תאימות אלקטרומגנטית ברכבים חשמליים

כאשר הזרם עובר דרך מוליך הוא יוצר שדות אלקטרומגנטיים וכמעט כל המכשירים האלקטרוניים כמו טלוויזיות, מכונות כביסה, כיריים אינדוקציה, רמזורים, טלפונים ניידים, כספומטים ומחשבים ניידים וכו ', פולטים את השדות האלקטרומגנטיים. כלי רכב מונעים מאובנים סובלים גם מהפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) - מערכת ההצתה, מנוע המתנע והמתגים גורמים ל- EMI בפס רחב ומכשירים אלקטרוניים גורמים ל- EMI בפס רחב. אך בהשוואה לרכבי ICE (מנוע בעירה פנימית), כלי רכב חשמליים הם שילוב של תת מערכות שונות ורכיבים אלקטרוניים כמו סוללה, BMS, ממיר DC-DC, מהפך, מנוע חשמלי, כבלים בעלי הספק גבוה המופצים סביב הרכב ומטענים, כל אלה עובדים ברמות הספק ותדר גבוהות הגורמות לפליטה של ​​EMI בתדר נמוך ברמה גבוהה.

אם נצפה בכוח ובדירוג המתח של רכבים חשמליים זמינים, דירוגי הספק הם בין כמה עשרות KW למאות KW ואילו דירוגי המתח הם במאות וולט, כך שרמות הזרם יהיו במאות אמפר, מה שגורם לשדות מגנטיים חזקים יותר.

• לניסאן LEAF יש הנעה אחורית של 125 כ"ס על 400 וולט _DC
• ל- BMW i3 הנעה אחורית של 125 קילוואט עובדת על 500 וולט _DC
• דגם S של טסלה מפעיל 235 קילוואט הנעה אחורית עובד על 650 וולט _DC
• טויוטה פריוס (דור 3) מפעילה הנעה קדמית של 74 קילוואט על 400 וולט _DC
• לטויוטה פריוס PHV יש הנעה קדמית המדורגת 60 קילוואט עובדת על 350 וולט _DC
• לשברולט וולט PHV יש הנעה קדמית המדורגת 55 קילוואט (x2) עובדת על 400 וולט _DC

בואו ניקח בחשבון רכב חשמלי עם הנעה חשמלית של 100 קילוואט הפועלת ב -400 וולט פירושו שיש לו זרם של 250A היוצר שדה מגנטי חזק. בעת תכנון הרכב עלינו להעריך את EMC (תאימות אלקטרומגנטית) של כל תת המערכות והרכיבים הללו כדי להבטיח את בטיחות הרכיבים יחד עם בטיחות היצורים החיים.

מונחים והגדרות הקשורים ל- EMC ו- EMI

EMC (תאימות אלקטרומגנטית) של מכשיר או ציוד פירושו יכולתו שלא להיות מושפעים משדה אלקטרומגנטי (EMF) ולא להשפיע על פעולות מערכות אחרות עם EMF שלו כאשר הוא פועל בסביבה אלקטרומגנטית. EMC מייצג פליטות אלקטרומגנטיות, רגישות, חסינות וצימוד.

פליטה אלקטרומגנטית פירושה ייצור ושחרור של אנרגיה אלקטרומגנטית לסביבה. כל פליטה לא רצויה גורמת להפרעה או להפרעה להפעלת מכשירים אלקטרוניים אחרים הפועלים באותה סביבה, כלומר המכונה הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI).

רגישות אלקטרומגנטית של מכשיר מצביעה על פגיעותו לפליטות לא רצויות ולהפרעות הגורמות לתקלה או להתקלקלות של המכשיר. אם מכשיר רגיש יותר פירושו שהוא פחות חסין להפרעות אלקטרומגנטיות.

חסינות אלקטרומגנטית של מכשיר פירושה יכולתו לפעול כרגיל בנוכחות סביבה אלקטרומגנטית מבלי לחוות הפרעה או להתקלקל בגלל הפליטות האלקטרומגנטיות ממכשיר אלקטרוני אחר.

צימוד אלקטרומגנטי פירושו מנגנון של השדה האלקטרומגנטי הנפלט של מכשיר אחד המגיע או מפריע למכשיר אחר.

