suunniteltaessa meidän on arvioitava kaikkien näiden osajärjestelmien ja komponenttien EMC (sähkömagneettinen yhteensopivuus) komponenttien turvallisuuden ja elävien olentojen turvallisuuden varmistamiseksi.

EMC: hen ja EMI: hen liittyvät termit ja määritelmät

Laitteen tai laitteen EMC (sähkömagneettinen yhteensopivuus) tarkoittaa sen kykyä olla altistumatta sähkömagneettiselle kentälle (EMF) eikä vaikuttaa muihin järjestelmien toimintaan EMF: n kanssa, kun se toimii sähkömagneettisessa ympäristössä. EMC edustaa sähkömagneettista säteilyä, herkkyyttä, immuniteettia ja kytkentäkysymyksiä.

Sähkömagneettinen säteily tarkoittaa sähkömagneettisen energian tuottamista ja vapauttamista ympäristöön. Kaikki ei-toivotut päästöt aiheuttavat häiriöitä tai häiriöitä muille elektronisille laitteille, jotka toimivat samassa ympäristössä, eli sähkömagneettisina häiriöinä (EMI).

Sähkömagneettista herkkyys laitteen osoittaa sen alttius ei-toivottuja päästöjä ja häiriötä, joka aiheuttaa toimintahäiriön tai hajottaa laitteen. Jos laite on herkempi, se on vähemmän immuuni sähkömagneettisille häiriöille.

Laitteen sähkömagneettinen häiriönsieto tarkoittaa sen kykyä toimia normaalisti sähkömagneettisen ympäristön läsnä ollessa ilman häiriöitä tai häiriöitä toisen elektronisen laitteen sähkömagneettisten säteilyjen vuoksi.

Sähkömagneettinen kytkentä tarkoittaa yhden laitteen lähettämän sähkömagneettisen kentän mekanismia, joka saavuttaa toisen laitteen tai häiritsee sitä.

Sähkömagneettisten häiriöiden lähteet (EV) EV: ssä

• Tehomuuntajien tiedetään olevan tärkein sähkömagneettisten häiriöiden lähde sähkökäyttöisissä järjestelmissä. Näillä on nopea kytkentälaite, esim. Tavanomaiset eristetyt porttiset kaksisuuntaiset transistorit (IGBT) toimivat taajuuksilla, jotka vaihtelevat 2-20 kHz, nopeat IGBT: t voivat toimia jopa 50 kHz: n taajuudella ja SiC MOSFET voivat jopa toimia yli 150 KHz: n taajuuksilla.
• Sähkömoottorit, jotka toimivat suurilla tehoilla aiheuttaa sähkömagneettisia päästöjä ja se toimii polku EM melun läpi impedanssivaatimuksia. Ja tämä impedanssi muuttuu taajuuden funktiona. Koska sähkömoottorikäytöt käyttävät voimanlähteitä, joilla on nopea PWM-kytkentä, moottorin liittimissä esiintyy ylijännitteitä, jotka aiheuttavat säteilevän EM-melun. Akselivirta voi vahingoittaa moottorin laakereita ja ajoneuvon ohjaimen toimintahäiriöitä.
• Kun vetoparistot jakautuvat, paristojen ja yhdysjohtimien virroista tulee merkittävä lähde EMF-päästöille, ja nämä ovat tärkein osa EMI-reittiä.
• Suojatut ja suojaamattomat kaapelit, jotka kuljettavat suurta virtaa eri osajärjestelmien välillä, kuten akku-tehomuuntaja, tehomuuntaja moottoriin jne., EV: ssä aiheuttavat voimakkaampia magneettikenttiä. Koska EV: n käytettävissä oleva tila johtosarjaa varten on rajallinen, korkea- ja matalajännitekaapelit sijoitetaan lähelle toisiaan aiheuttaen sähkömagneettisia häiriöitä niiden välillä.
• Akkulaturit ja langattomat latauslaitteet ovat tärkeimmät ulkoiset EMI-lähteet paitsi EV: n sisäinen EMI-lähde. Kun langatonta sähkötekniikkaa käytetään sähköauton lataamiseen, vahva magneettikenttä, joka on useiden kymmenien - satojen kilohertsien alueella, tuottaa useita kW: n siirtämistä kymmeniin kW: n tehoon.

