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 (ЭМП). Система зажигания, стартер и переключатели вызывают широкополосные электромагнитные помехи, а электронные устройства — узкополосные электромагнитные помехи. Но по сравнению с транспортными средствами с двигателем внутреннего сгорания,  электромобили представляют собой комбинацию различных подсистем и электронных компонентов, таких как  аккумулятор, система управления батареями (BMS), преобразователь постоянного тока в постоянный, инвертор, электродвигатель, мощные кабели, распределенные по транспортному средству, и зарядные устройства, все это работает на высоких уровнях мощности и частоты, что приводит к излучению низкочастотных электромагнитных помех высокого уровня.

Если мы посмотрим на мощность и номинальное напряжение доступных электромобилей, номинальная мощность составляет от нескольких десятков до сотен киловатт, тогда как номинальное напряжение измеряется сотнями вольт, поэтому уровни тока будут составлять сотни ампер, что вызывает более сильные магнитные поля. Вот примеры из реальных электромобилей:

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

Давайте рассмотрим электромобиль с электроприводом мощностью 100 кВт, работающим при напряжении 400 В, что означает, что в нем протекает ток 250 А, который создает сильное магнитное поле. При проектировании автомобиля мы должны оценить ЭМС (электромагнитную совместимость, в англ.EMC - Electromagnetic Compatibility) всех этих подсистем и компонентов, чтобы обеспечить безопасность компонентов, а также безопасность живых существ.

Термины и определения, связанные с ЭМС и электромагнитными помехами

ЭМС (электромагнитная совместимость) устройства или оборудования означает его способность не подвергаться воздействию электромагнитного поля (ЭМП) и не влиять своими ЭМП на работу других систем при работе в электромагнитной среде. ЭМС состоит из таких компонентов как электромагнитное излучение, восприимчивость, помехоустойчивость и проблемы связи.

Электромагнитное излучение  означает генерацию и выброс электромагнитной энергии в окружающую среду. Любое нежелательное излучение вызывает помехи или помехи в работе другого электронного устройства, работающего в той же среде, т. е. электромагнитные помехи (EMI, Electromagnetic Interference) .

Электромагнитная  восприимчивость устройства указывает на его уязвимость к нежелательным излучениям и помехам, которые приводят к неисправности или поломке устройства. 

Электромагнитная  устойчивость устройства означает его способность нормально работать в присутствии электромагнитной среды, не испытывая помех и не выходя из строя из-за электромагнитного излучения другого электронного устройства.

Электромагнитная связь означает механизм, при котором излучаемое электромагнитное поле одного устройства достигает другого устройства или мешает ему.

Источники электромагнитных помех (ЭМП) в электромобилях

• Преобразователи мощности, как известно, являются основным источником электромагнитных помех в системах электропривода. Они оснащены высокоскоростным переключающим устройством, 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, работающие на высоких уровнях мощности, вызывают электромагнитное излучение и через свое сопротивление действуют как путь для электромагнитного шума. И этот импеданс меняется в зависимости от частоты. Поскольку в приводах электродвигателей используются силовые инверторы с высокоскоростным ШИМ-переключением, на клеммах двигателя возникают импульсные напряжения, которые вызывают излучаемый электромагнитный шум. А ток на валу может привести к повреждению подшипников двигателя и неисправности контроллера автомобиля.
• Поскольку тяговые батареи в электромобилях распределены, то токи в батареях и соединителях между ними становятся существенным источником излучения ЭМП.
• Экранированные и неэкранированные кабели, по которым протекает ток высокого уровня между различными подсистемами, такими как аккумулятор-преобразователь энергии, преобразователь мощности-двигатель и т. д., в электромобиле создают сильные магнитные поля. Поскольку доступное место в электромобиле для жгута проводов ограничено, кабели высокого и низкого напряжения расположены рядом друг с другом, что приводит к возникновению между ними электромагнитных помех.
• Зарядные устройства для аккумуляторов и устройства беспроводной зарядки являются основными внешними источниками электромагнитных помех, помимо внутреннего источника электромагнитных помех электромобиля. Когда для зарядки электромобиля применяется технология беспроводной зарядки, сильное магнитное поле в диапазоне от нескольких десятков до сотен килогерц позволяет передавать мощность от нескольких киловатт до десятков киловатт. 

