Keserasian elektromagnet pada kenderaan elektrik

Apabila arus melalui konduktor, ia menghasilkan medan elektromagnetik dan hampir semua alat elektronik seperti TV, mesin basuh, dapur induksi, lampu isyarat, telefon bimbit, ATM dan komputer riba dll., Akan memancarkan medan elektromagnetik. Kenderaan berbahan bakar fosil juga mengalami gangguan elektromagnetik (EMI) - Sistem pencucuhan, motor starter dan suis menyebabkan EMI jalur lebar dan peranti elektronik menyebabkan EMI jalur sempit. Tetapi jika dibandingkan dengan kenderaan ICE (Mesin Pembakaran Dalaman), Kenderaan Elektrik adalah gabungan pelbagai subsistem dan komponen elektronik seperti bateri, BMS, penukar DC-DC, penyongsang, motor elektrik, kabel berkuasa tinggi yang diedarkan di sekitar kenderaan dan pengecas, semuanya bekerja pada tahap kuasa tinggi dan frekuensi yang menyebabkan pelepasan EMI frekuensi rendah tahap tinggi.

Sekiranya kita memerhatikan peringkat kuasa dan voltan kenderaan elektrik yang ada, penarafan kuasa antara beberapa puluh KW hingga ratusan KW sedangkan penarafan voltan berada dalam beratus-ratus volt sehingga tahap arus berada dalam ratusan Amperes, yang menyebabkan medan magnet lebih kuat

Nissan LEAF mempunyai pemacu roda belakang 125 kW yang berfungsi pada 400 V _DC
BMW i3 mempunyai pemacu roda belakang 125 kW yang berfungsi pada 500 V _DC
Model S Tesla mempunyai pemacu roda belakang 235 kW yang berfungsi pada 650 V _DC
Toyota Prius (generasi ke-3) mempunyai pemacu roda depan 74 kW yang berfungsi pada 400 V _DC
Toyota Prius PHV mempunyai pemacu roda depan yang dinilai 60 kW berfungsi pada 350 V _DC
Chevrolet Volt PHV mempunyai pemacu roda depan yang dinilai 55 kW (x2) berfungsi pada 400 V _DC

Mari kita pertimbangkan kenderaan elektrik dengan pemacu elektrik 100KW yang beroperasi pada 400V bermakna ia mempunyai arus 250A yang menghasilkan medan magnet yang kuat. Semasa merancang kenderaan, kita harus menilai EMC (Keserasian Elektromagnetik) semua subsistem dan komponen ini untuk memastikan keselamatan komponen dan keselamatan makhluk hidup.

Terma & Definisi yang berkaitan dengan EMC dan EMI

EMC (Keserasian elektromagnetik) peranti atau peralatan bermaksud kemampuannya untuk tidak terpengaruh oleh medan elektromagnetik (EMF) dan tidak mempengaruhi operasi sistem lain dengan EMF ketika ia beroperasi di persekitaran elektromagnetik. EMC mewakili masalah pelepasan, kerentanan, Kekebalan dan gandingan elektromagnetik.

Pelepasan Elektromagnetik bermaksud penjanaan dan pembebasan tenaga elektromagnetik ke persekitaran. Sebarang pelepasan yang tidak diingini menyebabkan gangguan atau gangguan pada operasi peranti elektronik lain yang beroperasi dalam persekitaran yang sama, yang dikenali sebagai Gangguan Elektromagnetik (EMI).

Kerentanan Elektromagnetik peranti menunjukkan kerentanannya terhadap pelepasan dan gangguan yang tidak diingini yang menyebabkan kerosakan fungsi atau kerosakan peranti. Sekiranya peranti lebih rentan bererti ia kurang kebal terhadap gangguan elektromagnetik.

Kekebalan Elektromagnetik peranti bermaksud keupayaannya beroperasi secara normal di hadapan persekitaran elektromagnetik tanpa mengalami gangguan atau kerosakan akibat pelepasan elektromagnetik dari alat elektronik lain.

Gandingan Elektromagnetik bermaksud mekanisme medan elektromagnetik yang dipancarkan satu peranti yang mencapai atau mengganggu peranti lain.

