Elektromagnetische Verträglichkeit in Elektrofahrzeugen

Wenn Strom durch einen Leiter fließt, entstehen elektromagnetische Felder, und fast alle elektronischen Geräte wie Fernseher, Waschmaschinen, Induktionsherde, Ampeln, Mobiltelefone, Geldautomaten und Laptops usw. senden elektromagnetische Felder aus. Fahrzeuge mit fossilen Brennstoffen leiden auch unter elektromagnetischen Störungen (EMI) - Das Zündsystem, der Anlasser und die Schalter verursachen Breitband-EMI und elektronische Geräte verursachen Schmalband-EMI. Im Vergleich zu ICE-Fahrzeugen (Internal Combustion Engine) sind Elektrofahrzeuge eine Kombination aus verschiedenen Subsystemen und elektronischen Komponenten wie Batterie, BMS, DC-DC-Wandler, Wechselrichter, Elektromotor, im Fahrzeug verteilten Hochleistungskabeln und Ladegeräten arbeiten mit hohen Leistungs- und Frequenzpegeln, die die Emission von hochfrequenten niederfrequenten EMI verursachen.

Wenn wir die Kraft und die Spannungswerte der zur Verfügung stehenden Elektrofahrzeuge beobachten, Nennleistungen zwischen einigen zehn Kilowatt bis Hunderte von KW während andere Spannungen in hundert Volt sind, so dass Strompegel in mehreren hundert Ampere sein wird, die stärkere Magnetfelder verursacht

• Nissan LEAF hat einen 125 kW Hinterradantrieb, der mit 400 V _{DC arbeitet}
• BMW i3 mit 125 kW Hinterradantrieb arbeitet mit 500 V _DC
• Tesla Modell S hat 235 kW Hinterradantrieb arbeitet mit 650 V _DC
• Toyota Prius (3. Generation) hat 74 kW Frontantrieb mit 400 V _DC
• Toyota Prius PHV hat einen Frontantrieb mit einer Nennleistung von 60 kW und arbeitet mit 350 V _DC
• Chevrolet Volt PHV hat einen Frontantrieb mit einer Nennleistung von 55 kW (x2) und arbeitet mit 400 V _DC

Nehmen wir an , ein Elektrofahrzeug mit einem elektrischen Antrieb von 100 kW und 400 V bedeutet, dass es einen Strom von 250 A hat, der ein starkes Magnetfeld erzeugt. Bei der Konstruktion des Fahrzeugs müssen wir die EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit) all dieser Subsysteme und Komponenten bewerten, um die Sicherheit der Komponenten sowie die Sicherheit der Lebewesen zu gewährleisten.

Begriffe und Definitionen in Bezug auf EMV und EMI

EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) eines Geräts oder einer Ausrüstung bedeutet, dass es nicht durch elektromagnetische Felder (EMF) beeinflusst werden kann und den Betrieb anderer Systeme mit seiner EMF nicht beeinträchtigt, wenn es in einer elektromagnetischen Umgebung betrieben wird. EMV steht für elektromagnetische Emission, Suszeptibilität, Immunität und Kopplungsprobleme.

Elektromagnetische Emission bedeutet die Erzeugung und Freisetzung elektromagnetischer Energie in die Umwelt. Jede unerwünschte Emission führt zu Störungen oder Störungen des Betriebs anderer elektronischer Geräte, die in derselben Umgebung betrieben werden, dh als elektromagnetische Interferenz (EMI) bezeichnet.

Die elektromagnetische Anfälligkeit eines Geräts weist auf eine Anfälligkeit für unerwünschte Emissionen und Störungen hin, die zu Fehlfunktionen oder zum Ausfall des Geräts führen. Wenn ein Gerät anfälliger ist, ist es weniger immun gegen elektromagnetische Störungen.

