Compatibilidad electromagnética en vehículos eléctricos

Cuando la corriente pasa a través de un conductor, crea campos electromagnéticos y casi todos los dispositivos electrónicos como televisores, lavadoras, estufas de inducción, semáforos, teléfonos móviles, cajeros automáticos y computadoras portátiles, etc., emitirán los campos electromagnéticos. Los vehículos que funcionan con combustibles fósiles también sufren de interferencia electromagnética (EMI): el sistema de encendido, el motor de arranque y los interruptores provocan EMI de banda ancha y los dispositivos electrónicos provocan EMI de banda estrecha. Pero en comparación con los vehículos ICE (motor de combustión interna), los vehículos eléctricos son una combinación de varios subsistemas y componentes electrónicos como batería, BMS, convertidor CC-CC, inversor, motor eléctrico, cables de alta potencia distribuidos alrededor del vehículo y cargadores, todos estos están trabajando a altos niveles de potencia y frecuencia, lo que provoca la emisión de EMI de alto nivel y baja frecuencia.

Si observamos las clasificaciones de potencia y voltaje de los vehículos eléctricos disponibles, las clasificaciones de potencia están entre unas pocas decenas de KW y cientos de KW, mientras que las clasificaciones de voltaje están en cientos de voltios, por lo que los niveles de corriente estarán en cientos de amperios, lo que provoca campos magnéticos más fuertes.

• Nissan LEAF tiene una tracción trasera de 125 kW que funciona con 400 V _CC
• BMW i3 tiene 125 kW de tracción trasera funciona en 500 V _DC
• El modelo S de Tesla tiene 235 kW, la tracción trasera funciona con 650 V _CC
• Toyota Prius (3.a generación) tiene 74 kW de tracción delantera que funciona con 400 V _CC
• Toyota Prius PHV tiene una tracción delantera de 60 kW que funciona con 350 V _CC
• Chevrolet Volt PHV tiene tracción delantera de 55 kW (x2) funciona con 400 V _CC

Dejar que consideran un vehículo eléctrico con 100 kW de funcionamiento de accionamiento eléctrico a 400V medios que está teniendo la corriente de 250A que crea un campo magnético fuerte. Al diseñar el vehículo, tenemos que evaluar la EMC (compatibilidad electromagnética) de todos estos subsistemas y componentes para garantizar la seguridad de los componentes junto con la seguridad de los seres vivos.

Términos y definiciones relacionados con EMC y EMI

EMC (compatibilidad electromagnética) de un dispositivo o equipo significa que su capacidad para no verse afectado por el campo electromagnético (EMF) y no afectar el funcionamiento de otros sistemas con su EMF cuando está funcionando en un entorno electromagnético. EMC representa emisiones electromagnéticas, susceptibilidad, inmunidad y problemas de acoplamiento.

Emisión electromagnética significa la generación y liberación de energía electromagnética al medio ambiente. Cualquier emisión no deseada provoca interferencias o perturbaciones en el funcionamiento de otros dispositivos electrónicos que funcionan en el mismo entorno, es decir, lo que se conoce como interferencia electromagnética (EMI).

La susceptibilidad electromagnética de un dispositivo indica su vulnerabilidad a emisiones e interferencias no deseadas que provocan el mal funcionamiento o avería del dispositivo. Si un dispositivo es más susceptible significa que es menos inmune a las interferencias electromagnéticas.

La inmunidad electromagnética de un dispositivo significa su capacidad para funcionar normalmente en presencia de un entorno electromagnético sin experimentar interferencias o averías debido a las emisiones electromagnéticas de otro dispositivo electrónico.

Acoplamiento electromagnético significa el mecanismo del campo electromagnético emitido por un dispositivo que alcanza o interfiere con otro dispositivo.

