Elektrikli araçlarda elektromanyetik uyumluluk

Akım bir iletkenden geçtiğinde elektromanyetik alanlar oluşturur ve TV'ler, çamaşır makineleri, indüksiyonlu ocak, trafik ışıkları, cep telefonları, ATM'ler ve dizüstü bilgisayarlar gibi hemen hemen tüm elektronik cihazlar elektromanyetik alanlar yayar. Fosil yakıtlı araçlar da Elektromanyetik Girişimden (EMI) muzdariptir - Ateşleme sistemi, marş motoru ve anahtarlar geniş bant EMI'ye, elektronik cihazlar ise dar bant EMI'ye neden olur. Ancak ICE (İçten Yanmalı Motor) araçlarına kıyasla Elektrikli Araçlar, çeşitli alt sistemler ve batarya, BMS, DC-DC dönüştürücü, invertör, elektrik motoru, aracın etrafına dağılmış yüksek güç kabloları ve şarj cihazları gibi elektronik bileşenlerin birleşimidir. yüksek seviyeli düşük frekanslı EMI emisyonuna neden olan yüksek güç ve frekans seviyelerinde çalışmaktadır.

Mevcut elektrikli araçların güç ve voltaj değerlerine bakarsak, güç değerleri birkaç on KW ila yüzlerce KW arasında iken voltaj değerleri yüzlerce volt arasındadır, böylece akım seviyeleri yüzlerce Amperde olur ve bu da daha güçlü manyetik alanlara neden olur.

• Nissan LEAF, 400 V _{DC ile} 125 kW arkadan çekişli çalışıyor
• BMW i3, 500 V _{DC ile} 125 kW arkadan çekişli çalışıyor
• Tesla model S 235 kW'a sahip Arkadan çekişli 650 V _{DC ile çalışıyor}
• Toyota Prius (3. nesil) 74 kW'a sahip Önden çekişli 400 V _{DC ile çalışıyor}
• Toyota Prius PHV, 350 V _{DC ile} çalışan 60 kW gücünde Önden Çekişli
• Chevrolet Volt PHV, 55 kW (x2) değerinde Önden çekişli 400 V _{DC ile çalışıyor}

Let 400V de 100kW elektrik tahrik işletmesini bir elektrikli araç düşünün güçlü bir manyetik alan oluşturur 250A akımı yaşıyor vasıtası. Aracı tasarlarken, canlıların güvenliği ile birlikte bileşenlerin güvenliğini sağlamak için tüm bu alt sistemlerin ve bileşenlerin EMC'sini (Elektromanyetik Uyumluluk) değerlendirmeliyiz.

EMC ve EMI ile ilgili Terimler ve Tanımlar

Bir cihazın veya ekipmanın EMC'si (Elektromanyetik uyumluluk), elektromanyetik alandan (EMF) etkilenmeme ve elektromanyetik ortamda çalışırken EMF'si ile diğer sistemlerin çalışmasını etkilememe yeteneği anlamına gelir. EMC, elektromanyetik emisyon, duyarlılık, Bağışıklık ve bağlantı sorunlarını temsil eder.

Elektromanyetik Emisyon, elektromanyetik enerjinin üretilmesi ve çevreye salınması anlamına gelir. İstenmeyen herhangi bir emisyon, aynı ortamda çalışan diğer elektronik cihazların çalışmasına, yani Elektromanyetik Girişim (EMI) olarak bilinen girişime veya bozulmaya neden olur.

Bir cihazın Elektromanyetik Hassasiyeti, cihazın arızalanmasına veya bozulmasına neden olan istenmeyen emisyonlara ve parazitlere karşı savunmasızlığını gösterir. Bir cihaz daha duyarlıysa, elektromanyetik girişime karşı daha az bağışık olduğu anlamına gelir.

Bir cihazın Elektromanyetik Bağışıklığı, başka bir elektronik cihazdan gelen elektromanyetik emisyonlar nedeniyle parazit veya bozulma yaşamadan elektromanyetik ortamda normal şekilde çalışabilme yeteneği anlamına gelir.

Elektromanyetik Kuplaj, bir cihazın yayılan elektromanyetik alanının diğer cihaza ulaşan veya müdahale eden mekanizması anlamına gelir.

