Kaj je elektromagnetna združljivost?

Petnajst let v tem poslu in EMC me še vedno ugrizne v rit vsaj dvakrat na leto.

Lansko pomlad so me poklicali k projektu za podjetje, ki izdeluje dostavna vozila. Njihov BMS je sprožil napake zaradi prenapetosti celic. Ni prave prenapetosti - celice so bile v redu. Nadzorni IC je bral smeti. To so lovili tri mesece. Dvakrat zamenjal čipe AFE. Preoblikoval senzorski pas. Nič ni delovalo.

Potreboval sem dva dni, da sem ga našel. Krmilnik njihovega motorja je bil osemnajst centimetrov od baterijskega paketa. Med njimi ni zaščite. Krmilnik je preklapljal pri 8 kHz in vsak rob je bil povezan naravnost v linije za zaznavanje napetosti celice. Žice so delovale kot antene. Dvajset milivoltov induciranega šuma pri meritvi, ki zahteva milivoltno natančnost. BMS je opazil napetostne skoke, ki jih ni bilo, in vse zaustavil.

To je EMC. Elektromagnetna združljivost. Vaše stvari morajo zaobiti druge stvari, ne da bi katera koli pokvarila drugo.

EMC razpade na dva dela in spopasti se moraš z obema.

Emisije pomeni hrup, ki ga oddaja vaša naprava. Vsako stikalno vezje seva. Vsaka žica s spreminjajočim se tokom ustvari magnetno polje. Pretvornik DC-DC, ki deluje pri 200 kHz, razprši radiofrekvenčno energijo povsod. Če je ta energija dovolj močna, moti radio v kabini ali pokvari sporočila vodila CAN ali povzroči, da krmilnik ABS misli, da kolesa blokirajo.

Občutljivost je druga stran. Koliko sranja lahko prenese vaša naprava, preden preneha pravilno delovati. BMS mora natančno prebrati napetost celice, medtem ko sedi poleg pretvornika, ki udarja po vodilu DC s 400-amperskimi impulzi pri 10 kHz. Zaznavna vezja morajo vse to zanemariti in še vedno meriti dejansko napetost celice.

Večina inženirjev, ki jih srečam, razmišlja o emisijah, ker se na to osredotočajo regulativni testi. Pozabijo na občutljivost, dokler izdelek na terenu ne odpove. Potem vse zgrabi panika.

Stare svinčene{0}}kislinske baterije so samo ostale. Privili ste jih in povezali dva kabla. Mogoče si imel shunt za merjenje toka. To je bilo to.

Litijevi paketi imajo elektroniko povsod. BMS nadzoruje vsako celico. Pogovarja se s temperaturnimi senzorji, raztresenimi po paketu. Z vozilom komunicira preko CAN ali kakšnega drugega vodila. Nadzira kontaktorje. Izračuna stanje napolnjenosti in zdravstveno stanje z uporabo algoritmov, ki so odvisni od natančnih meritev.

Natančno je ključna beseda. Meritev napetosti celice, ki zaniha za 50 milivoltov, izniči vaš izračun SOC. Naredite to v sto celicah in vaša ocena obsega bo neuporabna. Če ga premaknete za 100 milivoltov, boste morda prenapolnili celico ali zamudili stanje prenizke napetosti.

Žice za zaznavanje so šibka točka. Tečejo od vsake celice do BMS plošče. V velikem paketu to pomeni, da žice tečejo dva metra ali več skozi okolje, polno elektromagnetnega šuma. Vsaka žica zazna motnje. Daljša kot je žica, hujša je težava.

Delal sem na paketu baterij za avtobus, kjer je senzorski snop potekal tik ob glavnih palicah vodila DC. Palice so nosile 300 amperov med pospeševanjem. Magnetno polje tega toka je povzročilo signale-nivoja milivoltov v zaznavnih žicah. BMS je mislil, da celice poskakujejo gor in dol. Prešel je v zaščitni način in ubil avtobus na avtocesti.

Electromagnetic Compatibility

Načini napak so grdi.

Lažni izklopi zaradi prenapetosti so pogosti. Hrup poveča dejansko napetost celice in BMS misli, da je celica na 4,3 V, čeprav je dejansko na 4,1 V. Vklopi se zaščita in sistem se izklopi. Operater vidi kodo napake, ki nima smisla, ker so celice v redu.

Lažna prenizka napetost je hujša. BMS misli, da je celica nižja, kot je v resnici. Nenehno se prazni čez varno mejo. Dejanska škoda se zgodi.

Komunikacijske napake stvari zamotijo drugače. Paket baterij ima lahko šest ali osem nadzornih plošč,-verižno povezanih na vodilo isoSPI. Ta avtobus vozi na nekaj megahercih. EMI pokvari paket in nenadoma ima glavni krmilnik slabe podatke za šestnajst celic. Ali se izklopi? Ali uporablja zadnje dobro branje? Ali interpolira? Vsaka možnost ima težave.

