Compatibilitat electromagnètica en vehicles elèctrics

Quan el corrent passa a través d’un conductor crea camps electromagnètics i gairebé tots els dispositius electrònics com televisors, rentadores, estufes d’inducció, semàfors, telèfons mòbils, caixers automàtics i portàtils, etc., emetran els camps electromagnètics. Els vehicles amb combustible fòssil també pateixen interferències electromagnètiques (EMI): el sistema d’encesa, el motor d’arrencada i els interruptors provoquen EMI de banda ampla i els dispositius electrònics provoquen EMI de banda estreta. Però, en comparació amb els vehicles ICE (Motor de combustió interna), els vehicles elèctrics són una combinació de diversos subsistemes i components electrònics com la bateria, el BMS, el convertidor CC-CC, l’inversor, el motor elèctric, els cables d’alta potència distribuïts al voltant del vehicle i els carregadors. treballen a nivells de potència i freqüència elevats, cosa que provoca l’emissió d’EMI de baixa freqüència d’alt nivell.

Si observem la potència i les tensions nominals dels vehicles elèctrics disponibles, les potències nominals oscil·len entre poques desenes de KW i centenars de KW, mentre que les tensions estan en centenars de volts, de manera que els nivells de corrent seran en centenars d’amperes, cosa que provoca camps magnètics més forts.

• Nissan LEAF té una tracció posterior de 125 kW que funciona amb 400 V _CC
• El BMW i3 té una tracció posterior de 125 kW que funciona amb 500 V _CC
• El model Tesla S té 235 kW de tracció posterior a 650 V _CC
• El Toyota Prius (3a generació) té 74 kW de tracció davantera a 400 V _CC
• El Toyota Prius PHV té una tracció davantera de 60 kW i funciona amb 350 V _CC
• Chevrolet Volt PHV té una tracció davantera nominal de 55 kW (x2) que funciona en 400 V _CC

Deixar que consideren un vehicle elèctric amb 100 kW de funcionament d'accionament elèctric a 400 V mitjans que està tenint el corrent de 250A que crea un camp magnètic fort. Durant el disseny del vehicle hem d’avaluar la compatibilitat electromagnètica (EMC) de tots aquests subsistemes i components per garantir la seguretat dels components i la dels éssers vius.

Termes i definicions relacionats amb EMC i EMI

La compatibilitat electromagnètica (compatibilitat electromagnètica) d’un dispositiu o equip significa que és possible que el camp electromagnètic (CEM) no es vegi afectat i que no afecti el funcionament d’altres sistemes amb la seva CEM quan funciona en un entorn electromagnètic. L’EMC representa problemes d’emissió electromagnètica, susceptibilitat, immunitat i acoblament.

L’ emissió electromagnètica significa la generació i l’alliberament d’energia electromagnètica a l’entorn. Qualsevol emissió no desitjada provoca interferències o pertorbacions en el funcionament d'un altre dispositiu electrònic que funcioni en el mateix entorn, és a dir, conegut com a interferència electromagnètica (EMI).

La susceptibilitat electromagnètica d’un dispositiu indica la seva vulnerabilitat davant d’emissions i interferències no desitjades que provoquen el mal funcionament o el trencament del dispositiu. Si un dispositiu és més susceptible significa que és menys immune a les interferències electromagnètiques.

La immunitat electromagnètica d’un dispositiu significa que és capaç de funcionar normalment en presència d’un entorn electromagnètic sense experimentar interferències ni trencar-se a causa de les emissions electromagnètiques d’un altre dispositiu electrònic.

L’acoblament electromagnètic significa el mecanisme del camp electromagnètic emès per un dispositiu que arriba o interfereix amb un altre dispositiu.