Влияние электромагнитных помех на электронные компоненты электромобилей

В настоящее время, благодаря развитию технологий, автомобили содержат много электронных компонентов и систем для правильной работы и обеспечения надежности. Если мы посмотрим на архитектуру электромобиля, то мы увидим большое количество электрических и электронных систем помещенных в ограниченное пространство. Это вызывает электромагнитные помехи или перекрестные помехи между этими системами. Если ЭМС не поддерживается должным образом, эти системы могут работать неправильно или даже выйти из строя.

Стандарты ЭМС для электромобилей

Большинство автомобильных стандартов ЭМС установлены Обществом автомобильных инженеров (SAE), Международной организацией по стандартизации (ISO), Международным электротехническим комитетом (IEC), Ассоциацией по  стандартизации Института инженеров по электротехнике и электронике ( IEEE-SA), Европейским сообществом (ЕС) и Европейской экономической комиссией ООН (ЕЭК ООН).

ISO 11451 определяет общие условия, рекомендации и основные принципы испытаний транспортных средств с целью определения устойчивости ДВС и электромобилей к электрическим помехам, излучаемым узкополосной ЭДС.

ISO 11452 определяет общие условия, рекомендации и основные принципы тестирования компонентов для определения устойчивости электронных компонентов ДВС и электромобилей к электрическим помехам узкополосной излучаемой ЭДС.

CISPR12 определяет пределы и методы измерения для проверки электромагнитного излучения электромобилей, транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания и лодок.

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

SAE J551-1 определяет уровни производительности и методы измерения ЭМС 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 приводом от двигателей с искровым зажиганием.

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 электромобилей в диапазоне от 9 кГц до 30 МГц.

SAE J551-11 определяет электромагнитную устойчивость автомобиля при выключенном источнике питания.

SAE J551-13 определяет устойчивость транспортных средств к электромагнитным помехам и подаче большого тока.

SAE J551-15 определяет электромагнитную устойчивость транспортного средства – электростатический разряд, который будет производиться в экранированном помещении.

SAE J551-17 определяет электромагнитную устойчивость автомобиля к магнитным полям линий электропередачи.

2004/144 EC - Приложение IV определяет метод измерения широкополосного излучения транспортных средств.

2004/144 EC - Приложение V определяет метод измерения узкополосного излучения транспортных средств.

2004/144 ЕС - Приложение VI определяет метод проверки транспортных средств на устойчивость к электромагнитному излучению.

AIS-004 (Часть 3) содержит требования к электромагнитной совместимости автомобильных транспортных средств.

В Приложении 2 к AIS-004 (Часть 3) поясняется метод измерения широкополосного электромагнитного излучения транспортных средств.

В Приложении 3 к AIS-004 (Часть 3) поясняется метод измерения узкополосного электромагнитного излучения транспортных средств.

В приложении 4 AIS-004 (Часть 3) поясняется метод проверки транспортных средств на устойчивость к электромагнитному излучению.

В Приложении 5 к AIS-004 (Часть 3) поясняется метод измерения широкополосного электромагнитного излучения от электрических/электронных узлов.

В Приложении 6 к AIS-004 (Часть 3) поясняется метод измерения узкополосного электромагнитного излучения электрических/электронных узлов.

Пределы воздействия электромагнитных полей на человека

Электромобили производят неионизирующее электромагнитное излучение, которое при кратковременном воздействии не оказывает вредного воздействия на здоровье человека. 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 на человека.

Электромагнитное воздействие на пассажиров зависит от различных конфигураций, уровней мощности и топологии электромобиля, таких как передний или задний привод, размещения аккумуляторной батареи и расстояния между силовым оборудованием и пассажирами и т. д.

Учитывая возможные вредные последствия воздействия на человека электромагнитных полей, международные организации, в том числе Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) и Международная комиссия по защите от неионизирующего излучения (ICNIRP), в директивах ЕС, IEEE установили пределы максимально допустимого воздействия магнитного поля на организм человека.