Sumber Gangguan Elektromagnetik (EMI) dalam EV

Power Converter dikenali sebagai sumber utama gangguan elektromagnetik dalam sistem pemacu elektrik. Ini mempunyai peranti pensuisan berkelajuan tinggi, misalnya Transistor Bipolar Gerbang Terisolasi konvensional (IGBT) berfungsi pada frekuensi antara 2 hingga 20 kHz, IGBT cepat dapat berfungsi hingga 50 kHz dan SiC MOSFET bahkan dapat berfungsi frekuensi di atas 150 KHz.
Motor Elektrik yang beroperasi pada tahap kuasa tinggi menyebabkan pelepasan elektromagnetik dan ia bertindak sebagai jalan untuk kebisingan EM melalui impedansinya. Dan impedans ini berubah sebagai fungsi frekuensi. Oleh kerana pemacu motor elektrik menggunakan penyongsang kuasa dengan operasi pensuisan PWM berkelajuan tinggi, voltan lonjakan berlaku di terminal motor, yang menyebabkan kebisingan EM terpancar. Dan arus poros boleh menyebabkan kerosakan galas motor dan kerosakan alat kawalan kenderaan.
Oleh kerana bateri daya tarikan diedarkan, arus di dalam bateri dan di antara penghubung menjadi sumber penting bagi pelepasan EMF dan ini adalah bahagian utama jalan untuk EMI.
Kabel terlindung dan tidak terlindung membawa arus aras tinggi antara pelbagai subsistem seperti bateri ke penukar kuasa, penukar kuasa ke motor dll, di EV menyebabkan medan magnet lebih kuat. Oleh kerana ruang yang tersedia di EV untuk kabel pendawaian adalah terhad, kabel voltan tinggi dan voltan rendah diletakkan berdekatan satu sama lain menyebabkan gangguan elektromagnetik di antara mereka.
Pengecas bateri dan kemudahan pengecasan tanpa wayar adalah sumber EMI luaran utama selain daripada sumber EMI dalaman EV. Apabila teknologi kuasa tanpa wayar digunakan untuk mengecas EV, medan magnet yang kuat dalam julat dari beberapa puluhan hingga beratus-ratus kilohertz dihasilkan untuk memindahkan beberapa KW ke puluhan KWs kuasa.

Kesan EMI pada Komponen Elektronik Kenderaan Elektrik

Pada masa kini dengan kemajuan teknologi, kereta mengandungi lebih banyak komponen dan sistem elektronik untuk operasi dan kebolehpercayaan yang betul. Sekiranya kita melihat seni bina kenderaan elektrik sejumlah besar sistem elektrik dan elektronik diletakkan di dalam ruang terkurung. Ini menyebabkan gangguan elektromagnetik atau perbincangan silang antara sistem ini. Sekiranya EMC tidak dijaga dengan betul sistem ini mungkin berfungsi atau bahkan gagal beroperasi.

EMC

Sebilangan besar standard EMC automotif ditetapkan oleh Society of Automotive Engineers (SAE), International Standards Organisation (ISO), International Electrotechnical Committee (IEC), The Institute of Electrical and Electronics Engineers Standards Association ( IEEE -SA), yang Komuniti Eropah (EC) dan Suruhanjaya Ekonomi Pertubuhan Bangsa-Bangsa Bersatu untuk Eropah (UNECE).

ISO 11451 menetapkan syarat umum, panduan dan prinsip asas untuk menguji kenderaan untuk menentukan kekebalan ICE dan kenderaan elektrik terhadap gangguan elektrik sempit yang dipancarkan EMF.

ISO 11452 menetapkan syarat umum, garis panduan dan prinsip asas untuk menguji komponen tersebut untuk menentukan kekebalan komponen elektronik ICE dan kenderaan elektrik berbanding gangguan elektrik EMF sempit jalur terpancar.

CISPR12 menentukan had dan kaedah pengukuran untuk menguji pelepasan elektromagnetik terpancar dari kenderaan elektrik, kenderaan ICE dan kapal.

CISPR25 menentukan had dan kaedah untuk mengukur ciri gangguan radio dan prosedur untuk menguji kenderaan untuk menentukan tahap RI / RE untuk perlindungan penerima yang digunakan pada kenderaan.

SAE J551 -1 menentukan tahap prestasi dan Kaedah pengukuran EMC kenderaan dan peranti (60Hz-18GHz).

SAE J551 -2 menentukan had ujian dan kaedah pengukuran ciri-ciri gangguan radio (pelepasan) kenderaan, Kapal Motor, dan Peranti yang Didorong oleh Mesin yang dipicu oleh percikan api.

SAE J551-4 menentukan had ujian dan kaedah pengukuran ciri gangguan radio kenderaan dan peranti, jalur lebar dan jalur sempit, 150 KHz hingga 1000 MHz.

SAE J551-5 menentukan tahap prestasi dan kaedah pengukuran kekuatan medan magnet dan elektrik dari kenderaan elektrik, 9 kHz hingga 30MHz.