מקורות הפרעה אלקטרומגנטית (EMI) ב- EV

• ממירי כוח ידועים כמקור העיקרי להפרעות אלקטרומגנטיות במערכות כונן חשמליות. אלה בעלי התקני מיתוג מהירים, למשל טרנזיסטורים דו-קוטביים שערים מבודדים (IGBT) קונבנציונליים עובדים בתדרים שנעים בין 2 ל -20 קילוהרץ, IGBT מהיר יכול לעבוד עד 50 קילוהרץ ו- MOSFET של SiC יכולים אפילו לעבוד בתדרים מעל 150 קילוהרץ.
• מנועים חשמליים שפועלים ברמות הספק גבוהות גורמים לפליטות אלקטרומגנטיות וזה משמש נתיב לרעש EM דרך העכבה שלו. ועכבה זו משתנה כפונקציה של תדר. מכיוון שכונני מנועים חשמליים משתמשים בממירי כוח עם פעולת מיתוג PWM במהירות גבוהה, מתח נחשול מופיע במסופי המנוע, הגורמים לרעש EM המוקרן. וזרם הפיר עלול לגרום נזק למסבי המנוע ולתקלה בבקר הרכב.
• ככל שמפזרים סוללות גרירה, הזרמים בסוללות ובחיבורי הגומלין הופכים למקור משמעותי לפליטת EMF ואלה הם חלק עיקרי בנתיב EMI.
• כבלים מוגנים ובלתי מסוכנים הנושאים זרם ברמה גבוהה בין תת מערכות שונות כמו ממיר סוללה להספק, ממיר הספק למנוע וכו ', ב- EV גורם לשדות מגנטיים חזקים יותר. מכיוון שהשטח הזמין ב- EV לרתמת חיווט מוגבל, כבלי מתח גבוה ומתח נמוך ממוקמים זה ליד זה גורמים להפרעות אלקטרומגנטיות ביניהם.
• מטעי הסוללה ומתקני הטעינה האלחוטית הם מקורות ה- EMI החיצוניים העיקריים מלבד מקור ה- EMI הפנימי. כאשר הטכנולוגיה החשמלית האלחוטית הופעלה לטעינה של ה- EV, מייצר שדה מגנטי חזק בטווח של כמה עשרות עד מאות קילו-הרץ להעברת מספר KW לעשרות KW כוח.

השפעת EMI על רכיבים אלקטרוניים לרכבים חשמליים

כיום עם ההתקדמות הטכנולוגית, מכוניות מכילות רכיבים ומערכות אלקטרוניים רבים יותר להפעלה ואמינות נכונים. אם אנו רואים את ארכיטקטורת הרכב החשמלי כמות גדולה של מערכות חשמל ואלקטרוניות ממוקמות בחלל סגור. זה גורם להפרעות אלקטרומגנטיות או הצלבה בין מערכות אלה. אם EMC לא מתוחזק כראוי מערכות אלו עלולות לתקול או אפילו להיכשל בתפקודן.

EMC

מרבית תקני EMC לרכב נקבעים על ידי אגודת מהנדסי הרכב (SAE), ארגון התקנים הבינלאומי (ISO), הוועדה הבינלאומית לאלקטרוטכניקה (IEC), המכון לתקני מהנדסי חשמל ואלקטרוניקה ( IEEE -SA), הקהילה האירופית (EC) והנציבות הכלכלית של האו"ם למען אירופה (UNECE).

ISO 11451 מפרט את התנאים הכלליים, ההנחיות והעקרונות הבסיסיים לבדיקת הרכב בכדי לקבוע את חסינותם של ICE ורכבים חשמליים על רקע הפרעות חשמליות של EMF המוקרן בפס רחב.

ISO 11452 מפרט את התנאים הכלליים, ההנחיות והעקרונות הבסיסיים לבדיקת הרכיב לקביעת חסינות הרכיבים האלקטרוניים של ICE ורכבים חשמליים על רקע הפרעה חשמלית מוקרן EMF.

CISPR12 מציין את גבולות ושיטות המדידה לבדיקת הפליטות האלקטרומגנטיות המוקרנות מכלי רכב חשמליים, רכבי ICE וסירות.

CISPR25 מציין את המגבלות והשיטות למדידת מאפייני הפרעות הרדיו ואת הנוהל לבדיקת הרכב לקביעת רמות ה- RI / RE להגנה על מקלטים המשמשים על כלי רכב.

SAE J551 -1 מציין רמות ביצועים ושיטות מדידה של EMC של כלי רכב והתקנים (60Hz-18GHz).

SAE J551 -2 מציין מגבלות בדיקה ושיטות מדידה של מאפייני הפרעות רדיו (פליטה) של כלי רכב, סירות מנוע ומכשירים מונעים המונעים על ידי ניצוץ.

SAE J551-4 מציין מגבלות בדיקה ושיטות מדידה של מאפייני הפרעות רדיו של רכבים והתקנים, פס רחב ופס צר, 150 KHz עד 1000 MHz.

SAE J551-5 מציין רמות ביצועים ושיטות מדידה של חוזק שדה מגנטי וחשמלי מרכבים חשמליים, 9 קילוהרץ עד 30 מגה הרץ.