EV'de Elektromanyetik Parazit (EMI) Kaynakları

• Güç Dönüştürücülerinin, elektrikli tahrik sistemlerinde elektromanyetik parazitin ana kaynağı olduğu bilinmektedir. Bunlar, yüksek hızlı anahtarlama cihazına sahiptir, örneğin geleneksel Yalıtımlı Geçitli Bipolar Transistörler (IGBT) 2 ila 20 kHz arasında değişen frekanslarda çalışır, hızlı IGBT'ler 50 kHz'e kadar çalışabilir ve SiC MOSFET'ler 150 KHz'in üzerindeki frekanslarda bile çalışabilir.
• Yüksek güç seviyelerinde çalışan Elektrik Motorları elektromanyetik emisyonlara neden olur ve empedansı ile EM gürültüye yol görevi görür. Ve bu empedans, frekansın bir fonksiyonu olarak değişir. Elektrik motoru sürücüleri yüksek hızlı PWM anahtarlama işlemine sahip güç invertörleri kullandığından, motor terminallerinde yayılan EM sesine neden olan aşırı gerilimler oluşur. Ve şaft akımı, motor yataklarına zarar verebilir ve araç kontrolörünün arızalanmasına neden olabilir.
• Gibi çekiş bataryaları dağıtıldığı, pillerde ve enterkonnektörler içinde akımlar EMF emisyonu için önemli bir kaynağı haline ve bu EMI için yolun ana parçasıdır.
• EV'de pilden güç dönüştürücüsüne, güç dönüştürücüsünden motora vb. Çeşitli alt sistemler arasında yüksek düzeyde akım taşıyan ekranlı ve ekransız kablolar daha güçlü manyetik alanlara neden olur. EV'de kablo demeti için mevcut alan sınırlı olduğundan, yüksek voltajlı ve düşük voltajlı kabloların birbirine yakın yerleştirilmesi, aralarında elektromanyetik parazite neden olur.
• Pil şarj cihazları ve kablosuz şarj olanakları, EV dahili EMI kaynağı dışında en önemli harici EMI kaynaklarıdır. EV'yi şarj etmek için kablosuz güç teknolojisi uygulandığında, onlarca ila yüzlerce kilohertz aralığında güçlü bir manyetik alan, birkaç KW'yi onlarca KW güce aktarmak için üretir.

Elektrikli Araç Elektronik Bileşenleri üzerindeki EMI etkisi

Günümüzde teknolojideki ilerlemeyle birlikte otomobiller, düzgün çalışma ve güvenilirlik için daha fazla elektronik bileşen ve sistem içermektedir. Elektrikli araç mimarisine bakarsak büyük miktarda elektrik ve elektronik sistem kapalı bir alana yerleştirilir. Bu, bu sistemler arasında elektromanyetik girişime veya karşılıklı konuşmaya neden olur. EMC'nin uygun şekilde bakımı yapılmazsa, bu sistemler arızalanabilir veya hatta çalışmayabilir.

EMC

Otomotiv EMC standartlarının çoğu Otomotiv Mühendisleri Derneği (SAE), Uluslararası Standartlar Organizasyonu (ISO), Uluslararası Elektroteknik Komitesi (IEC), Elektrik ve Elektronik Mühendisleri Standartları Enstitüsü ( IEEE -SA) tarafından belirlenir. Avrupa Topluluğu (EC) ve Birleşmiş Milletler Avrupa Ekonomik Komisyonu (UNECE).

ISO 11451, ICE ve elektrikli araçların elektrik kesintisi, dar bant yayılan EMF'ye karşı bağışıklığını belirlemek için aracın test edilmesi için genel koşulları, yönergeleri ve temel ilkeleri belirtir.

ISO 11452, ICE'nin elektronik bileşenlerinin ve elektrikli araçların elektrik kesintisi, dar bant yayılan EMF'ye karşı bağışıklığını belirlemek için bileşeni test etmek için genel koşulları, yönergeleri ve temel ilkeleri belirtir.

CISPR12, elektrikli araçlardan, ICE araçlarından ve teknelerden yayılan elektromanyetik emisyonları test etmek için ölçüm sınırlarını ve yöntemlerini belirtir.

CISPR25, araçlarda kullanılan alıcıların korunması için RI / RE seviyelerini belirlemek için radyo parazit karakteristiklerini ölçmek için limitleri ve yöntemleri ve aracı test etme prosedürünü belirtir.

SAE J551 -1, araçların ve cihazların (60Hz- 18GHz) EMC'sinin performans seviyelerini ve ölçüm yöntemlerini belirtir.

SAE J551 -2, araçların, Motorlu teknelerin ve kıvılcımla ateşlenen Motor Tahrikli Cihazların radyo paraziti (emisyon) özelliklerinin test limitlerini ve ölçüm yöntemlerini belirtir.

SAE J551-4, araçların ve cihazların, geniş bant ve dar bant, 150 KHz ila 1000 MHz radyo bozucu özelliklerinin test limitlerini ve ölçüm yöntemlerini belirtir.

