Compatibilidade eletromagnética em veículos elétricos

Quando a corrente passa por um condutor, ela cria campos eletromagnéticos e quase todos os dispositivos eletrônicos, como TVs, máquinas de lavar, fogão de indução, semáforos, telefones celulares, caixas eletrônicos e laptops, etc., irão emitir os campos eletromagnéticos. Os veículos movidos a fóssil também sofrem de interferência eletromagnética (EMI) - o sistema de ignição, o motor de partida e os interruptores causam EMI de banda larga e dispositivos eletrônicos causam EMI de banda estreita. Mas, em comparação com os veículos ICE (motor de combustão interna), os veículos elétricos são uma combinação de vários subsistemas e componentes eletrônicos como bateria, BMS, conversor DC-DC, inversor, motor elétrico, cabos de alta potência distribuídos ao redor do veículo e carregadores, todos esses estão trabalhando em altos níveis de potência e frequência, o que causa a emissão de EMI de alto nível e baixa frequência.

Se observarmos a potência e as classificações de tensão dos veículos elétricos disponíveis, as classificações de energia estão entre algumas dezenas de KW a centenas de KW, enquanto as classificações de tensão estão em centenas de volts, de modo que os níveis de corrente estarão em centenas de Amperes, o que causa campos magnéticos mais fortes

Nissan LEAF tem tração traseira de 125 kW em 400 V _DC
BMW i3 tem tração traseira de 125 kW funciona em 500 V _DC
Tesla modelo S tem 235 kW de tração traseira funciona em 650 V _DC
Toyota Prius (3ª geração) tem tração dianteira de 74 kW funciona em 400 V _DC
Toyota Prius PHV tem tração dianteira nominal de 60 kW funciona em 350 V _DC
Chevrolet Volt PHV tem tração dianteira nominal de 55 kW (x2) e funciona em 400 V _DC

Vamos considerar um veículo elétrico com acionamento elétrico de 100KW operando a 400 V, o que significa que está tendo uma corrente de 250 A, o que cria um forte campo magnético. Ao projetar o veículo, temos que avaliar a EMC (Compatibilidade Eletromagnética) de todos esses subsistemas e componentes para garantir a segurança dos componentes junto com a segurança dos seres vivos.

Termos e definições relacionados a EMC e EMI

EMC (compatibilidade eletromagnética) de um dispositivo ou equipamento significa sua capacidade de não ser afetado pelo campo eletromagnético (EMF) e de não afetar a operação de outros sistemas com seu EMF quando estiver operando em ambiente eletromagnético. EMC representa emissão eletromagnética, suscetibilidade, imunidade e problemas de acoplamento.

Emissão eletromagnética significa geração e liberação de energia eletromagnética no meio ambiente. Qualquer emissão indesejada causa interferência ou distúrbio na operação de outro dispositivo eletrônico que esteja operando no mesmo ambiente, ou seja, conhecido como Interferência Eletromagnética (EMI).

A suscetibilidade eletromagnética de um dispositivo indica sua vulnerabilidade a emissões indesejadas e interferências que causam o mau funcionamento ou quebra do dispositivo. Se um dispositivo for mais suscetível, significa que ele é menos imune à interferência eletromagnética.

A imunidade eletromagnética de um dispositivo significa que sua capacidade de operar normalmente na presença de ambiente eletromagnético sem sofrer interferência ou falha devido às emissões eletromagnéticas de outro dispositivo eletrônico.

Acoplamento eletromagnético significa mecanismo do campo eletromagnético emitido por um dispositivo atingindo ou interferindo com outro dispositivo.