Elektromagnetische Störfestigkeit eines Geräts bedeutet, dass es in Gegenwart einer elektromagnetischen Umgebung normal arbeiten kann, ohne dass Störungen oder Ausfälle aufgrund der elektromagnetischen Emissionen eines anderen elektronischen Geräts auftreten.

Elektromagnetische Kopplung bedeutet den Mechanismus des emittierten elektromagnetischen Feldes eines Geräts, das ein anderes Gerät erreicht oder stört.

Quellen elektromagnetischer Interferenzen (EMI) in EV

• Stromrichter sind bekanntermaßen die Hauptquelle für elektromagnetische Störungen in elektrischen Antriebssystemen. Diese haben eine Hochgeschwindigkeitsschaltvorrichtung, z. B. arbeiten herkömmliche Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBT) bei Frequenzen im Bereich von 2 bis 20 kHz, schnelle IGBTs können bis zu 50 kHz arbeiten und SiC-MOSFETs können sogar Frequenzen über 150 kHz arbeiten.
• Elektromotoren, die mit hohen Leistungen betrieben werden, verursachen elektromagnetische Emissionen und wirken durch ihre Impedanz als Pfad für EM-Störungen. Und diese Impedanz ändert sich in Abhängigkeit von der Frequenz. Da Elektromotorantriebe Wechselrichter mit Hochgeschwindigkeits-PWM-Schaltbetrieb verwenden, treten an den Motorklemmen Stoßspannungen auf, die das abgestrahlte EM-Rauschen verursachen. Der Wellenstrom kann zu Schäden an den Motorlagern und zu Fehlfunktionen der Fahrzeugsteuerung führen.
• Wenn Traktionsbatterien verteilt werden, werden die Ströme in den Batterien und in den Verbindungsschaltern zu einer bedeutenden Quelle für EMF-Emissionen, und diese sind der Hauptteil des Weges für EMI.
• Abgeschirmte und ungeschirmte Kabel, die einen hohen Strom zwischen verschiedenen Subsystemen wie Batterie-Leistungs-Wandler, Stromrichter zu Motor usw. führen, verursachen im Elektrofahrzeug stärkere Magnetfelder. Da der verfügbare Platz in EV für den Kabelbaum begrenzt ist, verursachen Hochspannungs- und Niederspannungskabel, die nahe beieinander liegen, elektromagnetische Störungen zwischen ihnen.
• Die Batterieladegeräte und die kabellosen Ladeeinrichtungen sind neben der internen EMI-Quelle die wichtigsten externen EMI-Quellen. Wenn die drahtlose Energietechnologie zum Laden des Elektrofahrzeugs angewendet wird, erzeugt ein starkes Magnetfeld im Bereich von mehreren zehn bis hundert Kilohertz die Übertragung mehrerer KWs auf zehn KWs Leistung.

EMI-Auswirkungen auf elektronische Komponenten von Elektrofahrzeugen

Mit dem technologischen Fortschritt enthalten Automobile heutzutage mehr elektronische Komponenten und Systeme für einen ordnungsgemäßen Betrieb und Zuverlässigkeit. Wenn wir die Architektur von Elektrofahrzeugen sehen, wird eine große Menge elektrischer und elektronischer Systeme auf engstem Raum platziert. Dies verursacht elektromagnetische Störungen oder Übersprechen zwischen diesen Systemen. Wenn die EMV nicht ordnungsgemäß gewartet wird, können diese Systeme fehlerhaft funktionieren oder sogar nicht funktionieren.

EMV

Die meisten der Kfz - EMV - Normen werden von der Society of Automotive Engineers (SAE), der Internationalen Organisation für Normung (ISO), der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC), das Institute of Electrical and Electronics Engineers setzen Standards Association ( IEEE -SA), die Europäische Gemeinschaft (EG) und Wirtschaftskommission der Vereinten Nationen für Europa (UNECE).

