Co je elektromagnetická kompatibilita?

Patnáct let v tomto oboru a EMC mě stále kousne do zadku minimálně dvakrát ročně.

Loni na jaře mě zavolali na projekt pro firmu vyrábějící dodávky. Jejich BMS neustále házel poruchy přepětí článků. Ne skutečné přepětí - články byly v pořádku. Monitorovací IC četl odpadky. Hnali to tři měsíce. Dvakrát vyměněn čipy AFE. Znovu zapojit smyslový postroj. Nic nefungovalo.

Trvalo mi dva dny, než jsem to našel. Jejich ovladač motoru seděl osmnáct palců od baterie. Žádné stínění mezi nimi. Ovladač přepínal při 8 kHz a každá hrana byla připojena přímo k liniím snímání napětí článku. Dráty fungovaly jako antény. Dvacet milivoltů indukovaného šumu při měření, které vyžaduje přesnost na milivolty. BMS viděl napěťové špičky, které neexistovaly, a vše vypnul.

To je EMC. Elektromagnetická kompatibilita. Vaše věci musí obcházet jiné věci, aniž by jedna pokazila druhou.

EMC se rozpadne na dva kusy a vy se musíte vypořádat s oběma.

Emise znamenají hluk, který vaše zařízení vydává. Každý spínací obvod vyzařuje. Každý drát s měnícím se proudem vytváří magnetické pole. DC-DC měnič běžící na frekvenci 200 kHz rozprašuje vysokofrekvenční energii všude. Pokud je tato energie dostatečně silná, ruší rádio v kabině nebo kazí zprávy sběrnice CAN nebo přiměje regulátor ABS myslet si, že se kola zablokují.

Náchylnost je druhá strana. Kolik sraček může vaše zařízení snést, než přestane správně fungovat. BMS musí přesně číst napětí článků, zatímco sedí vedle invertoru, který buší stejnosměrnou sběrnici 400 ampérovými pulzy při 10 kHz. Snímací obvody to vše musí ignorovat a přesto měřit skutečné napětí článku.

Většina inženýrů, které potkávám, přemýšlí o emisích, protože na to se zaměřují regulační testy. Zapomínají na náchylnost, dokud produkt v terénu selže. Pak všichni zpanikaří.

Staré olověné-baterie tam jen ležely. Přišrouboval jsi je a připojil dva kabely. Možná jsi měl bočník pro měření proudu. To bylo ono.

Lithiové baterie mají elektroniku všude. BMS monitoruje každou buňku. Mluví s teplotními senzory rozmístěnými po balení. Komunikuje s vozidlem přes CAN nebo jinou sběrnici. Ovládá stykače. Vypočítává stav nabití a zdravotní stav pomocí algoritmů, které závisí na přesných měřeních.

Přesné je klíčové slovo. Měření napětí článku, které se odchyluje o 50 milivoltů, vyhodí váš výpočet SOC. Udělejte to přes sto buněk a váš odhad dosahu je k ničemu. Uveďte jej o 100 milivoltů a můžete přebít článek nebo přehlédnout podpětí.

Slabým místem jsou snímací dráty. Směřují z každého kohoutku buňky k desce BMS. Ve velkém balení to znamená, že dráty vedou dva metry nebo více prostředím plným elektromagnetického šumu. Každý drát zachycuje rušení. Čím delší drát, tím horší problém.

Pracoval jsem na autobusové baterii, kde kabelový svazek vedl přímo vedle hlavních DC sběrnic. Tyče nesly při zrychlení 300 ampérů. Magnetické pole z této proudem indukované úrovně milivoltů-signály ve snímacích vodičích. BMS si myslel, že buňky poskakují nahoru a dolů. Přešel do ochranného režimu a zabil autobus na dálnici.

Electromagnetic Compatibility

Režimy selhání jsou ošklivé.

Běžné jsou falešné přepětí. Šum se přidává ke skutečnému napětí článku a BMS si myslí, že článek je na 4,3 V, i když ve skutečnosti je na 4,1 V. Spustí se ochrana a systém se vypne. Operátor vidí chybový kód, který nedává smysl, protože články jsou v pořádku.

Horší je falešné podpětí. BMS si myslí, že buňka je nižší, než ve skutečnosti je. Stále se vybíjí za bezpečným limitem. Dochází ke skutečnému poškození.

Chyby v komunikaci kazí věci jinak. Baterie může mít šest nebo osm monitorovacích desek-zapojených na sběrnici isoSPI. Ten autobus jede pár megahertzů. EMI poškodí paket a najednou má hlavní řadič špatná data pro šestnáct buněk. Vypíná se? Používá poslední dobré čtení? Interpoluje se? Každá možnost má problémy.