SAE J551-11 מציין מקור חסינות אלקטרומגנטית ברכב.

SAE J551- 13 מציין רכב הזרקה נוכחית אלקטרומגנטית חסינה-בתפזורת.

SAE J551- 15 מציין פריקה חסינת אלקטרומגנטית לרכב, פריקה אלקטרוסטטית אשר תתבצע בחדר מוגן.

SAE J551- 17 מציין רכב שדות מגנטיים של קו חסינות אלקטרומגנטית לרכב.

2004/144 EC - נספח IV מציין שיטת מדידה של פליטת פס רחב מוקרן מכלי רכב.

2004/144 EC - נספח V מפרט את שיטת המדידה של פליטת צרים מוקרנים מכלי רכב.

2004/144 EC - נספח VI מפרט שיטת בדיקה לחסינות של כלי רכב לקרינה אלקטרומגנטית.

AIS-004 (חלק 3) מספק דרישות לתאימות אלקטרומגנטית ברכבי רכב.

AIS-004 (חלק 3) נספח 2 מסביר את שיטת המדידה של פליטות אלקטרומגנטיות רחבות פס מוקרנות מכלי רכב.

AIS-004 (חלק 3) נספח 3 מסביר את שיטת המדידה של פליטות אלקטרומגנטיות צרות מוקרנות מכלי רכב.

AIS-004 (חלק 3) נספח 4 מסביר שיטת בדיקת חסינות של כלי רכב לקרינה אלקטרומגנטית.

AIS-004 (חלק 3) נספח 5 מסביר את שיטת המדידה של פליטות אלקטרומגנטיות רחבות פס מוקרנות ממכלולי משנה חשמליים / אלקטרוניים.

AIS-004 (חלק 3) נספח 6 מסביר את שיטת המדידה של פליטות אלקטרומגנטיות צרות מוקרנות ממכלולי משנה חשמליים / אלקטרוניים.

מגבלות על חשיפה של שדות אלקטרומגנטיים לבני אדם

כלי רכב חשמליים מייצרים קרינות אלקטרומגנטיות לא מייננות שאינן משפיעות על בריאות האדם לחשיפה לזמן קצר. אך במשך חשיפה ארוכה אם השדה המגנטי המוקרן הוא יותר מהמגבלות הסטנדרטיות, הוא משפיע על בריאות האדם. לכן, בעת תכנון רכב חשמלי יש לקחת בחשבון את הסכנות הנובעות מחשיפה לשדה מגנטי.

חשיפה אלקטרומגנטית לנוסעים משפיעה על תצורות שונות, רמות הספק וטופולוגיות של רכב חשמלי כמו הנעה קדמית או הנעה אחורית, מיקום סוללה והמרחק בין ציוד כוח לנוסעים וכו '.

על ידי בחינת ההשפעות המזיקות האפשריות של חשיפה אנושית לשדות אלקטרומגנטיים ארגונים בינלאומיים, כולל ארגון הבריאות העולמי (WHO) והנציבות הבינלאומית להגנת קרינה בלתי מייננת (ICNIRP), הנחיות האיחוד האירופי, IEEE הגדירו מגבלות לחשיפה מקסימלית של שדה מגנטי המותר ל פּוּמְבֵּי.

תדר (הרץ)	שדות מגנטיים H (AM -1)	צפיפות שטף מגנטית B (T)
<0.153 הרץ	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 הרץ	719	0.904 x 10 -3
759 הרץ - 3 קילוהרץ	5.47 x 105 / f	687 x 10 -3 / f

להלן הטבלה המציגה את רמות השדה המגנטי המרבי המותרות לקהל הרחב על פי תקן IEEE

תעסוקתית פירושה אנשים שנחשפים ל- EMF בזמן שהם מבצעים את עבודתם הרגילה.

ציבור כללי פירושו שאר הציבור שאיננו חשוף לשדות אלקטרומגנטיים

לערכי כיוון אין השפעה בריאותית שלילית בתנאי עבודה רגילים ולאנשים שאין להם מכשור רפואי פעיל מושתל או בהריון. אלה תואמים את חוזק השדה.

ערך פעולה גורם לכמה תופעות שנחשפות לרמות אלה. אלה תואמים את השדה המרבי למדידה ישירה.

• בעיקרון ערך פעולה גבוה מערך כיוון.
• ערכי החשיפה הציבורית התעסוקתית גבוהים מאלה של רמת החשיפה הציבורית הכללית.

בדיקות תאימות אלקטרומגנטית

יש לבצע בדיקות EMC כדי לבדוק אם רכב חשמלי עומד בתקנים הנדרשים או לא . בדיקות מעבדה ובדיקות דרכים מתבצעות ברכב חשמלי להערכת EMC. בדיקות אלה כוללות בדיקות פליטות, רגישות וחסינות.