Fuentes de interferencia electromagnética (EMI) en EV

• Se sabe que los convertidores de potencia son la principal fuente de interferencia electromagnética dentro de los sistemas de accionamiento eléctrico. Estos tienen un dispositivo de conmutación de alta velocidad, por ejemplo, los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) convencionales funcionan a frecuencias que van de 2 a 20 kHz, los IGBT rápidos pueden funcionar hasta 50 kHz y los MOSFET de SiC pueden incluso trabajar en frecuencias superiores a 150 KHz.
• Los motores eléctricos que funcionan a altos niveles de potencia provocan emisiones electromagnéticas y actúan como camino para el ruido EM a través de su impedancia. Y esta impedancia cambia en función de la frecuencia. Dado que los accionamientos de motores eléctricos utilizan inversores de potencia con operación de conmutación PWM de alta velocidad, se producen picos de tensión en los terminales del motor, que provocan el ruido EM irradiado. Y la corriente del eje puede causar daños en los cojinetes del motor y un mal funcionamiento del controlador del vehículo.
• A medida que se distribuyen las baterías de tracción, las corrientes en las baterías y en los interconectores se convierten en una fuente importante de emisión de EMF y estos son la parte principal del camino para las EMI.
• Los cables blindados y no blindados que transportan corriente de alto nivel entre varios subsistemas, como el convertidor de batería a potencia, el convertidor de potencia a motor, etc., en el EV provocan campos magnéticos más fuertes. Dado que el espacio disponible en los vehículos eléctricos para el arnés de cableado es limitado, los cables de alto y bajo voltaje que se colocan uno cerca del otro provocan interferencias electromagnéticas entre ellos.
• Los cargadores de batería y las instalaciones de carga inalámbrica son las principales fuentes de EMI externas, además de la fuente de EMI interna de EV. Cuando se aplica la tecnología de energía inalámbrica para cargar el vehículo eléctrico, un campo magnético fuerte en el rango de varias decenas a cientos de kilohercios produce la transferencia de varios KW a decenas de KW de potencia.

Impacto de EMI en componentes electrónicos de vehículos eléctricos

Hoy en día, con el avance de la tecnología, los automóviles contienen más componentes y sistemas electrónicos para un funcionamiento y confiabilidad adecuados. Si vemos la arquitectura del vehículo eléctrico gran cantidad de sistemas eléctricos y electrónicos colocados en un espacio reducido. Esto causa interferencia electromagnética o diafonía entre estos sistemas. Si la EMC no se mantiene correctamente, estos sistemas pueden funcionar mal o incluso pueden dejar de funcionar.

EMC

La mayoría de los estándares de EMC automotrices son establecidos por la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE), la Organización Internacional de Estándares (ISO), el Comité Electrotécnico Internacional (IEC), la Asociación de Estándares del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos ( IEEE -SA), el Comunidad Europea (CE) y Comisión Económica para Europa de las Naciones Unidas (CEPE).

ISO 11451 especifica las condiciones generales, las pautas y los principios básicos para probar el vehículo a fin de determinar la inmunidad del ICE y los vehículos eléctricos frente a las perturbaciones eléctricas EMF radiadas de banda estrecha.

ISO 11452 especifica las condiciones generales, las pautas y los principios básicos para probar el componente a fin de determinar la inmunidad de los componentes electrónicos de ICE y vehículos eléctricos frente a perturbaciones eléctricas EMF radiadas de banda estrecha.

CISPR12 especifica los límites y métodos de medición para probar las emisiones electromagnéticas radiadas de vehículos eléctricos, vehículos ICE y barcos.

CISPR25 especifica los límites y métodos para medir las características de perturbación de radio y el procedimiento para probar el vehículo para determinar los niveles de RI / RE para la protección de los receptores utilizados a bordo de los vehículos.

SAE J551 -1 especifica niveles de rendimiento y métodos de medición de EMC de vehículos y dispositivos (60Hz-18GHz).

SAE J551 -2 especifica los límites de prueba y los métodos de medición de las características de perturbación de radio (emisión) de vehículos, lanchas a motor y dispositivos impulsados ​​por motores de encendido por chispa.

SAE J551-4 especifica los límites de prueba y los métodos de medición de las características de perturbación de radio de vehículos y dispositivos, banda ancha y banda estrecha, 150 KHz a 1000 MHz.