Měření teploty se také poškodí. NTC termistory produkují nepatrné signály. Několik milivoltů hluku vypadá jako teplotní výkyv o dvacet stupňů. BMS může zapnout chlazení, které není potřeba, nebo může vynechat spouštěný tepelný únik.

Regulační normy existují, ale jde o změť překrývajících se požadavků.

FCC část 15 pokrývá emise v Severní Americe. Stanovuje limity, kolik RF energie může váš produkt rozprášit do vzduchu. Limity závisí na tom, zda prodáváte spotřebitelům nebo průmyslovým uživatelům. Industrial více polevuje.

U vozidel se také zabýváte CISPR 25 a CISPR 12. Jedná se o mezinárodní standardy, které většina zemí přijímá s drobnými úpravami. Specifikují zkušební metody a limity pro vedené a vyzařované emise z vozidel a součástí vozidel.

Evropská značka CE vyžaduje shodu se směrnicí EMC. To obvykle znamená splnění EN 55032 pro emise a EN 55035 pro imunitu. Pro automobilový průmysl odkazujete místo toho na EN 50498.

Pak má každý OEM automobil navrstvené své vlastní specifikace. Ford má své. GM má další. VW má celou knihu. Ty jsou obvykle přísnější než regulační minima a zahrnují testy odolnosti, kterých se předpisy sotva dotýkají.

Absolvování všech těchto testů stojí peníze a čas. Plná kvalifikace EMC pro automobilový BMS stojí 30 000 až 50 000 USD a zabere tři až čtyři týdny komorního času. Pokud neuspějete, vraťte se a opravte věci a znovu otestujte. Viděl jsem programy spálit šest měsíců a 200 000 $ na testování EMC, než prošly.

Electromagnetic Compatibility

Stínění je tupý nástroj. Umístěte kovovou krabici kolem citlivých věcí a většina rušení se dovnitř nedostane. Krabice však musí být souvislá. Netěsnost švů. Otvory pro únik konektorů. Větrací štěrbiny jsou v podstatě okna pro RF energii.

Skutečné stínění znamená vodivé těsnění na každém švu. To znamená filtrované konektory nebo průchozí kondenzátory na každém vstupním bodě vodiče. To znamená, že žádné sloty delší než jedna desetina vlnové délky na vaší nejvyšší frekvenci. Ten poslední podráží lidi. Pokud vám záleží na rušení 1 GHz, vaše sloty musí být menší než 30 milimetrů. Hodně štěstí, když se tím dostane chladicí vzduch.

Filtrování zpracovává vedené rušení. Induktory a kondenzátory umístíte na správná místa, aby blokovaly vysokofrekvenční šum při přenosu signálů nebo výkonu, který skutečně chcete. Filtr diferenciálního režimu zpracovává šum, který se šíří jedním vodičem dolů a druhým zpět. Tlumivka společného režimu zpracovává hluk, který se šíří stejným směrem na obou vodičích.

Konstrukce filtru je složitá. Rozhodující je impedance zdroje a zátěže. Filtr, který skvěle testuje na stole, nemusí ve skutečném systému dělat nic, protože impedance jsou různé. Viděl jsem inženýry, jak mi hrdě ukazovali svá schémata filtrů a pak se divili, proč se měření hluku nezměnilo. Navrhli pro 50 ohmový systém a zapojili ho do něčeho, co vypadalo jako 5 ohmů na frekvencích, na kterých jim záleželo.

Strategie uzemnění je místo, kde žije skutečné voodoo. Baterie má vysokonapěťové a nízkonapěťové sekce. VN strana obsahuje články a hlavní stykače a obvod přednabíjení. NN strana má rozhraní BMS a CAN a někdy i izolované DC-DC měniče. Tyto dva zemní systémy by se měly spojovat přesně v jednom bodě. Více spojení vytváří smyčky. Smyčky zachycují rušení.

Najít ten správný bod je umění. Záleží na tom, kudy teče proud a kde dochází k citlivým měřením a kde žijí zdroje hluku. Každé rozložení je jiné. Přál bych si, abych vám mohl dát vzorec, ale žádný neexistuje.

Uspořádání desky plošných spojů uvnitř BMS vytváří nebo narušuje výkon EMC.

Udržujte vysokorychlostní digitální věci mimo analogové měřicí obvody. Procesor a CAN transceiver a jakékoli spínací regulátory stříkají hluk. Napěťové vstupy článků a obvody pro měření teploty jsou citlivé. Pomáhá fyzická vzdálenost. Přerušení zemní plochy mezi sekcemi pomáhá více.

