Что такое электромагнитная совместимость?

Пятнадцать лет в этом бизнесе, а EMC до сих пор кусает меня за задницу как минимум два раза в год.

Прошлой весной меня пригласили на проект для компании, производящей грузовые фургоны. Их BMS продолжала выдавать сообщения о перенапряжении ячеек. Не настоящее перенапряжение -, элементы были в порядке. Микросхема мониторинга читала мусор. Они преследовали это в течение трех месяцев. Дважды менял чипы AFE. Перемонтировал сенсорный жгут. Ничего не помогло.

Мне потребовалось два дня, чтобы найти его. Контроллер их мотора находился в восемнадцати дюймах от аккумуляторной батареи. Между ними нет экранирования. Контроллер переключался на частоте 8 кГц, и каждый фронт подключался прямо к линиям измерения напряжения ячейки. Провода действовали как антенны. Двадцать милливольт наведенного шума при измерении, требующем точности в милливольтах. BMS увидела несуществующие скачки напряжения и отключила все.

Это ЭМС. Электромагнитная совместимость. Ваши вещи должны работать вместе с другими вещами, при этом ни одно не портит другое.

EMC распадается на две части, и вам придется иметь дело с обеими.

Эмиссия означает шум, который издает ваше устройство. Каждая коммутационная цепь излучает. Каждый провод с изменяющимся током создает магнитное поле. Преобразователь постоянного-постоянного тока, работающий на частоте 200 кГц, распыляет радиочастотную энергию повсюду. Если эта энергия достаточно сильна, она глушит радио в кабине, искажает сообщения CAN-шины или заставляет контроллер ABS думать, что колеса блокируются.

Восприимчивость – это обратная сторона. Сколько дерьма может вынести ваше устройство, прежде чем оно перестанет работать правильно. BMS должна точно считывать напряжение элементов, находясь рядом с инвертором, который подает на шину постоянного тока импульсы силой 400 А с частотой 10 кГц. Чувствительные схемы должны игнорировать все это и при этом измерять фактическое напряжение элемента.

Большинство инженеров, с которыми я встречаюсь, думают о выбросах, потому что именно на этом фокусируются нормативные испытания. Они забывают о восприимчивости до тех пор, пока продукт не выйдет из строя в полевых условиях. Тогда все паникуют.

Старые свинцово--кислотные аккумуляторы просто лежали там. Вы прикрутили их и подключили два кабеля. Возможно у вас был шунт для измерения тока. Вот и все.

В литиевых аккумуляторах электроника есть повсюду. BMS контролирует каждую ячейку. Он взаимодействует с датчиками температуры, разбросанными по упаковке. Он связывается с автомобилем по CAN или другой шине. Он управляет контакторами. Он рассчитывает уровень заряда и состояние здоровья, используя алгоритмы, которые зависят от точных измерений.

Точность — ключевое слово. Измерение напряжения элемента, которое дрейфует на 50 милливольт, нарушает расчет SOC. Сделайте это для сотни ячеек, и ваша оценка диапазона станет бесполезной. Если отклонить его на 100 милливольт, вы можете перезарядить элемент или пропустить состояние пониженного напряжения.

Чувствительные провода являются слабым местом. Они идут от каждого отвода ячейки к плате BMS. В большой упаковке это означает, что провода протянуты на два метра или более в среде, полной электромагнитных помех. Каждый провод улавливает помехи. Чем длиннее провод, тем хуже проблема.

Я работал над аккумуляторной батареей для автобуса, где сенсорный жгут проходил прямо рядом с основными шинами постоянного тока. Во время ускорения стержни выдерживали силу тока 300 ампер. Магнитное поле этого тока индуцировало сигналы милливольтного-уровня в сенсорных проводах. BMS считал, что клетки подпрыгивают вверх и вниз. Он перешел в режим охраны и убил автобус на шоссе.

Electromagnetic Compatibility

Режимы отказа уродливы.

Ложные отключения из-за перенапряжения являются обычным явлением. Шум добавляется к реальному напряжению элемента, и BMS думает, что элемент находится под напряжением 4,3 В, хотя на самом деле оно составляет 4,1 В. Срабатывает защита и система выключается. Оператор видит код неисправности, который не имеет смысла, поскольку элементы в порядке.

Ложное понижение напряжения еще хуже. BMS считает, что ячейка находится ниже, чем есть на самом деле. Он продолжает разряжаться выше безопасного предела. Настоящий ущерб случается.

Ошибки связи портят ситуацию по-разному. Аккумуляторный блок может содержать шесть или восемь плат мониторинга, последовательно-подключенных к шине isoSPI. Этот автобус работает на частоте несколько мегагерц. EMI повреждает пакет, и внезапно главный контроллер получает неверные данные для шестнадцати ячеек. Он отключается? Использует ли он последнее хорошее чтение? Интерполирует ли это? У каждого варианта есть проблемы.