SAE J551-11 menentukan sumber kenderaan kekebalan elektromagnetik-Off kenderaan.

SAE J551- 13 menentukan suntikan kekebalan arus pukal elektromagnetik kenderaan.

SAE J551- 15 menentukan pelepasan elektromagnetik kenderaan-elektrostatik yang akan dilakukan di ruang terlindung.

SAE J551- 17 menentukan medan magnet talian kekebalan elektromagnetik kenderaan.

2004/144 EC - Lampiran IV menentukan kaedah pengukuran pelepasan jalur lebar terpancar dari kenderaan.

2004/144 EC - Lampiran V menentukan kaedah pengukuran pelepasan jalur sempit yang dipancarkan dari kenderaan.

2004/144 EC - Lampiran VI menentukan kaedah pengujian kekebalan kenderaan terhadap radiasi elektromagnetik.

AIS-004 (Bahagian 3) menyediakan syarat untuk Keserasian Elektromagnetik dalam Kenderaan Automotif.

AIS-004 (Bahagian 3) Lampiran 2 menjelaskan kaedah pengukuran pelepasan elektromagnetik jalur lebar terpancar dari kenderaan.

AIS-004 (Bahagian 3) Lampiran 3 menjelaskan kaedah pengukuran pelepasan elektromagnetik jalur sempit yang dipancarkan dari kenderaan.

AIS-004 (Bahagian 3) Lampiran 4 menjelaskan kaedah pengujian kekebalan kenderaan terhadap radiasi elektromagnetik.

AIS-004 (Bahagian 3) Lampiran 5 menjelaskan kaedah pengukuran pelepasan elektromagnetik jalur lebar terpancar dari sub unit elektrik / elektronik.

AIS-004 (Bahagian 3) Lampiran 6 menjelaskan kaedah pengukuran pelepasan elektromagnetik jalur sempit yang dipancarkan dari sub unit elektrik / elektronik.

Had untuk Pendedahan Medan Elektromagnetik kepada Manusia

Kenderaan elektrik menghasilkan radiasi elektromagnetik yang tidak mengion yang tidak memberi kesan kepada kesihatan manusia untuk pendedahan masa yang singkat. Tetapi untuk pendedahan yang lama jika medan magnet terpancar melebihi had standard, ia memberi kesan kepada kesihatan manusia. Oleh itu, semasa merancang kenderaan elektrik, bahaya dengan pendedahan medan magnet mesti diambil kira.

Pendedahan elektromagnetik kepada penumpang dipengaruhi oleh konfigurasi yang berbeza, tahap kuasa dan topologi kenderaan elektrik seperti pemacu roda depan atau pemacu roda belakang, penempatan bateri dan jarak antara peralatan kuasa ke penumpang, dll.

Dengan mempertimbangkan kemungkinan kesan berbahaya dari pendedahan manusia kepada medan elektromagnetik organisasi antarabangsa, termasuk Pertubuhan Kesihatan Sedunia (WHO) dan Suruhanjaya Antarabangsa untuk Perlindungan Sinaran Tidak Mengion (ICNIRP), arahan EU, IEEE telah menetapkan had untuk pendedahan medan magnet maksimum yang dibenarkan kepada awam.

Kekerapan (Hz)	Medan magnet H (AM ^-1)	Ketumpatan fluks magnet 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 - 3KHz	5.47 x 105 / f	687 x 10 ^-3 / f

Berikut adalah jadual yang menunjukkan tahap medan magnet maksimum yang dibenarkan kepada orang ramai mengikut standard IEEE

Pekerjaan bermaksud orang yang terdedah kepada EMF semasa melakukan aktiviti pekerjaan biasa.

Orang awam bermaksud orang awam yang lain selain pekerjaan yang terdedah kepada medan elektromagnetik

Nilai orientasi tidak memberi kesan buruk kepada kesihatan dalam keadaan kerja biasa dan bagi orang yang tidak mempunyai Alat Perubatan Implan aktif atau hamil. Ini sesuai dengan kekuatan medan.

Nilai tindakan menyebabkan beberapa kesan terdedah pada tahap ini. Ini sesuai dengan bidang maksimum yang dapat diukur secara langsung.

Pada dasarnya nilai Tindakan lebih tinggi daripada nilai Orientasi.
Nilai pendedahan awam pekerjaan lebih tinggi daripada nilai pendedahan orang awam.