ISO 11451 legt die allgemeinen Bedingungen, Richtlinien und Grundprinzipien für die Prüfung des Fahrzeugs fest, um die Störfestigkeit von ICE und Elektrofahrzeugen gegen schmalbandige EMF mit elektrischer Störung zu bestimmen.

ISO 11452 legt die allgemeinen Bedingungen, Richtlinien und Grundprinzipien für die Prüfung der Komponente fest, um die Störfestigkeit elektronischer Komponenten von ICE und Elektrofahrzeugen gegenüber schmalbandiger EMF mit elektrischer Störung zu bestimmen.

CISPR12 legt die Grenzwerte und Messmethoden fest, um die elektromagnetischen Strahlungsemissionen von Elektrofahrzeugen, ICE-Fahrzeugen und Booten zu testen.

CISPR25 legt die Grenzwerte und Methoden zur Messung der Funkstörungseigenschaften sowie das Verfahren zum Testen des Fahrzeugs fest, um die RI / RE-Werte zum Schutz der an Bord von Fahrzeugen verwendeten Empfänger zu bestimmen.

SAE J551 -1 spezifiziert Leistungsniveaus und Methoden zur Messung der EMV von Fahrzeugen und Geräten (60Hz-18GHz).

SAE J551 -2 legt Prüfgrenzen und Methoden zur Messung der Funkstörungseigenschaften von Fahrzeugen, Motorbooten und funkengezündeten motorgetriebenen Geräten fest.

SAE J551-4 spezifiziert Testgrenzen und Methoden zur Messung der Funkstörungseigenschaften von Fahrzeugen und Geräten, Breitband und Schmalband, 150 kHz bis 1000 MHz.

SAE J551-5 spezifiziert Leistungsniveaus und Methoden zur Messung der magnetischen und elektrischen Feldstärke von Elektrofahrzeugen von 9 kHz bis 30 MHz.

SAE J551-11 spezifiziert die Fahrzeugquelle für elektromagnetische Störfestigkeit des Fahrzeugs.

SAE J551- 13 Spezifiziert Fahrzeug elektromagnetische Störfestigkeit-Stromeinspeisung.

SAE J551- 15 Spezifiziert Fahrzeug elektromagnetische Störfestigkeit elektrostatische Entladung, die in abgeschirmten Raum durchgeführt werden wird.

SAE J551- 17 specifiesvehicle elektromagnetische Störfestigkeit-Stromleitung Magnetfelder.

2004/144 EG - Anhang IV legt die Methode zur Messung der ausgestrahlten Breitbandemissionen von Fahrzeugen fest.

2004/144 EG - Anhang V legt die Methode zur Messung der schmalbandigen Strahlungsemissionen von Fahrzeugen fest.

2004/144 EG - Anhang VI legt die Prüfmethode für die Immunität von Fahrzeugen gegen elektromagnetische Strahlung fest.

AIS-004 (Teil 3) enthält Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit in Kraftfahrzeugen.

AIS-004 (Teil 3) Anhang 2 erläutert die Methode zur Messung der elektromagnetischen Breitbandemissionen von Fahrzeugen.

AIS-004 (Teil 3) Anhang 3 erläutert die Methode zur Messung der elektromagnetischen Strahlungsemissionen von Fahrzeugen.

AIS-004 (Teil 3) Anhang 4 erläutert die Methode zur Prüfung der Immunität von Fahrzeugen gegen elektromagnetische Strahlung.

AIS-004 (Teil 3) Anhang 5 erläutert die Methode zur Messung der elektromagnetischen Breitbandemissionen von elektrischen / elektronischen Baugruppen.

AIS-004 (Teil 3) Anhang 6 erläutert die Methode zur Messung der abgestrahlten schmalbandigen elektromagnetischen Emissionen von elektrischen / elektronischen Baugruppen.