Fontes de interferência eletromagnética (EMI) em EV

Os conversores de energia são conhecidos por serem a principal fonte de interferência eletromagnética em sistemas de acionamento elétrico. Estes possuem dispositivos de comutação de alta velocidade, por exemplo, transistores bipolares de porta isolada convencionais (IGBT) que funcionam em frequências que variam de 2 a 20 kHz, IGBTs rápidos podem funcionar até 50 kHz e os MOSFETs de SiC podem até mesmo funcionar em frequências acima de 150 KHz.
Motores elétricos que operam em níveis elevados de potência causam emissões eletromagnéticas e atuam como caminho para o ruído EM através de sua impedância. E essa impedância muda em função da frequência. Como os motores elétricos usam inversores de energia com operação de comutação PWM de alta velocidade, surtos de tensão estão ocorrendo nos terminais do motor, o que causa o ruído EM irradiado. E a corrente do eixo pode causar danos aos rolamentos do motor e mau funcionamento do controlador do veículo.
Conforme as baterias de tração são distribuídas, as correntes nas baterias e nos interconectores tornam-se uma fonte significativa de emissão de EMF e são a parte principal do caminho para EMI.
Cabos blindados e não blindados transportando corrente de alto nível entre vários subsistemas, como bateria para conversor de energia, conversor de energia para motor, etc., no EV causam campos magnéticos mais fortes. Como o espaço disponível em EV para o chicote de fiação é limitado, cabos de alta e baixa tensão são colocados próximos um do outro causando interferência eletromagnética entre eles.
Os carregadores de bateria e os recursos de carregamento sem fio são as principais fontes de EMI externas, além da fonte de EMI interna de EV. Quando a tecnologia de energia sem fio foi aplicada para carregar o EV, um forte campo magnético na faixa de várias dezenas a centenas de quilohertz produziu para transferir vários KWs a dezenas de KWs de potência.

Impacto EMI em componentes eletrônicos de veículos elétricos

Hoje em dia com o avanço da tecnologia, os automóveis contêm cada vez mais componentes eletrônicos e sistemas para operação adequada e confiabilidade. Se observarmos a arquitetura do veículo elétrico, grande quantidade de sistemas elétricos e eletrônicos colocados em um espaço confinado. Isso causa interferência eletromagnética ou interferência entre esses sistemas. Se a EMC não for mantida adequadamente, esses sistemas podem funcionar incorretamente ou até mesmo deixar de operar.

EMC

A maioria dos padrões automotivos EMC são definidos pela Society of Automotive Engineers (SAE), a International Standards Organization (ISO), o International Electrotechnical Committee (IEC), o Institute of Electrical and Electronics Engineers Standards Association ( IEEE -SA), o Comunidade Européia (CE) e Comissão Econômica das Nações Unidas para a Europa (UNECE).

ISO 11451 especifica as condições gerais, diretrizes e princípios básicos para testar o veículo para determinar a imunidade do ICE e veículos elétricos em relação a EMF irradiados de banda estreita de perturbação elétrica.

A ISO 11452 especifica as condições gerais, diretrizes e princípios básicos para testar o componente para determinar a imunidade dos componentes eletrônicos do ICE e dos veículos elétricos em relação a EMF irradiados de banda estreita de distúrbios elétricos.

CISPR12 especifica os limites e métodos de medição para testar as emissões eletromagnéticas irradiadas de veículos elétricos, veículos ICE e barcos.

CISPR25 especifica os limites e métodos para medir as características de perturbação de rádio e o procedimento para testar o veículo para determinar os níveis de RI / RE para a proteção dos receptores usados a bordo dos veículos.

SAE J551 -1 especifica os níveis de desempenho e métodos de medição de EMC de veículos e dispositivos (60Hz-18GHz).

SAE J551 -2 especifica limites de teste e métodos de medição de características de perturbação de rádio (emissão) de veículos, barcos a motor e dispositivos acionados por motor com ignição por centelha.

SAE J551-4 especifica limites de teste e métodos de medição de características de perturbação de rádio de veículos e dispositivos, banda larga e banda estreita, 150 KHz a 1000 MHz.