SAE J551-5 especifica los niveles de rendimiento y los métodos de medición de la intensidad del campo magnético y eléctrico de los vehículos eléctricos, de 9 kHz a 30 MHz.

SAE J551-11 especifica la inmunidad electromagnética del vehículo: fuente de vehículo desactivada.

SAE J551- 13 especifica vehículo electromagnética inmunidad a granel de inyección de corriente.

SAE J551- 15 especifica vehículo descarga electromagnética inmunidad-electrostática que se va a hacer en la habitación blindada.

SAE J551- 17 specifiesvehicle campos magnéticos electromagnética línea inmunidad potencia.

2004/144 CE - El anexo IV especifica el método de medición de las emisiones radiadas de banda ancha de los vehículos.

2004/144 CE - El anexo V especifica el método de medición de las emisiones radiadas de banda estrecha de los vehículos.

2004/144 CE - El anexo VI especifica el método de ensayo de la inmunidad de los vehículos a la radiación electromagnética.

AIS-004 (Parte 3) proporciona los requisitos de compatibilidad electromagnética en vehículos automotores.

El Anexo 2 del AIS-004 (Parte 3) explica el método de medición de las emisiones electromagnéticas de banda ancha radiadas de los vehículos.

AIS-004 (Parte 3) El Anexo 3 explica el método de medición de las emisiones electromagnéticas radiadas de banda estrecha de los vehículos.

El anexo 4 del AIS-004 (Parte 3) explica el método de prueba de inmunidad de los vehículos a la radiación electromagnética.

El Anexo 5 del AIS-004 (Parte 3) explica el método de medición de las emisiones electromagnéticas de banda ancha radiadas de los subconjuntos eléctricos / electrónicos.

El Anexo 6 ​​del AIS-004 (Parte 3) explica el método de medición de las emisiones electromagnéticas radiadas de banda estrecha de los subconjuntos eléctricos / electrónicos.

Límites de exposición de los seres humanos a los campos electromagnéticos

Los vehículos eléctricos producen radiaciones electromagnéticas no ionizantes que no afectan la salud humana por una exposición breve. Pero para una exposición prolongada, si el campo magnético irradiado supera los límites estándar, afecta la salud humana. Por lo tanto, al diseñar un vehículo eléctrico, se deben tener en cuenta los peligros de la exposición al campo magnético.

La exposición electromagnética de los pasajeros se ve afectada por diferentes configuraciones, niveles de potencia y topologías de vehículos eléctricos como la tracción delantera o trasera, la ubicación de la batería y la distancia entre los equipos eléctricos y los pasajeros, etc.

Al considerar los posibles efectos nocivos de la exposición humana a los campos electromagnéticos, las organizaciones internacionales, incluida la Organización Mundial de la Salud (OMS) y la Comisión Internacional para la Protección contra Radiaciones No Ionizantes (ICNIRP), las directivas de la UE, IEEE han especificado límites para la exposición máxima permitida al campo magnético a público.

Frecuencia (Hz)	Campos magnéticos H (AM -1)	Densidad de flujo magnético 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 continuación se muestra la tabla que muestra los niveles máximos de campo magnético permitidos para el público en general según el estándar IEEE

Ocupacional significa personas que están expuestas a EMF mientras realizan sus actividades laborales habituales.

Público en general significa el resto del público que no sea ocupacional expuesto a campos electromagnéticos.

Los valores de orientación no tienen ningún efecto adverso para la salud en condiciones normales de trabajo y para las personas que no tienen ningún dispositivo médico implantado activo o están embarazadas. Estos corresponden a la intensidad del campo.

El valor de acción provoca algunos efectos expuestos a estos niveles. Estos corresponden al campo máximo directamente medible.

• Básicamente, el valor de Acción es mayor que el valor de Orientación.
• Los valores de exposición del público ocupacional son más altos que los del nivel de exposición del público en general.

Pruebas de compatibilidad electromagnética

Se deben realizar pruebas de EMC para verificar si el vehículo eléctrico sigue los estándares requeridos o no . Las pruebas de laboratorio y las pruebas en carretera se realizan en vehículos eléctricos para evaluar la EMC. Estas pruebas consisten en pruebas de emisiones, susceptibilidad e inmunidad.