Fonts d’interferència electromagnètica (EMI) en EV

• Es coneix que els convertidors de potència són la principal font d’interferències electromagnètiques dels sistemes d’accionament elèctric. Aquests disposen de dispositius de commutació d’alta velocitat, per exemple, els transistors bipolars de porta aïllats (IGBT) convencionals funcionen a freqüències que oscil·len entre 2 i 20 kHz, els IGBT ràpids poden funcionar fins a 50 kHz i els MOSFET SiC fins i tot poden funcionar amb freqüències superiors a 150 KHz.
• Els motors elèctrics que funcionen a nivells elevats de potència provoquen emissions electromagnètiques i actuen com a camí del soroll EM a través de la seva impedància. I aquesta impedància canvia en funció de la freqüència. Com que les accions de motors elèctrics utilitzen inversors de potència amb operació de commutació PWM d’alta velocitat, es produeixen tensions de sobretensió als terminals del motor, que causen el soroll EM radiat. I el corrent de l’eix pot causar danys als coixinets del motor i mal funcionament del controlador del vehicle.
• A mesura que es distribueixen les bateries de tracció, els corrents de les bateries i dels interconnectors es converteixen en una font important d’emissió de CEM i aquestes són la part principal del camí per a l’EMI.
• Els cables blindats i no blindats que transporten corrent d’alt nivell entre diversos subsistemes, com ara el convertidor de potència a bateria, el convertidor de potència a motor, etc., a l’EV provoca camps magnètics més forts. Com que l’espai disponible a l’eV per al cablejat és limitat, els cables d’alta i baixa tensió es col·loquen a prop l’un de l’altre i provoquen interferències electromagnètiques entre ells.
• Els carregadors de bateries i les instal·lacions de càrrega sense fils són les principals fonts EMI externes, a part de la font EMI interna EV. Quan s’aplica la tecnologia d’alimentació sense fils per carregar l’EV, un fort camp magnètic de diverses desenes a centenars de kilohertz produeix la transferència de diversos KW a desenes de KW de potència.

Impacte EMI en components electrònics de vehicles elèctrics

Actualment, amb l’avenç tecnològic, els automòbils contenen més components i sistemes electrònics per a un funcionament i fiabilitat adequats. Si veiem l’arquitectura del vehicle elèctric una gran quantitat de sistemes elèctrics i electrònics col·locats en un espai reduït. Això provoca interferències electromagnètiques o converses creuades entre aquests sistemes. Si l’EMC no es manté correctament, aquests sistemes poden funcionar malament o fins i tot poden no funcionar.

EMC

La majoria dels estàndards EMC per a automoció són establerts per la Society of Automotive Engineers (SAE), l’Organització Internacional de Normes (ISO), el Comitè Electrotècnic Internacional (IEC), l’Institut d’ Estàndards d’ Enginyers d’Electricitat i Electrònica ( IEEE -SA), el Comunitat Europea (CE) i la Comissió Econòmica de les Nacions Unides per a Europa (UNECE).

La norma ISO 11451 especifica les condicions generals, les directrius i els principis bàsics per provar el vehicle per determinar la immunitat de l’ICE i dels vehicles elèctrics davant de CEM pertorbats elèctrics de banda estreta.

La norma ISO 11452 especifica les condicions generals, les directrius i els principis bàsics per provar el component per determinar la immunitat dels components electrònics de l’ICE i dels vehicles elèctrics davant de CEM pertorbats elèctrics de banda estreta.

CISPR12 especifica els límits i mètodes de mesura per provar les emissions electromagnètiques irradiades de vehicles elèctrics, vehicles ICE i embarcacions.

CISPR25 especifica els límits i mètodes per mesurar les característiques de les pertorbacions de ràdio i el procediment per provar el vehicle per determinar els nivells RI / RE per a la protecció dels receptors utilitzats a bord dels vehicles.

SAE J551 -1 especifica nivells de rendiment i mètodes de mesura de CEM de vehicles i dispositius (60Hz-18GHz).

El SAE J551 -2 especifica els límits de prova i els mètodes de mesura de les característiques de pertorbació (emissió) de ràdio de vehicles, llanxes a motor i dispositius accionats per motors encès per espurnes.

El SAE J551-4 especifica els límits de prova i els mètodes de mesura de les característiques de pertorbació per ràdio de vehicles i dispositius, banda ampla i banda estreta, de 150 KHz a 1000 MHz.

El SAE J551-5 especifica els nivells de rendiment i els mètodes de mesura de la intensitat del camp magnètic i elèctric dels vehicles elèctrics, de 9 kHz a 30 MHz.

