Khả năng tương thích điện từ trong xe điện

Khi dòng điện đi qua vật dẫn, nó tạo ra trường điện từ và hầu như tất cả các thiết bị điện tử như TV, máy giặt, bếp từ, đèn giao thông, điện thoại di động, máy ATM và máy tính xách tay, v.v., sẽ phát ra trường điện từ. Các phương tiện sử dụng nhiên liệu hóa thạch cũng bị nhiễu điện từ (EMI) - Hệ thống đánh lửa, động cơ khởi động và công tắc gây ra EMI băng rộng và các thiết bị điện tử gây ra EMI băng hẹp. Nhưng so với xe ICE (Động cơ đốt trong), Xe điện là sự kết hợp của nhiều hệ thống con và linh kiện điện tử khác nhau như pin, BMS, bộ chuyển đổi DC-DC, biến tần, động cơ điện, cáp công suất cao được phân phối xung quanh xe và bộ sạc, tất cả những thứ này đang làm việc ở mức công suất và tần số cao gây ra phát xạ EMI tần số thấp mức cao.

Nếu chúng ta quan sát xếp hạng công suất và điện áp của các loại xe điện hiện có, xếp hạng công suất nằm trong khoảng từ vài chục KW đến hàng trăm KW trong khi xếp hạng điện áp ở hàng trăm vôn, do đó mức dòng điện sẽ ở hàng trăm Ampe, gây ra từ trường mạnh hơn

Nissan LEAF đang có ổ bánh sau 125 kW hoạt động trên 400 V _DC
BMW i3 đang có hệ dẫn động bánh sau 125 kW hoạt động trên 500 V _DC
Tesla Model S có công suất 235 kW Hệ dẫn động cầu sau hoạt động trên 650 V _DC
Toyota Prius (thế hệ thứ 3) có công suất 74 kW Hệ dẫn động cầu trước hoạt động trên 400 V _DC
Toyota Prius PHV đang có hệ dẫn động cầu trước công suất 60 kW hoạt động trên 350 V _DC
Chevrolet Volt PHV có Hệ dẫn động cầu trước công suất 55 kW (x2) hoạt động trên 400 V _DC

Hãy xem xét một chiếc xe điện với 100kW điều hành ổ điện tại 400V phương tiện đó là có hiện tại của 250A mà tạo ra một từ trường mạnh. Trong khi thiết kế phương tiện, chúng tôi phải đánh giá EMC (Tương thích điện từ) của tất cả các hệ thống con và thành phần này để đảm bảo an toàn cho các bộ phận cùng với sự an toàn của chúng sinh.

Điều khoản & Định nghĩa liên quan đến EMC và EMI

EMC (Tương thích điện từ) của một thiết bị hoặc thiết bị có nghĩa là nó có khả năng không bị ảnh hưởng bởi trường điện từ (EMF) và không ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống khác với EMF của nó khi nó đang hoạt động trong môi trường điện từ. EMC đại diện cho các vấn đề phát xạ điện từ, tính nhạy cảm, khả năng miễn dịch và khớp nối.

Phát xạ điện từ có nghĩa là tạo ra và giải phóng năng lượng điện từ vào môi trường. Bất kỳ sự phát xạ không mong muốn nào cũng gây ra nhiễu hoặc ảnh hưởng đến hoạt động của thiết bị điện tử khác đang hoạt động trong cùng một môi trường, được gọi là Nhiễu điện từ (EMI).

Tính nhạy cảm điện từ của một thiết bị cho biết thiết bị dễ bị phát xạ và nhiễu không mong muốn gây ra sự cố hoặc hỏng hóc của thiết bị. Nếu một thiết bị nhạy cảm hơn có nghĩa là thiết bị đó ít bị nhiễu điện từ hơn.

Khả năng miễn nhiễm điện từ của một thiết bị có nghĩa là thiết bị có khả năng hoạt động bình thường trong môi trường điện từ mà không bị nhiễu hoặc bị hỏng do phát xạ điện từ từ một thiết bị điện tử khác.

Khớp nối điện từ là cơ chế trường điện từ phát ra của một thiết bị chạm tới hoặc gây nhiễu cho thiết bị khác.

