Mis on elektromagnetiline ühilduvus?

Viisteist aastat selles äris ja EMC hammustab mind siiani vähemalt kaks korda aastas.

Eelmisel kevadel kutsuti mind kaubaautosid tootva ettevõtte projekti. Nende BMS tekitas pidevalt elementide ülepinge rikkeid. Pole päris ülepinge - elemendid olid korras. Seire IC luges prügi. Nad olid seda jahtinud kolm kuud. AFE kiibid vahetatud kaks korda. Ümberjuhtmestatud meeleramed. Miski ei töötanud.

Mul kulus selle leidmiseks kaks päeva. Nende mootorikontroller asus akust kaheksateist tolli kaugusel. Nende vahel puudub varjestus. Kontroller lülitus 8 kHz juures ja iga serv ühendati otse raku pinge mõõtmisliinidega. Juhtmed toimisid nagu antennid. Kakskümmend millivolti indutseeritud müra mõõtmisel, mis vajab millivolti täpsust. BMS nägi pinge hüppeid, mida ei eksisteerinud ja lülitas kõik välja.

See on EMC. Elektromagnetiline ühilduvus. Teie asjad peavad teiste asjadega ümber töötama, ilma et kumbki teist segi keeraks.

EMC laguneb kaheks tükiks ja mõlemaga tuleb tegeleda.

Emissioon tähendab müra, mida teie seade tekitab. Iga lülitusahel kiirgab. Iga muutuva vooluga juhe loob magnetvälja. Sagedusel 200 kHz töötav DC-DC-muundur pihustab raadiosageduslikku energiat kõikjale. Kui see energia on piisavalt tugev, blokeerib see raadio kabiinis või rikub CAN-siini teateid või paneb ABS-kontrolleri arvama, et rattad lukustuvad.

Vastuvõtlikkus on teine pool. Kui palju jama võib teie seade kuluda, enne kui see lakkab õigesti töötamast. BMS peab elementide pingeid täpselt lugema, istudes inverteri kõrval, mis lööb alalisvoolu siini 400 amprise impulssidega sagedusel 10 kHz. Andurahelad peavad seda kõike ignoreerima ja siiski mõõtma raku tegelikku pinget.

Enamik insenere, kellega kohtun, mõtleb heitkogustele, sest sellele keskenduvad regulatiivsed testid. Nad unustavad vastuvõtlikkuse, kuni toode põllul ebaõnnestub. Siis satuvad kõik paanikasse.

Vanad plii-happeakud lihtsalt seisid seal. Kinnitasite need poltidega ja ühendasite kaks kaablit. Võib-olla oli teil voolu mõõtmiseks šunt. See oli kõik.

Liitiumpakenditel on elektroonika kõikjal. BMS jälgib iga rakku. See räägib paki ümber hajutatud temperatuurianduritega. See suhtleb sõidukiga CAN-i või mõne muu bussi kaudu. See juhib kontaktoreid. See arvutab laetuse ja tervisliku seisundi täpsetest mõõtmistest sõltuvate algoritmide abil.

Täpne on võtmesõna. Elementide pinge mõõtmine, mis triivib 50 millivolti võrra, rikub teie SOC-arvutuse. Tehke seda saja lahtriga ja teie vahemiku hinnang on kasutu. Triivige seda 100 millivolti võrra ja võite elemendi üle laadida või alapinge olukorra märkamata jätta.

Anduri juhtmed on nõrk koht. Need jooksevad igast lahtri kraanist BMS-i tahvlile. Suures pakendis see tähendab, et juhtmed jooksevad vähemalt kaks meetrit läbi elektromagnetilist müra täis keskkonna. Iga juhe tajub häireid. Mida pikem on traat, seda hullem on probleem.

Töötasin bussi akupaki kallal, mille tundlik rakmed jooksid otse peamiste alalisvoolu siiniribade kõrval. Vardad kandsid kiirenduse ajal 300 amprit. Sellest voolust tulenev magnetväli indutseeris sensorjuhtmetes millivolt{3}taseme signaale. BMS arvas, et rakud hüppavad üles ja alla. See läks kaitserežiimile ja tappis maanteel bussi.

Electromagnetic Compatibility

Rikkerežiimid on koledad.

Valed ülepinge väljalülitused on tavalised. Müra lisab elemendi tegelikku pinget ja BMS arvab, et element on 4,3 V, kui see on tegelikult 4,1 V. Kaitse rakendub ja süsteem lülitub välja. Operaator näeb veakoodi, millel pole mõtet, kuna lahtrid on korras.

Vale alapinge on hullem. BMS arvab, et rakk on madalam, kui see tegelikult on. See tühjendab pidevalt üle ohutu piiri. Tekib tõeline kahju.

Suhtlusvead ajavad asjad erinevalt sassi. Akul võib olla kuus või kaheksa jälgimisplaati, mis on{1}}ahelaga ühendatud isoSPI siiniga. See buss sõidab mõne megahertsiga. EMI rikub paketi ja ühtäkki on peakontrolleril kuueteistkümne raku kohta halvad andmed. Kas see lülitub välja? Kas see kasutab viimast head lugemist? Kas see interpoleerib? Iga variandiga on probleeme.