Ujian Keserasian Elektromagnetik

Ujian EMC perlu dilakukan untuk memeriksa sama ada kenderaan elektrik mengikut standard yang diperlukan atau tidak . Ujian makmal dan ujian jalan raya dilakukan pada kenderaan elektrik untuk menilai EMC. Ujian ini terdiri daripada ujian pelepasan, kerentanan dan imuniti.

Ujian makmal dilakukan untuk mencirikan emisi dan kerentanan medan magnet dari semua peralatan elektrik di dalam bilik ujian EMC. Ruang ini adalah jenis anechoic dan reverberation.

Untuk pengujian pelepasan yang dijalankan, transduser termasuk rangkaian penstabilan impedans talian (LISN) atau rangkaian sesalur buatan (AMN) digunakan. Untuk ujian pancaran terpancar, antena digunakan sebagai transduser. Pelepasan radiasi diukur ke semua arah di sekitar peranti yang diuji (DUT).

Ujian kerentanan menggunakan sumber tenaga RF EM yang berkuasa tinggi dan antena yang memancar untuk mengarahkan tenaga elektromagnetik ke DUT. Semasa melakukan ujian pada kenderaan elektrik kecuali peranti yang diuji (DUT) semuanya akan dimatikan dan kemudian medan magnet akan diukur.

Ujian luar dilakukan dalam keadaan nyata di jalan raya semasa memandu. Dalam ujian ini, kenderaan yang diuji perlu memandu dengan pecutan dan perlambatan maksimum untuk memastikan arus maksimum semasa daya tarikan dan brek regeneratif. Ujian ini akan dilakukan di jalan lurus di mana medan magnet kerana bumi tetap dan dalam beberapa kes di jalan cerun curam. Semasa melakukan ujian jalan raya, kita harus mengenal pasti gangguan luaran magnet dari sumber luaran seperti landasan keretapi, penutup lubang dan kereta lain, peralatan pengedaran kuasa, saluran penghantaran voltan tinggi dan transformer kuasa.

Reka bentuk panduan untuk EMC yang lebih baik dan untuk menurunkan EMI

Kabel DC yang membawa arus tinggi harus dibuat dalam bentuk berpintal sehingga arus dalam kabel ini mengalir ke arah yang bertentangan mengakibatkan pengurangan pelepasan EMF.
Kabel AC tiga fasa harus dipintal dan diletakkan sedekat mungkin untuk meminimumkan pelepasan EMF daripadanya.
Dan semua kabel kuasa ini perlu diletakkan sejauh mungkin dari kawasan tempat duduk penumpang. Dan sambungan ini tidak boleh membentuk gelung.
Sekiranya jarak antara tempat duduk penumpang dan kabel kurang dari 200 mm, pelindung mesti digunakan.
Motor perlu diletakkan lebih jauh dari kawasan tempat duduk penumpang dan paksi putaran motor tidak boleh menghala ke kawasan tempat duduk penumpang.
Oleh kerana keluli mempunyai kesan pelindung yang lebih baik, jika berat membenarkan dan bukannya aluminium, perumahan logam keluli perlu digunakan untuk motor.
Sekiranya jarak antara kawasan tempat duduk motor dan penumpang kurang dari 500mm, pelindung seperti plat keluli perlu digunakan antara kawasan tempat duduk motor dan penumpang.
Perumahan motor harus dibumikan ke casis dengan betul untuk mengurangkan potensi elektrik.
Untuk meminimumkan panjang kabel antara penyongsang dan motor mereka dipasang sedekat mungkin antara satu sama lain.
Untuk menekan voltan lonjakan, arus poros dan bunyi terpancar, pengawal kebisingan EMI harus dipasang pada terminal motor.
Penapis EMI aktif digital perlu disatukan ke dalam pengawal digital penukar DC-DC untuk mengecas bateri voltan rendah dan memberikan pelemahan EMI yang ketara.
Untuk menekan EMI semasa pengecasan tanpa wayar, perisai reaktif resonan telah dikembangkan. Di sini medan magnet kebocoran melewati gegelung perisai reaktif resonan sedemikian rupa sehingga EMF yang diinduksi di setiap gegelung perisai dapat membatalkan EMF yang berlaku dan kebocoran medan magnet dapat ditindas dengan berkesan tanpa memakan daya tambahan.
Teknologi pelindung konduktif, pelindung magnet dan pelindung aktif telah dikembangkan untuk melindungi pelepasan medan elektromagnetik dari sistem WPT.
Pengawal bunyi EMI telah dikembangkan untuk kenderaan elektrik, yang dipasang pada terminal motor untuk menekan voltan lonjakan, arus poros dan bunyi terpancar.