SAE J551-5, 9 kHz'den 30MHz'e kadar elektrikli araçlardan manyetik ve elektrik alan kuvvetinin performans seviyelerini ve ölçüm yöntemlerini belirtir.

SAE J551-11, araç elektromanyetik muafiyeti-Off araç kaynağını belirtir.

SAE J551- 13, araç elektromanyetik bağışıklık-toplu akım enjeksiyonunu belirtir.

SAE J551- 15, zırhlı odada yapılacak araç elektromanyetik bağışıklık-elektrostatik deşarjı belirtir.

SAE J551- 17, araç elektromanyetik bağışıklık güç hattı manyetik alanlarını belirtir.

2004/144 EC - Ek IV, araçlardan yayılan geniş bant emisyonlarının ölçüm yöntemini belirtir.

2004/144 EC - Ek V, araçlardan yayılan dar bant emisyonlarının ölçüm yöntemini belirtir.

2004/144 EC - Ek VI, araçların elektromanyetik radyasyona karşı bağışıklığı için test yöntemini belirtir.

AIS-004 (Bölüm 3), Otomotiv Araçlarında Elektromanyetik Uyumluluk için gereksinimleri sağlar.

AIS-004 (Bölüm 3) Ek 2, araçlardan yayılan geniş bant elektromanyetik emisyonların ölçüm yöntemini açıklar.

AIS-004 (Bölüm 3) Ek 3, araçlardan yayılan dar bant elektromanyetik emisyonların ölçüm yöntemini açıklamaktadır.

AIS-004 (Bölüm 3) Ek 4, araçların elektromanyetik radyasyona karşı bağışıklığı için test yöntemini açıklamaktadır.

AIS-004 (Bölüm 3) Ek 5, elektrikli / elektronik alt düzeneklerden yayılan geniş bant elektromanyetik emisyonların ölçüm yöntemini açıklar.

AIS-004 (Bölüm 3) Ek 6, elektrikli / elektronik alt düzeneklerden yayılan dar bant elektromanyetik emisyonların ölçüm yöntemini açıklar.

Elektromanyetik Alanların İnsanlara Maruz Kalma Sınırları

Elektrikli araçlar, kısa süreli maruziyette insan sağlığını etkilemeyen iyonlaştırıcı olmayan elektromanyetik radyasyonlar üretir. Ancak uzun süre maruz kalındığında, yayılan manyetik alan standart sınırların üzerindeyse insan sağlığını etkiler. Bu nedenle, elektrikli araç tasarlanırken manyetik alana maruz kalma tehlikeleri dikkate alınmalıdır.

Yolculara elektromanyetik maruziyet, önden çekişli veya arkadan çekişli elektrikli aracın farklı konfigürasyonları, güç seviyeleri ve topolojileri, pil yerleşimi ve güç ekipmanı ile yolcular arasındaki mesafe vb.

İnsanların elektromanyetik alanlara maruz kalmasının olası zararlı etkilerini göz önünde bulundurarak, Dünya Sağlık Örgütü (WHO) ve Uluslararası İyonlaştırıcı Olmayan Radyasyondan Korunma Komisyonu (ICNIRP) dahil olmak üzere uluslararası kuruluşlar, AB direktifleri, IEEE, halka açık.

Frekans (Hz)	Manyetik alanlar H (AM -1)	Manyetik akı yoğunluğu 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

Aşağıda IEEE standardına göre kamuoyuna izin verilen maksimum manyetik alan seviyelerini gösteren tablo bulunmaktadır.

Mesleki, normal iş faaliyetlerini yaparken EMF'ye maruz kalan kişiler anlamına gelir.

Genel halk, elektromanyetik alanlara maruz kalan mesleki dışındaki halkın geri kalanı anlamına gelir

Oryantasyon değerlerinin normal çalışma koşulları altında ve herhangi bir aktif İmplante Tıbbi Cihazı olmayan veya hamile kişiler için olumsuz sağlık etkisi yoktur. Bunlar alan gücüne karşılık gelir.

Eylem değeri, bu seviyelere maruz kalan bazı etkilere neden olur. Bunlar, doğrudan ölçülebilir maksimum alana karşılık gelir.

• Temelde Action değeri Oryantasyon değerinden daha yüksektir.
• Mesleki kamusal maruz kalma değerleri, genel halkın maruz kalma düzeyinden daha yüksektir.

Elektromanyetik Uyumluluk Testleri

Elektrikli aracın gerekli standartlara uyup uymadığını kontrol etmek için EMC Testinin yapılması gerekir . EMC'yi değerlendirmek için elektrikli araç üzerinde laboratuvar testleri ve yol testleri yapılır. Bu testler, emisyon, duyarlılık ve bağışıklık testlerinden oluşur.