Grenzen der Exposition elektromagnetischer Felder gegenüber Menschen

Elektrofahrzeuge erzeugen nichtionisierende elektromagnetische Strahlungen, die sich bei kurzzeitiger Exposition nicht auf die menschliche Gesundheit auswirken. Bei längerer Exposition wirkt sich das abgestrahlte Magnetfeld jedoch auf die menschliche Gesundheit aus, wenn es über den Standardgrenzwerten liegt. Bei der Konstruktion von Elektrofahrzeugen müssen daher die Gefahren durch Magnetfeldexposition berücksichtigt werden.

Die elektromagnetische Exposition von Fahrgästen wird durch unterschiedliche Konfigurationen, Leistungsstufen und Topologien von Elektrofahrzeugen wie Front- oder Hinterradantrieb, Batterieplatzierung und Abstand zwischen den Kraftgeräten zu den Fahrgästen usw. beeinflusst.

Unter Berücksichtigung möglicher schädlicher Auswirkungen der Exposition des Menschen gegenüber elektromagnetischen Feldern haben internationale Organisationen, darunter die Weltgesundheitsorganisation (WHO) und die Internationale Kommission für nichtionisierenden Strahlenschutz (ICNIRP), EU-Richtlinien, Grenzwerte für die maximal zulässige Exposition von Magnetfeldern gegenüber festgelegt Öffentlichkeit.

Frequenz (Hz)	Magnetfelder H (AM -1)	Magnetische Flussdichte B (T)
<0,153 Hz	9,39 x 10 4	118 x 10 & supmin; ³
0,153 - 20 Hz	1,44 x 10 4 / f	18,1 x 10 & supmin; ³ / f
20-759 Hz	719	0,904 x 10 -3
759 Hz - 3 kHz	5,47 x 105 / f	687 x 10 & supmin; ³ / f

In der folgenden Tabelle sind die maximal zulässigen Magnetfeldpegel für die breite Öffentlichkeit gemäß IEEE-Standard aufgeführt

Beruflich bedeutet Menschen, die während ihrer regulären beruflichen Tätigkeit EMF ausgesetzt sind.

Unter allgemeiner Öffentlichkeit ist der Rest der Öffentlichkeit zu verstehen, der nicht beruflich elektromagnetischen Feldern ausgesetzt ist

Orientierungswerte haben unter normalen Arbeitsbedingungen und für Personen, die kein aktives implantiertes Medizinprodukt haben oder schwanger sind, keine nachteiligen Auswirkungen auf die Gesundheit. Diese entsprechen der Feldstärke.

Der Aktionswert verursacht einige Effekte, die diesen Ebenen ausgesetzt sind. Diese entsprechen dem maximal direkt messbaren Feld.

• Grundsätzlich ist der Aktionswert höher als der Orientierungswert.
• Die Werte für die berufliche Exposition am Arbeitsplatz sind höher als für die allgemeine Exposition.

Elektromagnetische Verträglichkeitstests

EMV-Tests müssen durchgeführt werden, um zu überprüfen, ob das Elektrofahrzeug den erforderlichen Standards entspricht oder nicht . Labortests und Straßentests werden an Elektrofahrzeugen durchgeführt, um die EMV zu bewerten. Diese Tests bestehen aus Emissions-, Suszeptibilitäts- und Immunitätstests.

Labortests werden durchgeführt, um die Magnetfeldemissionen und die Anfälligkeit aller an Bord befindlichen elektrischen Geräte in einer EMV-Testkammer zu charakterisieren. Diese Kammern sind schall- und nachhallend.

Für durchgeführte Emissionstests umfassen Wandler das Netzimpedanzstabilisierungsnetzwerk (LISN) oder das künstliche Netz (AMN). Für Strahlungsemissionstests werden Antennen als Wandler verwendet. Die Strahlungsemissionen werden in alle Richtungen um das Prüfling (Prüfling) gemessen.

Die Empfindlichkeitsprüfung verwendet eine leistungsstarke HF-EM-Energiequelle und eine Strahlungsantenne, um die elektromagnetische Energie zum Prüfling zu leiten. Während der Prüfung an einem Elektrofahrzeug mit Ausnahme des Prüflings (DUT) wird alles ausgeschaltet und anschließend das Magnetfeld gemessen.