EMI-vaikutus sähköajoneuvojen elektronisiin komponentteihin

Nykyään tekniikan kehittyessä autot sisältävät enemmän elektronisia komponentteja ja järjestelmiä moitteettoman toiminnan ja luotettavuuden takaamiseksi. Jos näemme sähköajoneuvojen arkkitehtuurin, suuri määrä sähköisiä ja elektronisia järjestelmiä sijoitetaan suljettuun tilaan. Tämä aiheuttaa sähkömagneettisia häiriöitä tai ristipuhelua näiden järjestelmien välillä. Jos EMC: tä ei ylläpidetä kunnolla, nämä järjestelmät voivat toimia viallisina tai jopa epäonnistua.

EMC

Suurimman osan autojen EMC-standardeista asettaa Automotive Engineers Society (SAE), kansainvälinen standardointijärjestö (ISO), kansainvälinen sähkötekninen komitea (IEC), Institute of Electrical and Electronics Engineers Standards Association ( IEEE -SA), Euroopan yhteisö (EY) ja Yhdistyneiden Kansakuntien Euroopan talouskomissio (UNECE).

ISO 11451 määrittää yleiset ehdot, ohjeet ja perusperiaatteet ajoneuvon testaamiseksi ICE: n ja sähköajoneuvojen immuniteetin määrittämiseksi kapeakaistaisen säteilevän sähkömagneettisen häiriön yli.

ISO 11452 määrittelee yleiset ehdot, ohjeet ja perusperiaatteet komponentin testaamiseksi ICE: n ja sähköajoneuvojen elektronisten komponenttien häiriönsieton määrittämiseksi kapeakaistaisen säteilevän sähkömagneettisen häiriön yli.

CISPR12 määrittelee rajat ja mittausmenetelmät sähköajoneuvojen, ICE-ajoneuvojen ja veneiden säteilevien sähkömagneettisten säteilyjen testaamiseksi.

CISPR25 määrittelee rajat ja menetelmät radiohäiriöominaisuuksien mittaamiseksi ja menetelmän ajoneuvon testaamiseksi RI / RE-tasojen määrittämiseksi ajoneuvoissa käytettävien vastaanottimien suojaamiseksi.

SAE J551 -1 määrittelee ajoneuvojen ja laitteiden (60Hz-18GHz) EMC-suorituskyvyn ja mittausmenetelmät.

SAE J551 -2 määrittää testirajat ja menetelmät ajoneuvojen, moottoriveneiden ja kipinäsytytettyjen moottorikäyttöisten laitteiden radiohäiriöiden (päästöjen) ominaisuuksien mittaamiseksi.

SAE J551-4 määrittelee testirajat ja menetelmät ajoneuvojen ja laitteiden, laajakaistaisen ja kapeakaistaisen, 150 KHz - 1000 MHz radiohäiriöominaisuuksien mittaamiseksi.

SAE J551-5 määrittelee suorituskykytasot ja menetelmät magneettisen ja sähköisen kentän voimakkuuden mittaamiseksi sähköajoneuvoista, 9 kHz - 30 MHz.

SAE J551-11 määrittelee ajoneuvon sähkömagneettisen häiriön häiriön lähteen.

SAE J551- 13 täsmennetään ajoneuvon sähkömagneettinen suojaus-BCI.

SAE J551- 15 täsmennetään ajoneuvon sähkömagneettinen suojaus, sähköstaattisen purkauksen, joka tehdään suojatussa huoneessa.

SAE J551- 17 specifiesvehicle sähkömagneettinen suojaus-sähkölinja magneettikenttiä.

2004/144 EY - Liite IV täsmentää ajoneuvojen säteilevien laajakaistapäästöjen mittausmenetelmän.

2004/144 EY - Liite V täsmentää ajoneuvojen säteilevien kapeakaistapäästöjen mittausmenetelmän.

2004/144 EY - Liitteessä VI määritetään testausmenetelmä ajoneuvojen sietokyvylle sähkömagneettiselle säteilylle.

AIS-004 (osa 3) sisältää vaatimukset ajoneuvojen sähkömagneettiselle yhteensopivuudelle.