Se realizan pruebas de laboratorio para caracterizar las emisiones de campo magnético y la susceptibilidad de todos los equipos eléctricos a bordo en una cámara de prueba EMC. Estas cámaras son de tipo anecoico y de reverberación.

Para las pruebas de emisión realizadas, los transductores incluyen la red de estabilización de impedancia de línea (LISN) o la red de red artificial (AMN). Para las pruebas de emisiones radiadas, se utilizan antenas como transductores. Las emisiones radiadas se miden en todas las direcciones alrededor del dispositivo bajo prueba (DUT).

Las pruebas de susceptibilidad utilizan una fuente de alta potencia de energía RF EM y una antena radiante para dirigir la energía electromagnética al dispositivo bajo prueba. Mientras realiza la prueba en un vehículo eléctrico, excepto el dispositivo bajo prueba (DUT), todo se apagará y luego se medirá el campo magnético.

Las pruebas externas se realizan en condiciones reales de conducción en carretera. En estas pruebas, el vehículo bajo prueba debe conducir con la máxima aceleración y desaceleración para garantizar la máxima corriente durante la tracción y el frenado regenerativo. Estas pruebas se realizarán en carreteras rectas donde los campos magnéticos debidos a la tierra son constantes y en algunos casos en carreteras con pendientes pronunciadas. Mientras realizamos pruebas en carretera, tenemos que identificar las perturbaciones magnéticas externas de fuentes externas como líneas de ferrocarril, tapas de registro y otros automóviles, equipos de distribución de energía, líneas de transmisión de alto voltaje y transformadores de energía.

Pautas de diseño para mejorar la EMC y reducir la EMI

• Los cables de CC que transportan altas corrientes se deben fabricar en forma trenzada para que la corriente en este cable fluya en dirección opuesta y minimice la emisión de EMF.
• Los cables de CA trifásicos deben estar retorcidos y deben colocarse lo más cerca posible para minimizar la emisión de EMF de ellos.
• Y todos estos cables de alimentación deben colocarse lo más lejos posible de la región del asiento del pasajero. Y estas conexiones no deben formar un bucle.
• Si la distancia entre los asientos de los pasajeros y el cable es inferior a 200 mm, debe adoptarse un blindaje.
• Los motores deben colocarse más lejos del área del asiento del pasajero y el eje de rotación del motor no debe apuntar hacia el área del asiento del pasajero.
• Como el acero tiene un mejor efecto de protección, si el peso lo permite en lugar del aluminio, es necesario utilizar una carcasa de acero para el motor.
• Si la distancia entre el motor y el área del asiento del pasajero es menor de 500 mm, se debe utilizar un blindaje como una placa de acero entre el motor y el área del asiento del pasajero.
• La carcasa del motor debe estar conectada a tierra correctamente al chasis para minimizar cualquier potencial eléctrico.
• Para minimizar la longitud del cable entre el inversor y el motor, se montaron lo más cerca posible entre sí.
• Para suprimir la sobretensión, la corriente del eje y el ruido irradiado, se debe conectar un controlador de ruido EMI a los terminales del motor.
• Es necesario integrar un filtro EMI activo digital en el controlador digital de un convertidor CC-CC para cargar la batería de bajo voltaje y proporcionar una atenuación EMI significativa.
• Para suprimir la EMI durante la carga inalámbrica, se ha desarrollado un blindaje reactivo resonante. Aquí, el campo magnético de fuga pasa a través de las bobinas de blindaje reactivo resonante de tal manera que la EMF inducida en cada bobina de blindaje puede cancelar la EMF incidente y la fuga del campo magnético puede suprimirse eficazmente sin consumir energía adicional.
• Se han desarrollado tecnologías de blindaje conductivo, blindaje magnético y blindaje activo para blindar la emisión del campo electromagnético del sistema WPT.
• Se ha desarrollado un controlador de ruido EMI para vehículos eléctricos, que se adjunta en los terminales del motor para suprimir la sobretensión, la corriente del eje y el ruido irradiado.