Externe Tests werden in der Praxis unter Straßenfahrbedingungen durchgeführt. Bei diesen Tests muss das zu testende Fahrzeug mit maximaler Beschleunigung und Verzögerung fahren, um einen maximalen Strom während der Traktion und des regenerativen Bremsens sicherzustellen. Diese Tests werden auf geraden Straßen durchgeführt, auf denen die Erdmagnetfelder konstant sind, und in einigen Fällen auf Straßen mit steilen Hängen. Bei Straßentests müssen wir die externen magnetischen Störungen von externen Quellen wie Eisenbahnlinien, Schachtabdeckungen und anderen Autos, Stromverteilungsanlagen, Hochspannungsübertragungsleitungen und Leistungstransformatoren identifizieren.

Konstruktionsrichtlinien für eine bessere EMV und zur Senkung der EMI

• Gleichstromkabel, die hohe Ströme führen, sollten in verdrillter Form hergestellt werden, damit der Strom in diesem Kabel in entgegengesetzter Richtung fließt und die EMF-Emission minimiert wird.
• Dreiphasige Wechselstromkabel sollten verdrillt sein und so nahe wie möglich verlegt werden, um die EMF-Emission von ihnen zu minimieren.
• Und all diese Stromkabel müssen so weit wie möglich vom Beifahrersitzbereich entfernt sein. Und diese Verbindungen sollten keine Schleife bilden.
• Wenn der Abstand zwischen Beifahrersitzen und Kabel weniger als 200 mm beträgt, muss eine Abschirmung vorgenommen werden.
• Die Motoren müssen weiter vom Beifahrersitz entfernt sein und die Drehachse des Motors darf nicht zum Beifahrersitz zeigen.
• Da Stahl eine bessere Abschirmwirkung hat, muss für den Motor ein Stahlmetallgehäuse verwendet werden, wenn das Gewicht dies anstelle von Aluminium zulässt.
• Wenn der Abstand zwischen Motor- und Beifahrersitzbereich weniger als 500 mm beträgt, muss zwischen Motor- und Beifahrersitzbereich eine Abschirmung wie eine Stahlplatte angebracht werden.
• Das Motorgehäuse sollte ordnungsgemäß am Chassis geerdet sein, um das elektrische Potenzial zu minimieren.
• Um die Kabellänge zwischen Umrichter und Motor zu minimieren, wurden sie so nah wie möglich beieinander montiert.
• Um die Stoßspannung, den Wellenstrom und das abgestrahlte Geräusch zu unterdrücken, sollte ein EMI-Geräuschregler an den Motorklemmen angebracht werden.
• Ein digital aktives EMI-Filter muss in die digitale Steuerung eines DC-DC-Wandlers integriert werden, um die Niederspannungsbatterie aufzuladen und eine signifikante EMI-Dämpfung bereitzustellen.
• Um die EMI während des drahtlosen Ladens zu unterdrücken, wurde eine resonante reaktive Abschirmung entwickelt. Hier passiert das Leckmagnetfeld die resonanten reaktiven Abschirmspulen derart, dass die induzierte EMF in jeder Abschirmspule die einfallende EMF aufheben kann und die Magnetfeldleckage wirksam unterdrückt werden kann, ohne zusätzliche Leistung zu verbrauchen.
• Leitfähige Abschirmung, magnetische Abschirmung und aktive Abschirmungstechnologien wurden entwickelt, um die Emission elektromagnetischer Felder aus dem WPT-System abzuschirmen.
• Für Elektrofahrzeuge wurde ein EMI-Geräuschregler entwickelt, der an den Motorklemmen angebracht ist, um die Stoßspannung, den Wellenstrom und das abgestrahlte Geräusch zu unterdrücken.