Ka temperatuuri mõõtmine on rikutud. NTC termistorid toodavad pisikesi signaale. Mõni millivoldine müra näeb välja nagu kahekümnekraadine temperatuurikõikumine. BMS võib sisse lülitada jahutuse, mida pole vaja, või jätta märkamata algava termilise äravoolu.

Regulatiivsed standardid on olemas, kuid need on kattuvate nõuete segadus.

FCC osa 15 hõlmab heiteid Põhja-Ameerikas. See seab piirangud sellele, kui palju RF-energiat teie toode võib õhku pihustada. Limiidid sõltuvad sellest, kas müüte tarbijatele või tööstustarbijatele. Tööstus muutub lõdvamaks.

Sõidukite puhul käsitlete ka CISPR 25 ja CISPR 12. Need on rahvusvahelised standardid, mida enamik riike rakendab väikeste muudatustega. Need määravad kindlaks katsemeetodid ja piirmäärad sõidukite ja sõidukiosade juhtivuse ja kiirguse heitkoguste jaoks.

Euroopa CE-märgis nõuab vastavust elektromagnetilise ühilduvuse direktiivile. Tavaliselt tähendab see standardi EN 55032 täitmist heitmete ja EN 55035 häirekindluse osas. Autotööstuse asjade puhul viidake selle asemel standardile EN 50498.

Siis on igal auto originaaltootjal peal oma spetsifikatsioonid. Fordil on oma asi. GM-il on teine. VW-l on terve raamat. Need on tavaliselt regulatiivsetest miinimumidest rangemad ja hõlmavad häirekindlusteste, mida eeskirjad vaevu puudutavad.

Kogu selle testimise läbimine maksab raha ja aega. Autotööstuse BMS-i täielik EMC-kvalifikatsioon maksab 30 000–50 000 dollarit ja kambris kulub kolm kuni neli nädalat. Kui ebaõnnestute, lähete tagasi ja parandage asjad ning testige uuesti. Olen näinud, kuidas programmid põletavad kuus kuud ja 200 000 dollarit EMC-testimisel, enne kui nad said läbi.

Electromagnetic Compatibility

Varjestus on nüri tööriist. Pange tundlike asjade ümber metallkarp ja enamik häireid ei pääse sisse. Kast peab siiski olema pidev. Õmblused lekivad. Avad konnektoritele lekivad. Ventilatsiooniavad on põhimõtteliselt RF-energia aknad.

Tõeline varjestus tähendab juhtivaid tihendeid igas õmbluses. See tähendab filtreeritud pistikuid või läbilaskekondensaatoreid igas juhtme sisendpunktis. See tähendab, et teie suurimal muret tekitaval sagedusel ei ole pilusid, mis on pikemad kui üks kümnendik lainepikkusest. See viimane ajab inimesed üles. Kui hoolite 1 GHz häiretest, peavad teie pesad olema alla 30 millimeetri. Edu selle kaudu jahutusõhu saamisel.

Filtreerimiskäepidemed tekitasid häireid. Asetate induktiivpoolid ja kondensaatorid õigetesse kohtadesse, et blokeerida kõrgsagedusmüra, edastades samal ajal soovitud signaale või võimsust. Diferentsiaalrežiimi filter käsitleb müra, mis liigub ühest juhtmest alla ja teise tagasi. Ühisrežiimiga õhuklapp käsitleb müra, mis liigub mõlemal juhtmel samas suunas.

Filtri disain on keeruline. Olulised on allika ja koormuse takistus. Filter, mis testib pingil suurepäraselt, ei pruugi tegelikus süsteemis midagi teha, kuna takistused on erinevad. Olen näinud, kuidas insenerid näitavad mulle uhkelt oma filtriskeeme ja imestavad siis, miks müramõõtmised ei muutunud. Nad kavandasid 50-oomise süsteemi jaoks ja ühendasid selle midagi, mis nägi välja nagu 5 oomi neile vajalikel sagedustel.

Maandusstrateegia on koht, kus elab tõeline voodoo. Akul on kõrgepinge ja madalpinge sektsioonid. Kõrgpinge pool sisaldab elemente ja peakontaktoreid ning eellaadimisahelat. LV poolel on BMS-i ja CAN-liides ning mõnikord isoleeritud DC-DC-muundurid. Need kaks maandussüsteemi peaksid ühendama täpselt ühes punktis. Rohkem ühendusi loob silmuseid. Silmused võtavad vastu häireid.

Õige punkti leidmine on kunst. See sõltub sellest, kus vool voolab ja kus toimuvad tundlikud mõõtmised ning kus asuvad müraallikad. Iga paigutus on erinev. Soovin, et saaksin teile valemi anda, kuid seda pole.

BMS-i sees muudab trükkplaadi paigutus EMC jõudlust või rikub seda.

Hoidke suure kiirusega digitaalsed asjad analoogmõõtmisahelatest eemal. Protsessor ja CAN-transiiver ning kõik lülitusregulaatorid pihustavad müra. Elementide pinge sisendid ja temperatuuri mõõtmise ahelad on tundlikud. Füüsiline distants aitab. Maapinna vaheajad sektsioonide vahel aitavad rohkem.