Ниже приведена таблица, показывающая максимально допустимые уровни магнитного поля для широкой общественности в соответствии со стандартами IEEE.

Профессиональные – это люди, которые подвергаются воздействию ЭМП при выполнении своей обычной профессиональной деятельности.

Широкая общественность означает остальную часть населения, за исключением профессионального населения, подвергающегося воздействию электромагнитных полей.

Значения ориентации не оказывают вредного воздействия на здоровье при нормальных условиях работы, а также у лиц, не имеющих активных имплантированных медицинских устройств, или беременных. Это соответствует напряженности поля.

Значение действия  вызывает некоторые эффекты, подверженные этим уровням. Они соответствуют максимальному непосредственно измеряемому полю.

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

Тесты на электромагнитную совместимость

Тестирование на ЭМС необходимо провести, чтобы проверить, соответствует ли электромобиль требуемым стандартам или нет. Для оценки ЭМС на электромобиле проводятся лабораторные испытания и дорожные испытания. Эти испытания включают испытания на выбросы, чувствительность и устойчивость.

Лабораторные испытания проводятся для определения характеристик излучения магнитного поля и восприимчивости всего бортового электрооборудования в испытательной камере ЭМС. Эти камеры бывают безэхового и реверберационного типа.

Для проведения кондуктивных испытаний на выбросы преобразователи включают в себя сеть стабилизации импеданса линии (LISN) или сеть искусственной сети (AMN). При испытаниях на излучаемое излучение в качестве преобразователей используются антенны. Излучение измеряется во всех направлениях вокруг испытуемого устройства (ИУ). 

При тестировании на чувствительность используется мощный источник радиочастотной электромагнитной энергии и излучающая антенна для направления электромагнитной энергии на проверяемое устройство. Во время тестирования электромобиля, за исключением тестируемого устройства (DUT), все будет выключено, а затем будет измерено магнитное поле.

Внешние испытания проводятся в реальных дорожных условиях. В этих испытаниях испытуемый автомобиль должен 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 нам необходимо выявить внешние магнитные возмущения от внешних источников, таких как железнодорожные пути, крышки люков и другие автомобили, оборудование для распределения электроэнергии, линии электропередачи высокого напряжения и силовые трансформаторы.

Рекомендации по проектированию электромобилей для улучшения ЭМС и снижения электромагнитных помех

• Кабели постоянного тока, по которым проходят большие токи, должны быть скрученными, чтобы ток в этом кабеле протекал в противоположном направлении, что приводило к минимизации излучения ЭДС.
• Трехфазные кабели переменного тока должны быть скручены и проложены как можно ближе, чтобы свести к минимуму излучение от них ЭМП.
• И все эти силовые кабели нужно разместить как можно дальше от пассажирского сиденья. И эти связи не должны образовывать петлю.
• Если расстояние между пассажирскими сиденьями и кабелем менее 200 мм, необходимо использовать экранирование.
• Двигатели необходимо размещать дальше от пассажирского сиденья, а ось вращения двигателя не должна быть направлена ​​в сторону пассажирского сиденья.
• Поскольку сталь обладает лучшим защитным эффектом, если позволяет вес, вместо алюминия для двигателя необходимо использовать стальной металлический корпус.
• Если расстояние между двигателем и зоной пассажирского сиденья менее 500 мм, между двигателем и зоной пассажирского сиденья необходимо использовать экран в виде стальной пластины.
• Корпус двигателя должен быть надлежащим образом заземлен на шасси, чтобы свести к минимуму любой электрический потенциал.
• Чтобы минимизировать длину кабеля между инвертором и двигателем, они монтируются как можно ближе друг к другу.
• Для подавления перенапряжения, тока на валу и излучаемого шума к клеммам двигателя следует подключить контроллер 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 разработано резонансно-реактивное экранирование. Здесь магнитное поле рассеяния проходит через резонансные реактивные экранирующие катушки таким образом, что индуцированная 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 излучения электромагнитного поля от системы БПЭ.
• Для электромобилей был разработан регулятор шума EMI, который крепится на клеммах двигателя для подавления перенапряжения, тока на валу и излучаемого шума.

34 просмотров