Tudi merjenje temperature se pokvari. NTC termistorji proizvajajo majhne signale. Nekaj milivoltov hrupa je videti kot nihanje temperature za dvajset stopinj. BMS lahko vklopi hlajenje, ki ni potrebno, ali zgreši toplotni umik, ki se začenja.

Regulativni standardi obstajajo, vendar so zmešnjava prekrivajočih se zahtev.

FCC del 15 zajema emisije v Severni Ameriki. Določa omejitve, koliko RF energije lahko vaš izdelek razprši v zrak. Omejitve so odvisne od tega, ali prodajate potrošnikom ali industrijskim uporabnikom. Industrija postane bolj ohlapna.

Za vozila imate opravka tudi s CISPR 25 in CISPR 12. To sta mednarodni standardi, ki jih večina držav sprejme z manjšimi prilagoditvami. Določajo preskusne metode in mejne vrednosti za prevedene in sevane emisije iz vozil in sestavnih delov vozil.

Evropska oznaka CE zahteva skladnost z direktivo EMC. To običajno pomeni izpolnjevanje EN 55032 za emisije in EN 55035 za odpornost. Za avtomobilske stvari se namesto tega sklicujete na EN 50498.

Potem ima vsak proizvajalec originalne opreme svoje specifikacije na vrhu. Ford ima svoje. GM ima drugo. VW ima celo knjigo. Ti so običajno strožji od regulativnih minimumov in vključujejo teste odpornosti, ki se jih predpisi komajda dotikajo.

Prehod skozi vsa ta testiranja stane denar in čas. Popolna kvalifikacija EMC za avtomobilski BMS znaša od 30.000 do 50.000 $ in traja tri do štiri tedne časa v zbornici. Če vam ne uspe, se vrnite in popravite stvari ter znova preizkusite. Videl sem, da so programi porabili šest mesecev in 200.000 $ na testiranju EMC, preden so dobili dovoljenje.

Electromagnetic Compatibility

Zaščita je top instrument. Okoli občutljivih stvari postavite kovinsko škatlo in večina motenj ne bo prišla noter. Škatla pa mora biti neprekinjena. Šivi puščajo. Luknje za priključke puščajo. Prezračevalne reže so v bistvu okna za RF energijo.

Prava zaščita pomeni prevodna tesnila na vsakem šivu. To pomeni filtrirane konektorje ali pretočne kondenzatorje na vsaki vstopni točki žice. To ne pomeni nobenih rež, daljših od ene desetine valovne dolžine pri vaši najvišji skrbni frekvenci. To zadnje spotakne ljudi. Če vam je mar za motnje 1 GHz, morajo biti vaše reže manjše od 30 milimetrov. Vso srečo pri pridobivanju hladilnega zraka skozi to.

Filtriranje obravnava prevodne motnje. Induktorje in kondenzatorje postavite na prava mesta, da blokirate visokofrekvenčni šum med prenašanjem signalov ali moči, ki jo dejansko želite. Filter diferencialnega načina obravnava hrup, ki potuje po eni žici in nazaj po drugi. Skupna dušilka obravnava hrup, ki potuje v isto smer po obeh žicah.

Zasnova filtra je težavna. Impedanca vira in bremena je pomembna. Filter, ki se odlično preizkusi na preskusni napravi, morda ne bo naredil ničesar v dejanskem sistemu, ker so impedance drugačne. Videl sem inženirje, ki so mi ponosno kazali svoje sheme filtrov in se potem spraševali, zakaj se meritve hrupa niso spremenile. Zasnovali so sistem s 50 ohmi in ga priključili na nekaj, kar je bilo videti kot 5 ohmov na frekvencah, ki so jih zanimale.

Strategija ozemljitve je tam, kjer živi pravi vudu. Baterija ima visokonapetostne in nizkonapetostne dele. HV stran vključuje celice in glavne kontaktorje ter vezje prednapolnjenja. LV stran ima vmesnik BMS in CAN ter včasih izolirane pretvornike DC-DC. Ta dva zemeljska sistema bi se morala povezati na točno eni točki. Več povezav ustvarja zanke. Zanke zaznajo motnje.

Iskanje prave ene same točke je umetnost. Odvisno je od tega, kje teče tok in kje se izvajajo občutljive meritve ter kje živijo viri hrupa. Vsaka postavitev je drugačna. Rad bi vam dal formulo, a je ni.

Znotraj BMS postavitev tiskanega vezja vpliva na zmogljivost EMC ali jo ovira.