El SAE J551-11 especifica la font del vehicle per a la immunitat electromagnètica del vehicle.

SAE J551- 13 especifica vehicle electromagnètica immunitat a granel d'injecció de corrent.

El SAE J551- 15 especifica la descàrrega electrostàtica d'immunitat electromagnètica del vehicle que es farà a l'habitació blindada.

El SAE J551- 17 especifica els camps magnètics de la línia elèctrica d’immunitat electromagnètica del vehicle.

2004/144 CE : l’ annex IV especifica el mètode de mesura de les emissions de banda ampla radiades dels vehicles.

2004/144 CE : l’ annex V especifica el mètode de mesura de les emissions de banda estreta irradiades dels vehicles.

2004/144 CE - L' annex VI especifica el mètode de prova de la immunitat dels vehicles a la radiació electromagnètica.

AIS-004 (Part 3) proporciona requisits per a la compatibilitat electromagnètica en vehicles d'automoció.

L'AIS-004 (part 3) de l'annex 2 explica el mètode de mesura de les emissions electromagnètiques de banda ampla irradiades dels vehicles.

AIS-004 (Part 3) L'annex 3 explica el mètode de mesura de les emissions electromagnètiques de banda estreta irradiades dels vehicles.

AIS-004 (Part 3) L'annex 4 explica el mètode de prova de la immunitat dels vehicles a la radiació electromagnètica.

L'AIS-004 (part 3) de l'annex 5 explica el mètode de mesura de les emissions electromagnètiques de banda ampla irradiades de subconjunts elèctrics / electrònics.

L'AIS-004 (part 3) de l'annex 6 explica el mètode de mesura de les emissions electromagnètiques de banda estreta irradiats de subconjunts elèctrics / electrònics.

Límits a l'exposició de camps electromagnètics als humans

Els vehicles elèctrics produeixen radiacions electromagnètiques no ionitzants que no afecten la salut humana durant una exposició breu. Però per a una exposició prolongada si el camp magnètic radiat supera els límits estàndard, afecta la salut humana. Per tant, mentre es dissenya el vehicle elèctric, s’han de tenir en compte els perills amb exposició al camp magnètic.

L’exposició electromagnètica als passatgers es veu afectada per diferents configuracions, nivells de potència i topologies de vehicles elèctrics com la tracció davantera o la tracció posterior, la col·locació de la bateria i la distància entre l’equip elèctric i els passatgers, etc.

En considerar possibles efectes nocius de l'exposició humana a camps electromagnètics, organitzacions internacionals, incloses l'Organització Mundial de la Salut (OMS) i la Comissió Internacional per a la Protecció contra les Radiacions No Ionitzants (ICNIRP), les directives de la UE, IEEE han especificat límits a l'exposició màxima permesa al camp magnètic a públic.

Freqüència (Hz)	Camps magnètics H (AM -1)	Densitat de flux magnètic 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

A continuació es mostra la taula que mostra els nivells màxims de camp magnètic admissibles per al públic en general segons l'estàndard IEEE

Ocupacional: les persones que estan exposades a CEM mentre realitzen les seves activitats laborals regulars.

Per públic general s’entén la resta de públic que no sigui ocupacional exposat a camps electromagnètics

Els valors d’orientació no tenen efectes adversos sobre la salut en condicions normals de treball i per a persones que no tinguin cap dispositiu mèdic implantat actiu ni estiguin embarassades. Aquests corresponen a la intensitat del camp.

El valor de l'acció provoca alguns efectes exposats a aquests nivells. Aquests corresponen al camp màxim directament mesurable.

• Bàsicament, el valor de l’acció és superior al valor d’orientació.
• Els valors d’exposició pública ocupacional són superiors als del nivell d’exposició pública general.

Proves de compatibilitat electromagnètica

Cal fer proves EMC per comprovar si el vehicle elèctric compleix o no els estàndards requerits . Es realitzen proves de laboratori i proves de carretera en vehicles elèctrics per avaluar la compatibilitat electromagnètica. Aquestes proves consisteixen en proves d’emissions, susceptibilitat i immunitat.