AIS-004 (osa 3) Liitteessä 2 selitetään ajoneuvojen säteilevien laajakaistaisen sähkömagneettisen säteilyn mittausmenetelmä.

AIS-004 (osa 3) Liite 3 selittää menetelmän ajoneuvojen säteilevien kapeakaistaisten sähkömagneettisten päästöjen mittaamiseksi.

AIS-004 (osa 3) Liitteessä 4 selitetään menetelmä ajoneuvojen sähkömagneettisen säteilyn sietokyvyn testaamiseksi.

AIS-004 (osa 3) Liitteessä 5 selitetään menetelmä sähköisten / elektronisten osakokoonpanojen säteilemien laajakaistojen sähkömagneettisten päästöjen mittaamiseksi.

AIS-004 (osa 3) Liite 6 selittää menetelmän sähköisten / elektronisten osakokoonpanojen säteilevien kapeakaistaisten sähkömagneettisten päästöjen mittaamiseksi.

Rajat sähkömagneettisten kenttien altistumiselle ihmisille

Sähköajoneuvot tuottavat ionisoimattomia sähkömagneettisia säteilyjä, jotka eivät vaikuta ihmisten terveyteen lyhyessä ajassa. Mutta pitkällä altistuksella, jos säteilevä magneettikenttä ylittää standardirajat, se vaikuttaa ihmisten terveyteen. Joten sähköajoneuvojen suunnittelussa on otettava huomioon magneettikentän altistumisen vaarat.

Sähkömagneettiselle altistumiselle matkustajille vaikuttavat sähköajoneuvojen erilaiset kokoonpanot, tehotasot ja topologiat, kuten etuveto tai takaveto, paristojen sijoittelu ja voimalaitteiden välinen etäisyys matkustajiin jne.

Harkitsemalla ihmisten sähkömagneettisille kentille altistumisen mahdollisia haitallisia vaikutuksia kansainväliset järjestöt, kuten Maailman terveysjärjestö (WHO) ja Kansainvälinen ionisoimattoman säteilyn suojelun komissio (ICNIRP), EU: n direktiivit, IEEE on määritellyt rajat magneettikentän suurimmalle sallitulle altistumiselle. julkinen.

Taajuus (Hz)	Magneettikentät H (AM -1)	Magneettivuon tiheys B (T)
<0,153 Hz	9,39 x 10 4	118 x 10-3
0,153 - 20 Hz	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

Alla on taulukko, joka näyttää suurimmat sallitut magneettikentät yleisölle IEEE-standardin mukaisesti

Ammatillinen tarkoittaa ihmisiä, jotka ovat alttiita sähkömagneettiselle kentälle työskennellessään säännöllisesti.

Suurella yleisöllä tarkoitetaan muuta kuin sähkömagneettisille kentille altistuvaa muuta yleisöä

Suunta-arvoilla ei ole haitallisia terveysvaikutuksia normaaleissa työolosuhteissa ja henkilöille, joilla ei ole aktiivista implantoitua lääkinnällistä laitetta tai jotka ovat raskaana. Nämä vastaavat kentän voimakkuutta.

Toiminta-arvo aiheuttaa joitain vaikutuksia, jotka altistuvat näille tasoille. Nämä vastaavat suurinta suoraan mitattavaa kenttää.

• Periaatteessa Toiminta-arvo on suurempi kuin Suunta-arvo.
• Julkisen työperäisen altistuksen arvot ovat korkeammat kuin yleisen altistumisen tasolla.

Sähkömagneettisen yhteensopivuuden testit

EMC-testaus on tehtävä sen tarkistamiseksi, täyttääkö sähköajoneuvo vaaditut standardit vai ei . Sähköajoneuvoille suoritetaan laboratoriotestit ja tiestestit EMC: n arvioimiseksi. Nämä testit koostuvat päästö-, herkkyys- ja immuniteettitestistä.

Laboratoriokokeet tehdään kaikkien EMC-testikammion sisäisten sähkölaitteiden magneettikenttäemissioiden ja herkkyyden kuvaamiseksi. Nämä kammiot ovat kaiuttomia ja jälkikaiuntaisia.