Nguồn nhiễu điện từ (EMI) trong EV

Bộ chuyển đổi nguồn được biết đến là nguồn gây nhiễu điện từ chính trong hệ thống truyền động điện. Đây là những thiết bị chuyển mạch tốc độ cao, chẳng hạn như bóng bán dẫn lưỡng cực cổng cách điện thông thường (IGBT) hoạt động ở tần số từ 2 đến 20 kHz, IGBT nhanh có thể hoạt động lên đến 50 kHz và SiC MOSFET thậm chí có thể làm việc với tần số trên 150 KHz.
Động cơ điện đang hoạt động ở mức công suất cao gây ra phát xạ điện từ và nó hoạt động như đường dẫn tiếng ồn EM thông qua trở kháng của nó. Và trở kháng này thay đổi như một hàm của tần số. Khi bộ truyền động động cơ điện sử dụng bộ biến tần với hoạt động chuyển mạch PWM tốc độ cao, điện áp tăng cao xuất hiện ở các đầu cuối của động cơ, gây ra tiếng ồn EM phát xạ. Và dòng điện trục có thể gây hư hỏng vòng bi động cơ và trục trặc bộ điều khiển xe.
Khi pin kéo được phân phối, các dòng điện trong pin và trong các bộ kết nối trở thành một nguồn đáng kể cho phát xạ EMF và đây là một phần chính của đường dẫn cho EMI.
Cáp được che chắn và không được che chắn mang dòng điện mức cao giữa các hệ thống con khác nhau như bộ chuyển đổi pin thành nguồn, bộ chuyển đổi điện sang động cơ, v.v., trong EV gây ra từ trường mạnh hơn. Vì không gian có sẵn trong EV để khai thác dây bị hạn chế, cáp điện áp cao và điện áp thấp được đặt gần nhau gây ra nhiễu điện từ giữa chúng.
Bộ sạc pin và các thiết bị sạc không dây là các nguồn EMI bên ngoài chính ngoài nguồn EMI bên trong EV. Khi công nghệ nguồn không dây được áp dụng để sạc EV, một từ trường mạnh trong phạm vi từ vài chục đến hàng trăm kilohertz tạo ra để chuyển một số KW đến hàng chục KWs.

Tác động của EMI đối với các thành phần điện tử của xe điện

Ngày nay với sự tiến bộ của công nghệ, ô tô chứa nhiều linh kiện và hệ thống điện tử hơn để hoạt động tốt và đáng tin cậy. Nếu chúng ta nhìn thấy kiến trúc xe điện, số lượng lớn các hệ thống điện và điện tử được đặt vào một không gian hạn chế. Điều này gây ra nhiễu điện từ hoặc nói chuyện chéo giữa các hệ thống này. Nếu EMC không được bảo trì đúng cách, các hệ thống này có thể hoạt động sai hoặc thậm chí có thể không hoạt động.

EMC

Hầu hết các tiêu chuẩn EMC dành cho ô tô được thiết lập bởi Hiệp hội Kỹ sư Ô tô (SAE), Tổ chức Tiêu chuẩn Quốc tế (ISO), Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế (IEC), Hiệp hội Tiêu chuẩn Kỹ sư Điện và Điện tử ( IEEE -SA), Cộng đồng Châu Âu (EC) và Ủy ban Kinh tế Liên hợp quốc về Châu Âu (UNECE).

ISO 11451 quy định các điều kiện, hướng dẫn chung và các nguyên tắc cơ bản để thử xe nhằm xác định khả năng miễn nhiễm của ICE và xe điện đối với nhiễu điện dải hẹp bức xạ EMF.

ISO 11452 quy định các điều kiện chung, hướng dẫn và nguyên tắc cơ bản để thử nghiệm thành phần nhằm xác định khả năng miễn nhiễm của các thành phần điện tử của ICE và xe điện đối với nhiễu điện dải hẹp bức xạ EMF.

CISPR12 quy định các giới hạn và phương pháp đo để kiểm tra phát xạ điện từ từ xe điện, phương tiện ICE và tàu thuyền.

CISPR25 quy định các giới hạn và phương pháp đo các đặc tính nhiễu sóng vô tuyến và quy trình kiểm tra phương tiện để xác định mức RI / RE để bảo vệ các máy thu được sử dụng trên phương tiện giao thông.

SAE J551 -1 chỉ định mức hiệu suất và Phương pháp đo EMC của phương tiện và thiết bị (60Hz-18GHz).

SAE J551 -2 quy định các giới hạn thử nghiệm và phương pháp đo đặc tính nhiễu sóng vô tuyến (phát xạ) của xe cộ, Thuyền máy và Thiết bị Điều khiển Động cơ đánh lửa.

SAE J551-4 quy định các giới hạn thử nghiệm và phương pháp đo đặc tính nhiễu sóng vô tuyến của các phương tiện và thiết bị, băng rộng và băng hẹp, 150 KHz đến 1000 MHz.

SAE J551-5 quy định các mức hiệu suất và phương pháp đo cường độ từ trường và điện trường từ xe điện, 9 kHz đến 30MHz.

SAE J551-11 chỉ định nguồn xe Tắt miễn nhiễm điện từ của xe.