Marsruudi diferentsiaalide paarid kokku ja jätke need lühikeseks. Rakkukraanide tundejooned peaksid sisenema plaadile AFE-kiibile võimalikult lähedale. Pikemad jäljed võtavad rohkem häireid.

Jälgige oma tagasiteed. Vool peab voolama ahelas. Signaal kustub ühel jäljel ja tuleb tagasi teisele jäljele. Kui tagasitee pole ilmne, leiab vool oma tee ja see võib olla suur silmus, mis kiirgab nagu antenn.

Vala vask. Suured maandustasandid vähendavad impedantsi ja annavad tagasivooludele madala induktiivsusega tee. Õmblusviid seovad tasapinnad kokku ja vähendavad resonantse.

Paar aastat tagasi konsulteerisin idufirmaga, kes valmistaks tõstukite akusid. Nende BMS töötas pingil suurepäraselt. Tõstukis läks asi hulluks. Pingenäidud hüppasid ringi. SOC-arvutus rändas mööda.

Tõstukil oli suur chopperi ajamiga alalisvoolumootor. Iga kord, kui chopper lülitas, muutus peakaablite vool mõne mikrosekundi jooksul mõnesaja ampri võrra. Selle dI/dt magnetväli on seotud kõigega.

Nende paranduskatse oli lisada meelejoontele ferriithelmeid. Ei teinud midagi. Häired seostusid magnetiliselt sensorjuhtmete moodustatud silmustega. Ferriidid blokeerivad juhtivat müra, mitte magnetvälja sidestust.

Lõpuks juhtisime anduri rakmed läbi painduva kanali ja juhtisime selle põhikaablitest eemale. Seejärel lisasime üksikute juhtmete asemel igast kärjekraanist keerdpaari. Keeramine vähendab silmuse pindala, millega magnetväli saab siduda. Lõpuks aeglustasime AFE-kiibi diskreetimist, nii et see integreerus rohkematesse häirete tsüklitesse. Müra oli keskmine.

Kogu parandamine maksab umbes kolm dollarit paki kohta lisajuhtmes ja -torus. Poleks maksnud midagi, kui nad oleksid sellele esialgse disaini ajal mõelnud.

Electromagnetic Compatibility

Kui ostate akusid või BMS-plaate, küsige enne ostmist EMC kohta.

Milliste standardite järgi nad testisid? Küsige tegelikke katsearuandeid, mitte ainult sertifikaati. Aruanded näitavad testi seadistust ja marginaali limiidini. Vaevalt läbinud toode on ühe disainimuudatuse kaugusel ebaõnnestumisest.

Millise elektromagnetilise keskkonna jaoks nad kavandasid? Kolme veomuunduriga transiitbussis ei pruugi golfikärule mõeldud BMS ellu jääda.

Kas nad testisid kogu paketti või ainult tahvlit? Korpus, juhtmestik ja pistikud muudavad EMC käitumist. Palja tahvli testimine ei ütle valmistoote kohta peaaegu midagi.

Milline filtreerimine ja varjestus on sisse ehitatud? Kui vastus on "sellega tegeleb süsteemiintegraator", on teil probleem. Nüüd vastutate elektromagnetilise ühilduvuse järgimise eest ja teil ei pruugi olla oskusi ega eelarvet, et seda õigesti teha.

Traadita BMS on tulekul. Selle asemel, et igasse lahtrisse juhtida juhtmeid, asetate igasse rakurühma väikese juhtmevaba mooduli ja see edastab andmed tagasi põhikontrollerile. Vähem juhtmeid. Lihtsam teenindada.

Kuid nüüd lendavad teie mõõtmisandmed raadiosignaalina läbi õhu. See signaal peab konkureerima kogu jõuelektroonika elektromagnetilise müraga. Traadita side ribad on juba rahvast täis. Olen näinud prototüüpe, kus juhtmevaba BMS kaotas tugeva kiirenduse ajal side, kuna inverteri müra segas vastuvõtjat.

Kõrgemad pinged muudavad kõik raskemaks. Tööstus liigub kiirema laadimise ja väiksemate kaablite jaoks 800 V-le ja kaugemale. Rohkem pinget tähendab rohkem lülitusenergiat ja rohkem EMI-d. Samad tehnikad töötavad endiselt, kuid peate neid paremini teostama.

Integratsioon aina suureneb. BMS ja sisseehitatud laadija ja alalisvoolu-alalisvoolumuundur on kõik ühte karpi pakitud. Vähem kaal ja kulu, kuid rohkem võimalusi funktsioonide vahel segamiseks. Analoogelemendi andur peab ellu jääma samas korpuses kui 10 kW lülituslaadija.

EMC ei kao kuhugi. See läheb iga aastaga hullemaks, kuna elektroonika muutub kiiremaks ja tihedamaks ning palume neil töötada karmimas keskkonnas. Aku on elektrisõiduki süda ning elektromagnetilise ühilduvuse töö eesmärk on hoida seda täpselt ja töökindlana, hoolimata seda ümbritsevast elektromagnetilisest tormist.