Suoritetuissa päästötesteissä muuntimet sisältävät linjaimpedanssin stabilointiverkon (LISN) tai keinotekoisen verkkoverkon (AMN). Ja säteilevää testaus, antenneja käytetään muuntimia. Säteilypäästöt mitataan testattavan laitteen (DUT) ympäri kaikkiin suuntiin.

Herkkyystestauksessa käytetään suuritehoista RF EM -energialähdettä ja säteilevää antennia sähkömagneettisen energian ohjaamiseksi DUT: iin. Testattaessa sähköajoneuvoa paitsi testattavaa laitetta (DUT) kaikki kytketään pois päältä ja sitten magneettikenttä mitataan.

Ulkotestit tehdään tosielämässä tieliikenteen olosuhteissa. Näissä testeissä testattavan ajoneuvon on ajettava suurimmalla kiihtyvyydellä ja hidastuksella, jotta varmistetaan suurin virta virran ja regeneratiivisen jarrutuksen aikana. Nämä testit suoritetaan suoralla tiellä, jossa maan aiheuttamat magneettikentät ovat vakiot, ja joissakin tapauksissa jyrkillä rinteillä. Suoritettaessa tieliikennekokeita meidän on tunnistettava ulkoiset magneettiset häiriöt ulkoisista lähteistä, kuten rautatielinjoista, tarkastusluukkuista ja muista autoista, sähkönjakelulaitteista, suurjännitelinjoista ja voimamuuntajista.

Suunnitteluohjeet EMC: n parantamiseksi ja EMI: n laskemiseksi

• Tasavirtajohdot, jotka kuljettavat suurta virtaa, tulisi tehdä kierretyssä muodossa niin, että tämän kaapelin virta vastakkaiseen suuntaan johtaa EMF-päästöjen minimoimiseen.
• Kolmivaiheiset vaihtokaapelit on kierrettävä ja ne on sijoitettava mahdollisimman lähelle EMF-päästöjen minimoimiseksi.
• Ja kaikki nämä virtajohdot on sijoitettava mahdollisimman kauas matkustajan istuimen alueelta. Ja näiden yhteyksien ei pitäisi muodostaa silmukkaa.
• Jos matkustajan istuinten ja kaapelin välinen etäisyys on alle 200 mm, on käytettävä suojausta.
• Moottorit on sijoitettava kauemmas matkustajan istuimen alueesta, eikä moottorin pyörimisakseli saa osoittaa matkustajan istuimen aluetta kohti.
• Koska teräksellä on parempi suojaava vaikutus, jos paino sallii alumiinin sijasta, moottoriin on käytettävä teräsmetallikoteloa.
• Jos moottorin ja matkustajan istuimen välinen etäisyys on alle 500 mm, moottorin ja matkustajan istuimen välillä on käytettävä suojaavaa teräslevyä.
• Moottorin kotelo tulee maadoittaa runkoon kunnolla sähköpotentiaalin minimoimiseksi.
• Taajuusmuuttajan ja moottorin välisen kaapelin pituuden minimoimiseksi ne on asennettu mahdollisimman lähelle toisiaan.
• Ylijännitteen, akselivirran ja säteilyn aiheuttaman melun vaimentamiseksi moottorin liittimiin on kiinnitettävä EMI-melusäädin.
• Digitaalinen aktiivinen EMI-suodatin on integroitava DC-DC-muuntimen digitaaliseen ohjaimeen matalajännitteisen akun lataamiseksi ja merkittävän EMI-vaimennuksen aikaansaamiseksi.
• EMI: n vaimentamiseksi langattoman latauksen aikana on kehitetty resonanssireaktiivinen suojaus. Tällöin vuotava magneettikenttä kulkee resonanssireaktiivisten suojakäämpien läpi siten, että kussakin suojakäämisessä indusoitu EMF voi peruuttaa tulevan EMF: n ja magneettikentän vuoto voidaan estää tehokkaasti kuluttamatta lisätehoa.
• Johtavaa suojausta, magneettista suojausta ja aktiivista suojausta koskevat tekniikat on kehitetty suojaamaan WPT-järjestelmän sähkömagneettisen kentän päästöjä.
• Sähköajoneuvoille on kehitetty EMI-melusäädin, joka on kiinnitetty moottorin liittimiin ylijännitteen, akselivirran ja säteilyn aiheuttaman melun vaimentamiseksi.