Bir EMC test odasında tüm yerleşik elektrikli ekipmanlardan kaynaklanan manyetik alan emisyonlarını ve duyarlılığı karakterize etmek için laboratuar testleri yapılır. Bu odalar yankısız ve yankılanma tipleridir.

Yürütülen emisyon testi için, transdüserler arasında hat empedans stabilizasyon ağı (LISN) veya yapay şebeke ağı (AMN) kullanılır. İçin yayılan salım testi, antenler dönüştürücüler olarak kullanılır. Yayılan emisyonlar, test edilen cihazın (DUT) etrafındaki her yönden ölçülür.

Duyarlılık testi, elektromanyetik enerjiyi DUT'a yönlendirmek için yüksek güçlü RF EM enerjisi kaynağı ve yayılan bir anten kullanır. Test edilen cihaz (DUT) dışında elektrikli araç üzerinde test yapılırken her şey kapatılacak ve ardından manyetik alan ölçülecektir.

Dış testler gerçek dünyada yol sürüş koşullarında yapılır. Bu testlerde, test edilen aracın, çekiş ve rejeneratif frenleme sırasında maksimum akımı sağlamak için maksimum hızlanma ve yavaşlama ile sürmesi gerekir. Bu testler, toprağa bağlı manyetik alanların sabit olduğu düz yolda ve bazı durumlarda dik eğimli yollarda yapılacaktır. Yol testleri yaparken, demiryolu hatları, rögar kapakları ve diğer arabalar, güç dağıtım ekipmanları, yüksek gerilim iletim hatları ve güç transformatörleri gibi dış kaynaklardan gelen harici manyetik karışıklıkları tespit etmemiz gerekir.

Daha iyi EMC ve EMI'yi düşürmek için tasarım kuralları

• Yüksek akım taşıyan DC kablolar, bu kablodaki akımın ters yönde akması EMF emisyonunu en aza indirecek şekilde bükümlü yapılmalıdır.
• Üç fazlı AC kabloları bükülmeli ve bunlardan EMF emisyonunu en aza indirmek için mümkün olduğunca yakın yerleştirilmelidir.
• Ve tüm bu güç kablolarının yolcu koltuğu bölgesinden olabildiğince uzağa yerleştirilmesi gerekiyor. Ve bu bağlantılar bir döngü oluşturmamalıdır.
• Yolcu koltukları ile kablo arasındaki mesafe 200 mm'den azsa, ekranlama benimsenmelidir.
• Motorlar yolcu koltuğu alanından daha uzağa yerleştirilmeli ve motorun dönüş ekseni yolcu koltuk alanına dönük olmamalıdır.
• Çelik daha iyi koruma etkisine sahip olduğundan, alüminyum yerine ağırlık izin veriyorsa, motor için çelik metal muhafaza kullanılması gerekir.
• Motor ve yolcu koltuğu alanı arasındaki mesafe 500 mm'den az ise, motor ile yolcu koltuğu alanı arasında çelik levha gibi koruyucuların kullanılması gerekir.
• Elektrik potansiyelini en aza indirmek için motor muhafazası şasiye uygun şekilde topraklanmalıdır.
• İnverter ile motor arasındaki kablo uzunluğunu en aza indirmek için birbirlerine mümkün olduğunca yakın monte edilirler.
• Aşırı gerilim, şaft akımı ve yayılan gürültüyü bastırmak için motor terminallerine bir EMI gürültü denetleyicisi bağlanmalıdır.
• Düşük voltajlı pili şarj etmek ve önemli EMI zayıflaması sağlamak için bir DC-DC dönüştürücünün dijital denetleyicisine bir dijital aktif EMI filtresinin entegre edilmesi gerekir.
• Kablosuz şarj sırasında EMI'yi bastırmak için rezonant reaktif koruma geliştirilmiştir. Burada, manyetik alan sızıntısı, rezonant reaktif kalkan bobinlerinden, her kalkan bobindeki indüklenen EMF'nin olay EMF'sini iptal edebileceği ve manyetik alan sızıntısının ek güç tüketmeden etkili bir şekilde bastırılabileceği şekilde geçer.
• WPT sisteminden elektromanyetik alan emisyonunu korumak için iletken koruma, manyetik koruma ve aktif koruma teknolojileri geliştirilmiştir.
• Elektrikli araçlar için aşırı gerilim, şaft akımı ve yayılan gürültüyü bastırmak için motor terminallerine takılan bir EMI gürültü denetleyicisi geliştirilmiştir.