SAE J551-5 especifica os níveis de desempenho e métodos de medição da intensidade do campo magnético e elétrico de veículos elétricos, de 9 kHz a 30 MHz.

SAE J551-11 especifica imunidade eletromagnética do veículo - fonte de veículo desligado.

SAE J551- 13 especifica veículo electromagnética imunidade em massa de injecção de corrente.

SAE J551- 15 especifica veículo electromagnética descarga imunidade-electrostática que irá ser feita em ambiente protegido.

SAE J551- 17 specifiesvehicle electromagnética linha imunidade potência campos magnéticos.

2004/144 CE - Anexo IV especifica o método de medição das emissões de banda larga irradiadas dos veículos.

2004/144 CE - Anexo V especifica o método de medição das emissões radiadas de banda estreita dos veículos.

2004/144 CE - Anexo VI especifica o método de teste de imunidade de veículos à radiação eletromagnética.

AIS-004 (Parte 3) fornece requisitos para compatibilidade eletromagnética em veículos automotivos.

AIS-004 (Parte 3) O Anexo 2 explica o método de medição das emissões eletromagnéticas de banda larga irradiadas de veículos.

AIS-004 (Parte 3) O Anexo 3 explica o método de medição das emissões eletromagnéticas de banda estreita irradiadas de veículos.

AIS-004 (Parte 3) O Anexo 4 explica o método de teste de imunidade de veículos à radiação eletromagnética.

AIS-004 (Parte 3) O Anexo 5 explica o método de medição das emissões eletromagnéticas de banda larga irradiadas de subconjuntos elétricos / eletrônicos.

AIS-004 (Parte 3) O Anexo 6 explica o método de medição das emissões eletromagnéticas de banda estreita irradiadas de subconjuntos elétricos / eletrônicos.

Limites de exposição de campos eletromagnéticos para humanos

Os veículos elétricos produzem radiações eletromagnéticas não ionizantes que não afetam a saúde humana por um curto período de exposição. Mas, para exposição prolongada, se o campo magnético irradiado for maior do que os limites padrão, isso afetará a saúde humana. Portanto, ao projetar um veículo elétrico, os perigos da exposição ao campo magnético devem ser levados em consideração.

A exposição eletromagnética aos passageiros afeta as diferentes configurações, níveis de potência e topologias do veículo elétrico, como tração dianteira ou traseira, colocação da bateria e distância entre o equipamento elétrico para os passageiros, etc.

Ao considerar os possíveis efeitos nocivos da exposição humana a campos eletromagnéticos, organizações internacionais, incluindo a Organização Mundial da Saúde (OMS) e a Comissão Internacional para Proteção contra Radiação Não-ionizante (ICNIRP), diretivas da UE, o IEEE especificou limites para a exposição máxima permitida a campos magnéticos público.

Frequência (Hz)	Campos magnéticos H (AM ^-1)	Densidade de fluxo 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

Abaixo está a tabela que mostra os níveis máximos permitidos de campo magnético para o público em geral de acordo com o padrão IEEE

Ocupacional significa pessoas que estão expostas a CEM enquanto realizam suas atividades normais de trabalho.

Público em geral significa o restante do público, exceto ocupacionalmente exposto a campos eletromagnéticos

Os valores de orientação não têm efeito adverso à saúde em condições normais de trabalho e para pessoas que não têm nenhum dispositivo médico implantado ativo ou estão grávidas. Isso corresponde à intensidade do campo.

O valor da ação causa alguns efeitos expostos a esses níveis. Estes correspondem ao campo máximo mensurável diretamente.

Basicamente, o valor da ação é maior do que o valor da orientação.
Os valores de exposição ocupacional do público são superiores aos do nível de exposição do público em geral.

Testes de Compatibilidade Eletromagnética

Os testes de EMC precisam ser feitos para verificar se o veículo elétrico segue os padrões exigidos ou não . Testes de laboratório e testes de estrada são realizados em veículos elétricos para avaliar EMC. Esses testes consistem em testes de emissões, suscetibilidade e imunidade.