Измерение температуры также искажается. Термисторы NTC производят крошечные сигналы. Несколько милливольт шума выглядят как перепад температуры на двадцать градусов. BMS может включить охлаждение, в котором нет необходимости, или пропустить начавшийся температурный разгон.

Нормативные стандарты существуют, но они представляют собой мешанину пересекающихся требований.

Часть 15 FCC охватывает выбросы в Северной Америке. Он устанавливает ограничения на количество радиочастотной энергии, которую ваш продукт может излучать в воздух. Ограничения зависят от того, продаете ли вы потребителям или промышленным пользователям. Промышленность становится более слабой.

Для транспортных средств также действуют стандарты CISPR 25 и CISPR 12. Это международные стандарты, которые большинство стран принимают с небольшими изменениями. Они определяют методы испытаний и пределы кондуктивных и излучаемых выбросов транспортных средств и их компонентов.

Европейская маркировка CE требует соответствия Директиве по электромагнитной совместимости. Обычно это означает соответствие стандарту EN 55032 по выбросам и EN 55035 по защищенности. Для автомобильной промышленности вместо этого вы ссылаетесь на EN 50498.

Кроме того, у каждого производителя автомобилей есть свои собственные характеристики. У Форда есть свое дело. У GM есть другой. У VW есть целая книга. Они обычно более строгие, чем нормативные минимумы, и включают тесты на иммунитет, которых нормативные акты практически не касаются.

Прохождение всех этих испытаний стоит денег и времени. Полная квалификация EMC для автомобильной BMS стоит от 30 000 до 50 000 долларов США и занимает от трех до четырех недель рабочего времени. Если вы потерпите неудачу, вы вернетесь, исправите ситуацию и повторите тест. Я видел, как программы тратили шесть месяцев и 200 000 долларов на тестирование EMC, прежде чем они получили одобрение.

Electromagnetic Compatibility

Экранирование — грубый инструмент. Поместите металлический ящик вокруг чувствительных предметов, и большая часть помех не сможет проникнуть внутрь. Однако ящик должен быть сплошным. Текут швы. Отверстия для разъемов текут. Вентиляционные щели — это, по сути, окна для радиочастотной энергии.

Настоящая защита означает наличие проводящих прокладок в каждом шве. Это означает разъемы с фильтрами или проходные конденсаторы в каждой точке ввода провода. Это означает, что на самой высокой частоте, вызывающей у вас беспокойство, не должно быть слотов длиной более одной десятой длины волны. Последнее сбивает людей с толку. Если вас беспокоят помехи на частоте 1 ГГц, размер ваших слотов должен быть менее 30 миллиметров. Удачи в прохождении через это охлаждающего воздуха.

Фильтрация обрабатывает кондуктивные помехи. Вы размещаете катушки индуктивности и конденсаторы в нужных местах, чтобы блокировать высокочастотный шум при передаче сигналов или мощности, которые вам действительно нужны. Фильтр дифференциального режима обрабатывает шум, который проходит по одному проводу и обратно по другому. Синфазный дроссель обрабатывает шум, который распространяется в одном направлении по обоим проводам.

Конструкция фильтра сложная. Импеданс источника и нагрузки имеет значение. Фильтр, который отлично прошел испытания на стенде, может ничего не сделать в реальной системе, поскольку импедансы разные. Я видел, как инженеры с гордостью показывали мне схемы своих фильтров, а затем удивлялись, почему измерения шума не изменились. Они разработали систему с сопротивлением 50 Ом и подключили ее к чему-то вроде 5 Ом на нужных им частотах.

Стратегия заземления – вот где живет настоящее вуду. Аккумуляторная батарея имеет секции высокого и низкого напряжения. Сторона высокого напряжения включает в себя элементы, главные контакторы и цепь предварительной зарядки. На стороне низкого напряжения имеются интерфейсы BMS и CAN, а иногда и изолированные преобразователи постоянного тока-постоянного тока. Эти две системы заземления должны соединяться ровно в одной точке. Больше соединений создает петли. Петли улавливают помехи.

Найти правильную точку – это искусство. Это зависит от того, где протекает ток, где проводятся чувствительные измерения и где находятся источники шума. Каждый макет отличается. Я бы хотел дать вам формулу, но ее нет.

Внутри BMS компоновка печатной платы влияет или ухудшает характеристики ЭМС.

Держите высокоскоростные цифровые устройства подальше от аналоговых измерительных цепей. Процессор, CAN-трансивер и любые коммутационные регуляторы создают шум. Входы напряжения ячейки и схемы измерения температуры чувствительны. Физическое расстояние помогает. Разрывы наземной плоскости между секциями помогают больше.