SAE J551- 13 chỉ định tiêm dòng điện số lượng lớn miễn nhiễm điện từ cho xe.

SAE J551- 15 chỉ định phóng tĩnh điện-miễn nhiễm điện từ của xe sẽ được thực hiện trong phòng được che chắn.

SAE J551- 17 chỉ định từ trường dòng công suất-miễn dịch điện từ.

2004/144 EC - Phụ lục IV quy định phương pháp đo phát xạ băng rộng bức xạ từ các phương tiện giao thông.

2004/144 EC - Phụ lục V quy định phương pháp đo phát xạ dải hẹp bức xạ từ các phương tiện giao thông.

2004/144 EC - Phụ lục VI quy định phương pháp thử nghiệm khả năng miễn nhiễm của phương tiện với bức xạ điện từ.

AIS-004 (Phần 3) đưa ra các yêu cầu về Tương thích Điện từ trong Xe Ô tô.

AIS-004 (Phần 3) Phụ lục 2 giải thích phương pháp đo phát xạ điện từ băng rộng bức xạ từ các phương tiện giao thông.

AIS-004 (Phần 3) Phụ lục 3 giải thích phương pháp đo phát xạ điện từ dải hẹp bức xạ từ các phương tiện giao thông.

AIS-004 (Phần 3) Phụ lục 4 giải thích phương pháp thử nghiệm khả năng miễn nhiễm của phương tiện với bức xạ điện từ.

AIS-004 (Phần 3) Phụ lục 5 giải thích phương pháp đo phát xạ điện từ băng rộng bức xạ từ các cụm phụ điện / điện tử.

AIS-004 (Phần 3) Phụ lục 6 giải thích phương pháp đo phát xạ điện từ dải hẹp bức xạ từ các cụm phụ điện / điện tử.

Giới hạn tiếp xúc của trường điện từ với con người

Xe điện tạo ra bức xạ điện từ không ion hóa không ảnh hưởng đến sức khỏe con người khi tiếp xúc trong thời gian ngắn. Nhưng nếu tiếp xúc trong thời gian dài nếu từ trường bức xạ vượt quá giới hạn tiêu chuẩn sẽ ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Vì vậy, trong khi thiết kế xe điện, phải tính đến các nguy cơ tiếp xúc với từ trường.

Tiếp xúc điện từ với hành khách ảnh hưởng bởi các cấu hình, mức công suất và cấu trúc liên kết khác nhau của xe điện như hệ dẫn động bánh trước hoặc bánh sau, vị trí đặt pin và khoảng cách giữa thiết bị điện với hành khách, v.v.

Bằng cách xem xét các tác hại có thể xảy ra khi con người tiếp xúc với trường điện từ, các tổ chức quốc tế, bao gồm Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) và Ủy ban Quốc tế về Bảo vệ Bức xạ Không ion hóa (ICNIRP), các chỉ thị của EU, IEEE đã quy định các giới hạn đối với mức tiếp xúc từ trường tối đa cho phép đối với công cộng.

Tần số (Hz)	Từ trường H (AM ^-1)	Mật độ từ thông 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

Dưới đây là bảng hiển thị các mức từ trường tối đa cho phép đối với công chúng theo tiêu chuẩn IEEE

Nghề nghiệp có nghĩa là những người tiếp xúc với EMF trong khi thực hiện các công việc thường xuyên của họ.

Công chúng có nghĩa là phần còn lại của công chúng ngoài nghề nghiệp tiếp xúc với điện từ trường

Giá trị định hướng không có ảnh hưởng xấu đến sức khỏe trong điều kiện làm việc bình thường và đối với những người không có bất kỳ Thiết bị Y tế Cấy ghép đang hoạt động hoặc đang mang thai. Chúng tương ứng với cường độ trường.

Giá trị hành động gây ra một số tác động đối với các cấp độ này. Chúng tương ứng với trường tối đa có thể đo lường trực tiếp.

Về cơ bản giá trị Hành động cao hơn giá trị Định hướng.
Giá trị phơi nhiễm nơi công cộng nghề nghiệp cao hơn giá trị phơi nhiễm công cộng nói chung.

Kiểm tra tính tương thích điện từ

Thử nghiệm EMC cần được thực hiện để kiểm tra xem xe điện có tuân theo các tiêu chuẩn yêu cầu hay không . Các bài kiểm tra trong phòng thí nghiệm và kiểm tra đường được thực hiện trên xe điện để đánh giá EMC. Các thử nghiệm này bao gồm các thử nghiệm về khí thải, tính nhạy cảm và khả năng miễn dịch.

Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm được thực hiện để xác định đặc điểm của phát xạ từ trường và tính nhạy cảm từ tất cả các thiết bị điện trên bo mạch trong một buồng thử nghiệm EMC. Các khoang này là loại không dội âm và dội âm.

Đối với thử nghiệm phát xạ được tiến hành, các đầu dò bao gồm mạng ổn định trở kháng đường dây (LISN) hoặc mạng lưới nguồn nhân tạo (AMN) được sử dụng. Đối với thử nghiệm phát xạ bức xạ, anten được sử dụng làm đầu dò. Phát xạ bức xạ được đo theo tất cả các hướng xung quanh thiết bị được thử nghiệm (DUT).

Kiểm tra tính nhạy cảm sử dụng nguồn năng lượng RF EM công suất cao và một ăng-ten bức xạ để hướng năng lượng điện từ đến DUT. Trong khi thực hiện thử nghiệm trên xe điện, ngoại trừ thiết bị đang thử nghiệm (DUT), mọi thứ sẽ được tắt và sau đó từ trường sẽ được đo.

Các bài kiểm tra bên ngoài được thực hiện trong thế giới thực trên các điều kiện lái xe trên đường. Trong các bài kiểm tra này, chiếc xe được kiểm tra cần lái với khả năng tăng tốc và giảm tốc tối đa để đảm bảo dòng điện tối đa trong quá trình bám đường và phanh phục hồi. Các bài kiểm tra này sẽ được thực hiện trên đường thẳng, nơi từ trường do trái đất là không đổi và trong một số trường hợp trên đường có độ dốc lớn. Trong khi thực hiện các bài kiểm tra trên đường, chúng tôi phải xác định các nhiễu từ bên ngoài từ các nguồn bên ngoài như đường sắt, nắp cống và các ô tô khác, thiết bị phân phối điện, đường dây tải điện cao thế và máy biến áp.

Hướng dẫn thiết kế để có EMC tốt hơn và giảm EMI

Cáp DC mang dòng điện cao phải được làm ở dạng xoắn để dòng điện trong cáp này chảy ngược chiều dẫn đến giảm thiểu phát xạ EMF.
Cáp AC ba pha phải được xoắn và cần đặt càng gần càng tốt để giảm thiểu phát xạ EMF từ chúng.
Và tất cả các dây cáp điện này cần phải đặt càng xa khu vực chỗ ngồi của hành khách càng tốt. Và những kết nối này không nên tạo thành một vòng lặp.
Nếu khoảng cách giữa ghế hành khách và cáp nhỏ hơn 200 mm, phải sử dụng biện pháp che chắn.
Động cơ cần được đặt xa khu vực ghế của hành khách hơn và trục quay của động cơ không được hướng về phía khu vực ghế của hành khách.
Vì thép có tác dụng che chắn tốt hơn, nếu trọng lượng cho phép thay vì nhôm, cần sử dụng vỏ kim loại thép cho động cơ.
Nếu khoảng cách giữa động cơ và khu vực ghế hành khách nhỏ hơn 500mm, cần phải sử dụng tấm che chắn như tấm thép giữa động cơ và khu vực ghế hành khách.
Vỏ động cơ phải được nối đất đúng cách với khung máy để giảm thiểu mọi tiềm năng điện.
Để giảm thiểu chiều dài cáp giữa biến tần và động cơ, chúng được gắn càng gần nhau càng tốt.
Để triệt tiêu điện áp tăng, dòng điện trục và tiếng ồn bức xạ, một bộ điều khiển tiếng ồn EMI nên được gắn vào các đầu cuối của động cơ.
Bộ lọc EMI hoạt động kỹ thuật số cần được tích hợp vào bộ điều khiển kỹ thuật số của bộ chuyển đổi DC-DC để sạc pin điện áp thấp và cung cấp suy hao EMI đáng kể.
Để ngăn chặn EMI trong quá trình sạc không dây, tấm chắn phản ứng cộng hưởng đã được phát triển. Tại đây từ trường rò rỉ đi qua các cuộn dây lá chắn phản kháng cộng hưởng theo cách mà EMF cảm ứng trong mỗi cuộn dây chắn có thể hủy bỏ EMF sự cố và rò rỉ từ trường có thể được triệt tiêu một cách hiệu quả mà không cần tiêu thụ thêm công suất.
Các công nghệ che chắn dẫn điện, che chắn từ trường và che chắn tích cực đã được phát triển để che chắn sự phát xạ trường điện từ từ hệ thống WPT.
Bộ điều khiển tiếng ồn EMI đã được phát triển cho xe điện, được gắn trên các đầu cuối của động cơ để triệt tiêu điện áp tăng, dòng điện trục và tiếng ồn bức xạ.