Os testes de laboratório são feitos para caracterizar as emissões do campo magnético e a suscetibilidade de todos os equipamentos elétricos de bordo em uma câmara de teste EMC. Essas câmaras são do tipo anecóico e de reverberação.

Para testes de emissão conduzidos, os transdutores incluem a rede de estabilização de impedância de linha (LISN) ou rede de alimentação artificial (AMN) é usada. Para testes de emissão radiada, as antenas são usadas como transdutores. As emissões irradiadas são medidas em todas as direções ao redor do dispositivo em teste (DUT).

O teste de suscetibilidade usa uma fonte de alta potência de energia RF EM e uma antena radiante para direcionar a energia eletromagnética para o DUT. Ao fazer o teste em um veículo elétrico, exceto o dispositivo em teste (DUT), tudo será desligado e, em seguida, o campo magnético será medido.

Os testes externos são feitos em condições reais de condução em estradas. Nestes testes, o veículo em teste precisa dirigir com aceleração e desaceleração máximas para garantir a corrente máxima durante a tração e frenagem regenerativa. Esses testes serão realizados em estradas retas onde os campos magnéticos devidos à terra são constantes e, em alguns casos, em estradas com declives acentuados. Durante os testes de estrada, temos que identificar as perturbações magnéticas externas de fontes externas como linhas ferroviárias, tampas de bueiros e outros carros, equipamentos de distribuição de energia, linhas de transmissão de alta tensão e transformadores de energia.

Diretrizes de projeto para melhor EMC e para diminuir a EMI

Cabos CC com altas correntes devem ser feitos em forma trançada de modo que a corrente neste cabo flua na direção oposta resulte na minimização da emissão de EMF.
Os cabos CA trifásicos devem ser torcidos e devem ser colocados o mais próximo possível para minimizar a emissão de EMF deles.
E todos esses cabos de alimentação precisam ser colocados o mais longe possível da região do assento do passageiro. E essas conexões não devem formar um loop.
Se a distância entre os bancos do passageiro e o cabo for inferior a 200 mm, deve-se adotar a blindagem.
Os motores precisam ser colocados mais longe da área do assento do passageiro e o eixo de rotação do motor não deve apontar para a área do assento do passageiro.
Como o aço tem um melhor efeito de proteção, se o peso permitir, em vez do alumínio, é necessário usar uma caixa de metal de aço para o motor.
Se a distância entre o motor e a área do assento do passageiro for inferior a 500 mm, uma blindagem como uma placa de aço deve ser empregada entre o motor e a área do assento do passageiro.
A carcaça do motor deve ser aterrada ao chassi adequadamente para minimizar qualquer potencial elétrico.
Para minimizar o comprimento do cabo entre o inversor e o motor, eles são montados o mais próximo possível um do outro.
Para suprimir a tensão de surto, a corrente do eixo e o ruído irradiado, um controlador de ruído EMI deve ser conectado aos terminais do motor.
Um filtro EMI ativo digital precisa ser integrado ao controlador digital de um conversor DC-DC para carregar a bateria de baixa tensão e fornecer atenuação EMI significativa.
Para suprimir a EMI durante o carregamento sem fio, a blindagem reativa ressonante foi desenvolvida. Aqui, o campo magnético de vazamento passa através das bobinas de blindagem reativa ressonante de tal forma que o EMF induzido em cada bobina de blindagem pode cancelar o EMF incidente e o vazamento de campo magnético pode ser efetivamente suprimido sem consumir energia adicional.
As tecnologias de blindagem condutiva, blindagem magnética e blindagem ativa foram desenvolvidas para proteger a emissão do campo eletromagnético do sistema WPT.
Um controlador de ruído EMI foi desenvolvido para veículos elétricos, que é conectado aos terminais do motor para suprimir a tensão de surto, a corrente do eixo e o ruído irradiado.