Прокладывайте дифференциальные пары вместе и делайте их короткими. Сенсорные линии от ответвителей ячеек должны входить в плату как можно ближе к микросхеме AFE. Более длинные трассы улавливают больше помех.

Следите за своими путями возвращения. Ток должен течь по кругу. Сигнал уходит на одну трассу и возвращается на другую. Если обратный путь не очевиден, ток находит свой путь, и этот путь может представлять собой большую петлю, излучающую как антенна.

Залить медью. Большие заземляющие пластины уменьшают сопротивление и обеспечивают обратным токам путь с низкой индуктивностью. Сшивание переходных отверстий связывает плоскости вместе и уменьшает резонансы.

Несколько лет назад я консультировал стартап, производящий аккумуляторы для вилочных погрузчиков. Их BMS отлично работала на скамейке запасных. В погрузчике все сошло с ума. Показания напряжения прыгали. Расчет SOC скитался повсюду.

У погрузчика был большой двигатель постоянного тока с приводом измельчителя. Каждый раз, когда прерыватель включался, ток в главных кабелях менялся на несколько сотен ампер за несколько микросекунд. Магнитное поле от этого dI/dt связано со всем.

Их попытка исправить заключалась в добавлении ферритовых шариков на измерительные линии. Ничего не сделал. Помехи магнитно связывались с петлями, образованными сенсорными проводами. Ферриты блокируют кондуктивный шум, а не связь с магнитным полем.

В итоге мы пропустили сенсорный жгут через гибкий кабелепровод и проложили его подальше от основных кабелей. Затем мы добавили витую пару от каждого отвода ячейки вместо одиночных проводов. Скручивание уменьшает площадь петли, в которую может проникнуть магнитное поле. Наконец, мы замедлили выборку на чипе AFE, чтобы она интегрировалась за большее количество циклов помех. Шум усреднился.

Общая стоимость ремонта составляет около трех долларов за упаковку дополнительных проводов и кабелепровода. Ничего бы не стоило, если бы об этом подумали во время первоначального проектирования.

Electromagnetic Compatibility

Если вы покупаете аккумуляторные блоки или платы BMS, перед покупкой узнайте об ЭМС.

По каким стандартам они проверяли? Попросите реальные отчеты об испытаниях, а не просто сертификат. В отчетах показана тестовая установка и предельная маржа. Продукт, который едва прошел конкурс, находится в одном изменении дизайна от провала.

Для какой электромагнитной среды они проектировали? Система BMS, предназначенная для гольф-кара, может не выжить в транзитном автобусе с тремя тяговыми инверторами.

Они тестировали весь пакет или только плату? Корпус, проводка и разъемы меняют поведение ЭМС. Тестирование голой платы почти ничего не скажет о готовом продукте.

Какая фильтрация и экранирование встроены? Если ответ «мы полагаемся на системного интегратора», у вас есть проблема. Теперь вы несете ответственность за соблюдение требований EMC, и у вас может не хватить навыков или бюджета, чтобы сделать это правильно.

Беспроводная BMS приближается. Вместо того, чтобы прокладывать измерительные провода к каждой ячейке, вы помещаете небольшой беспроводной модуль в каждую группу ячеек, и он передает данные обратно на главный контроллер. Меньше проводки. Легче обслуживать.

Но теперь данные ваших измерений летят по воздуху в виде радиосигнала. Этот сигнал должен конкурировать со всем электромагнитным шумом силовой электроники. Беспроводные диапазоны уже переполнены. Я видел прототипы, в которых беспроводная BMS теряла связь во время резкого ускорения, потому что шум инвертора глушил приемник.

Более высокие напряжения все усложняют. Промышленность переходит на напряжение 800 В и выше для более быстрой зарядки и использования кабелей меньшего размера. Большее напряжение означает больше энергии переключения и больше электромагнитных помех. Те же приемы по-прежнему работают, но вам придется применять их лучше.

Интеграция продолжает расти. BMS, встроенное зарядное устройство и преобразователь постоянного-постоянного тока собраны в одну коробку. Меньше веса и стоимости, но больше возможностей для взаимодействия между функциями. Аналоговое считывание ячеек должно находиться в том же корпусе, что и импульсное зарядное устройство мощностью 10 кВт.

ЭМС не исчезнет. С каждым годом ситуация становится все хуже, поскольку электроника становится все быстрее и плотнее, и мы просим ее работать в более суровых условиях. Аккумуляторная батарея — это сердце электромобиля, и обеспечение ее точности и надежности, несмотря на окружающую ее электромагнитную бурю, является целью работы EMC.