בדיקות מעבדה נעשות על מנת לאפיין את פליטת השדה המגנטי ואת הרגישות מכל הציוד החשמלי הנמצא בתא בדיקת EMC. תאים אלה הם סוגים אנכוניים והדהודים.

לבדיקות פליטה שנערכו, מתמרים כוללים רשת ייצוב עכבת קו (LISN) או רשת חשמל מלאכותית (AMN). עבור בדיקות פליטת קרינה, אנטנות משמשות מתמר. פליטת קרינה נמדדת לכל הכיוונים סביב המכשיר הנבדק (DUT).

בדיקות הרגישות משתמשות במקור בעל עוצמה גבוהה של אנרגיית RF EM ובאנטנה מקרינה כדי לכוון את האנרגיה האלקטרומגנטית ל- DUT. בזמן ביצוע בדיקות ברכב חשמלי למעט המכשיר הנבדק (DUT) הכל יכבה ואז השדה המגנטי יימדד.

מבחנים מבחוץ נעשים בעולם האמיתי על תנאי נהיגת הכביש. במבחנים אלה הרכב הנבדק צריך לנהוג עם תאוצה והאטה מרביים בכדי להבטיח זרם מקסימאלי בזמן מתיחה ובלימה מחדש. בדיקות אלו יבוצעו בדרך ישרה בה השדות המגנטיים עקב כדור הארץ קבועים ובמקרים מסוימים בדרכי שיפוע תלולות. בעת ביצוע בדיקות דרכים עלינו לזהות את ההפרעות המגנטיות החיצוניות ממקורות חיצוניים כמו קווי רכבת, מכסי ביוב ומכוניות אחרות, ציוד חלוקת חשמל, קווי תמסורת מתח גבוה ושנאי כוח.

הנחיות תכנון לשיפור EMC ולהורדת ה- EMI

• כבלי DC הנושאים זרמים גבוהים צריכים להתבצע בצורה מעוותת, כך שהזרם בכבל זה יזרום בכיוון ההפוך יביא למזעור פליטת EMF.
• יש לסובב את כבל ה- AC בשלושה פאזות ולהיות צריך להיות קרוב ככל האפשר כדי למזער את פליטת ה- EMF מהם.
• וכל כבלי החשמל הללו צריכים להיות ממוקמים רחוק ככל האפשר מאזור מושב הנוסע. וחיבורים אלה לא אמורים ליצור לולאה.
• אם המרחק בין מושבי הנוסע לכבל קטן מ- 200 מ"מ, יש לאמץ מיגון.
• יש להציב מנועים רחוק יותר מאזור מושב הנוסע וציר הסיבוב של המנוע לא אמור לכוון לעבר אזור מושב הנוסע.
• מכיוון שלפלדה יש ​​אפקט מגן טוב יותר, אם המשקל מאפשר במקום אלומיניום, יש להשתמש במארז מתכת מפלדה.
• אם המרחק בין אזור מושב המנוע לנוסע הוא פחות מ- 500 מ"מ, יש להשתמש במיגון כמו לוח פלדה בין אזור מושב המנוע לנוסע.
• על בית המנוע להיות מקורקע לשלדה כראוי כדי למזער פוטנציאל חשמלי כלשהו.
• כדי למזער את אורך הכבל בין המהפך למנוע שהם התקינו קרוב ככל האפשר זה לזה.
• כדי לדכא את מתח המתח, זרם הציר והרעש המוקרן יש לחבר בקר רעשי EMI למסופי המנוע.
• צריך לשלב פילטר EMI פעיל דיגיטלי בבקר הדיגיטלי של ממיר DC-DC כדי לטעון את הסוללה במתח נמוך ולספק הנחתה משמעותית של EMI.
• כדי לדכא את ה- EMI במהלך טעינה אלחוטית, פותח מיגון תגובתי מהדהד. כאן השדה המגנטי הזליגה עובר דרך סלילי המגן התגובתיים המהדהדים בצורה כזו ש- EMF המושרה בכל סליל מגן יכול לבטל את ה- EMF האירוע ואת דליפת השדה המגנטי ניתן לדכא ביעילות מבלי לצרוך כוח נוסף.
• מיגון מוליך, מיגון מגנטי וטכנולוגיות מיגון אקטיביות פותחו כדי להגן על פליטת השדה האלקטרומגנטי ממערכת WPT.
• בקר רעש EMI פותח עבור כלי רכב חשמליים, המחובר על מסופי המנוע כדי לדכא את מתח המתח, זרם הפירוש והרעש המוקרן.