Es fan proves de laboratori per caracteritzar les emissions i susceptibilitat del camp magnètic de tots els equips elèctrics de bord en una cambra de proves EMC. Aquestes cambres són de tipus anecoic i de reverberació.

Per a les proves d’emissions realitzades, els transductors inclouen la xarxa d’estabilització d’impedància de línia (LISN) o s’utilitza la xarxa de xarxa artificial (AMN). Per a proves d’emissions radiades, les antenes s’utilitzen com a transductors. Les emissions radiades es mesuren en totes les direccions al voltant del dispositiu en prova (DUT).

Les proves de sensibilitat utilitzen una font d’energia de RF d'alta potència i una antena radiant per dirigir l’energia electromagnètica cap al DUT. Durant la prova en vehicles elèctrics, excepte en el dispositiu en prova (DUT), tot s’apagarà i es mesurarà el camp magnètic.

Les proves externes es fan en un món real en condicions de conducció per carretera. En aquestes proves, el vehicle sotmès a prova ha de conduir amb la màxima acceleració i desacceleració per garantir el màxim corrent durant la tracció i la frenada regenerativa. Aquestes proves es realitzaran en carreteres rectes on els camps magnètics deguts a la terra són constants i en alguns casos en carreteres amb forts pendents. Mentre realitzem proves de carretera, hem d’identificar les pertorbacions magnètiques externes de fonts externes, com ara línies de ferrocarril, tapes de clavegueram i altres cotxes, equips de distribució d’energia, línies de transmissió d’alta tensió i transformadors de potència.

Dissenyeu pautes per a una millor EMC i per reduir l’EMI

• Els cables de corrent continu que tinguin corrents elevats s’han de fabricar de forma retorçada de manera que el corrent d’aquest cable flueixi en direcció oposada i redueixi al mínim l’emissió de CEM.
• Els cables de corrent altern trifàsics s’han de torçar i han de situar-se el més a prop possible per minimitzar les emissions de CEM.
• I tots aquests cables d’alimentació s’han de situar el més lluny possible de la regió del seient del passatger. I aquestes connexions no haurien de formar un bucle.
• Si la distància entre els seients del passatger i el cable és inferior a 200 mm, cal adoptar un blindatge.
• Els motors s’han de col·locar més lluny de la zona del seient del passatger i l’eix de rotació del motor no ha d’orientar cap a la zona del seient del passatger.
• Com que l'acer té un millor efecte de protecció, si el pes ho permet en lloc d'alumini, cal utilitzar carcasses metàl·liques d'acer per al motor.
• Si la distància entre la zona del seient del motor i el del passatger és inferior a 500 mm, s’ha d’utilitzar un blindatge com la placa d’acer entre la zona del seient del motor i el del passatger.
• La carcassa del motor ha d’estar connectada a terra al xassís adequadament per minimitzar el potencial elèctric.
• Per minimitzar la longitud del cable entre l'inversor i el motor, es van muntar el més a prop possible.
• Per suprimir la tensió de sobretensió, el corrent de l’eix i el soroll irradiat, s’ha de connectar un controlador de soroll EMI als terminals del motor.
• Cal integrar un filtre digital EMI actiu al controlador digital d’un convertidor DC-DC per carregar la bateria de baixa tensió i proporcionar una atenuació EMI important.
• Per suprimir l’EMI durant la càrrega sense fils, s’ha desenvolupat un blindatge reactiu ressonant. Aquí el camp magnètic de fuites passa a través de les bobines de blindatge reactiu ressonants de manera que la CEM induïda a cada bobina de blindatge pot cancel·lar la CEM incident i es pot suprimir eficaçment la fugida del camp magnètic sense consumir energia addicional.
• S'han desenvolupat tecnologies de protecció conductiva, protecció magnètica i protecció activa per protegir l'emissió del camp electromagnètic del sistema WPT.
• S'ha desenvolupat un controlador de soroll EMI per a vehicles elèctrics, que es connecta als terminals del motor per suprimir la tensió de sobretensió, el corrent de l'eix i el soroll radiat.