Nasměrujte páry diferenciálů dohromady a udržujte je krátké. Snímací čáry z odboček buněk by měly vstupovat na desku co nejblíže AFE čipu. Delší stopy zachycují více rušení.

Sledujte své zpáteční cesty. Proud musí téct ve smyčce. Signál zhasne na jedné stopě a vrátí se na další. Pokud zpětná cesta není zřejmá, proud si najde svou vlastní cestu a může to být velká smyčka, která vyzařuje jako anténa.

Nalijte měď. Velké zemnící plochy snižují impedanci a poskytují zpětným proudům cestu s nízkou indukčností. Prošívání spojuje letadla dohromady a snižuje rezonance.

Před několika lety jsem konzultoval startup vyrábějící baterie pro vysokozdvižné vozíky. Jejich BMS fungovalo na lavičce skvěle. Ve vysokozdvižném vozíku se to zbláznilo. Údaje o napětí poskakovaly. Výpočet SOC putoval všude.

Vysokozdvižný vozík měl velký stejnosměrný motor s pohonem chopperu. Pokaždé, když vrtulník přepnul, proud v hlavních kabelech se během několika mikrosekund změnil o několik stovek ampérů. Magnetické pole z toho dI/dt se spojilo do všeho.

Jejich opravným pokusem bylo přidat feritové kuličky na snímací linky. Neudělal nic. Rušení se magneticky spojovalo do smyček tvořených snímacími dráty. Ferity blokují řízený šum, nikoli vazbu magnetického pole.

Skončili jsme tak, že jsme protáhli snímací postroj pružným potrubím a vedli ho pryč od hlavních kabelů. Potom jsme přidali kroucenou dvojlinku z každého kohoutku buňky místo jednotlivých vodičů. Zkroucení zmenšuje oblast smyčky, do které se může magnetické pole napojit. Nakonec jsme zpomalili vzorkování na čipu AFE, aby se integroval ve více cyklech rušení. Hluk se zprůměroval.

Celková oprava stojí asi tři dolary za balení navíc drátu a vedení. Nestálo by to nic, kdyby na to mysleli při původním návrhu.

Electromagnetic Compatibility

Pokud kupujete baterie nebo desky BMS, zeptejte se před nákupem na EMC.

Podle jakých norem testovali? Požádejte o skutečné zkušební protokoly, nejen o certifikát. Zprávy zobrazují nastavení testu a limit na limit. Produkt, který sotva prošel, je jedna změna designu od selhání.

Pro jaké elektromagnetické prostředí navrhli? BMS určený pro golfový vozík nemusí přežít v tranzitním autobusu se třemi trakčními měniči.

Testovali kompletní balení nebo jen desku? Pouzdro, kabeláž a konektory mění chování EMC. Testování holé desky vám o hotovém produktu neřekne téměř nic.

Jaký druh filtrování a stínění je vestavěn? Pokud je odpověď „spoléháme se na systémového integrátora, že to zvládne“, máte problém. Nyní jste zodpovědní za dodržování EMC a možná nemáte schopnosti nebo rozpočet, abyste to udělali správně.

Bezdrátové BMS se blíží. Namísto vedení snímacích drátů ke každé buňce umístíte do každé skupiny buněk malý bezdrátový modul a ten přenese data zpět do hlavního ovladače. Méně kabeláže. Snadnější servis.

Nyní však vaše naměřená data létají vzduchem v rádiovém signálu. Tento signál musí konkurovat veškerému elektromagnetickému šumu z výkonové elektroniky. Bezdrátová pásma jsou již přeplněná. Viděl jsem prototypy, kde bezdrátový BMS ztratil komunikaci během prudké akcelerace, protože hluk měniče rušil přijímač.

Vyšší napětí vše ztěžuje. Průmysl se posouvá na 800 V a více kvůli rychlejšímu nabíjení a menším kabelům. Vyšší napětí znamená více spínací energie a více EMI. Stejné techniky stále fungují, ale musíte je provádět lépe.

Integrace se neustále zvyšuje. BMS a palubní nabíječka a DC-DC konvertor jsou nacpané v jedné krabici. Nižší hmotnost a náklady, ale více příležitostí k interferenci mezi funkcemi. Analogové snímání článků musí přežít ve stejném krytu jako 10 kW spínací nabíječka.

EMC nezmizí. Každým rokem se to zhoršuje, protože elektronika je rychlejší a hustší a žádáme ji, aby pracovala v drsnějším prostředí. Akumulátor je srdcem elektrického vozidla a jeho přesnost a spolehlivost navzdory elektromagnetické bouři kolem něj spočívá v práci EMC.