Hitre digitalne stvari hranite stran od analognih merilnih vezij. Procesor in oddajnik-sprejemnik CAN ter morebitni stikalni regulatorji pršijo hrup. Vhodi napetosti celice in vezja za merjenje temperature so občutljiva. Fizična razdalja pomaga. Prelomi ozemljitvenih ravnin med odseki pomagajo bolj.

Diferencialne pare usmerite skupaj in naj bodo kratki. Zaznavne črte iz celicnih pip morajo vstopiti v ploščo čim bližje čipu AFE. Daljše sledi povzročajo več motenj.

Pazi na povratne poti. Tok mora teči v zanki. Signal ugasne na eni sledi in se vrne na drugi. Če povratna pot ni očitna, tok najde svojo pot in ta pot je lahko velika zanka, ki seva kot antena.

Nalijte baker. Velike ozemljitvene ploskve zmanjšujejo impedanco in dajejo povratnim tokovom pot nizke induktivnosti. Prešivanje vias povezuje ravnine skupaj in zmanjšuje resonance.

Pred nekaj leti sem svetoval pri zagonskem podjetju, ki je izdelovalo baterije za viličarje. Njihov BMS je odlično deloval na klopi. V viličarju se je zmešalo. Odčitki napetosti so poskočili. Izračun SOC je taval povsod.

Viličar je imel velik enosmerni motor s sekalnim pogonom. Vsakič, ko je helikopter preklopil, se je tok v glavnih kablih v nekaj mikrosekundah spremenil za nekaj sto amperov. Magnetno polje iz tega dI/dt je povezano z vsem.

Njihov poskus popravka je bil dodati feritne kroglice na senzorske črte. Naredil nič. Motnja se je magnetno spajala v zanke, ki so jih tvorile zaznavne žice. Feriti blokirajo prevodni šum in ne sklopitev magnetnega polja.

Na koncu smo senzorski snop napeljali skozi gibljiv vod in ga napeljali stran od glavnih kablov. Nato smo dodali sukani par iz vsake celice namesto posameznih žic. Sukanje zmanjša površino zanke, v katero se lahko poveže magnetno polje. Končno smo upočasnili vzorčenje na čipu AFE, tako da je integriral več ciklov motenj. Hrup je bil povprečen.

Celoten popravek stane približno tri dolarje na paket dodatne žice in cevi. Ne bi stalo nič, če bi o tem razmišljali med prvotno zasnovo.

Electromagnetic Compatibility

Če kupujete baterije ali plošče BMS, se pred nakupom pozanimajte o EMC.

Po katerih standardih so testirali? Zahtevajte dejanska poročila o preskusih in ne samo potrdilo. Poročila prikazujejo preskusno postavitev in rob do meje. Izdelek, ki je komaj opravil, je ena sprememba dizajna oddaljena od neuspeha.

Za kakšno elektromagnetno okolje so zasnovali? BMS, namenjen vozičku za golf, morda ne bo preživel v tranzitnem avtobusu s tremi vlečnimi pretvorniki.

So testirali celoten paket ali samo ploščo? Ohišje, ožičenje in priključki spremenijo EMC obnašanje. Testiranje gole plošče vam skoraj nič ne pove o končnem izdelku.

Kakšna vrsta filtra in zaščite je vgrajena? Če je odgovor "zanašamo se na sistemskega integratorja, da bo to rešil", imate težavo. Zdaj ste odgovorni za skladnost z elektromagnetno združljivostjo in morda nimate veščin ali proračuna, da bi to naredili pravilno.

Prihaja brezžični BMS. Namesto napeljave zaznavnih žic do vsake celice postavite majhen brezžični modul v vsako skupino celic in prenaša podatke nazaj v glavni krmilnik. Manj ožičenja. Lažje servisiranje.

Zdaj pa vaši merilni podatki letijo po zraku v radijskem signalu. Ta signal mora tekmovati z vsem elektromagnetnim šumom močnostne elektronike. Brezžični pasovi so že natrpani. Videl sem prototipe, pri katerih je brezžični BMS izgubil komunikacijo med močnim pospeševanjem, ker je šum pretvornika motil sprejemnik.

Zaradi višjih napetosti je vse težje. Industrija se premika na 800 V in več za hitrejše polnjenje in manjše kable. Več napetosti pomeni več preklopne energije in več EMI. Iste tehnike še vedno delujejo, vendar jih morate bolje izvajati.

Integracija se povečuje. BMS in vgrajeni polnilnik ter pretvornik DC-DC, vsi strnjeni v eno škatlo. Manjša teža in stroški, vendar več možnosti za motnje med funkcijami. Analogno zaznavanje celic mora preživeti v istem ohišju kot preklopni polnilnik z močjo 10 kW.

EMC ne izgine. Vsako leto je slabše, saj postaja elektronika hitrejša in gostejša, mi pa od njih zahtevamo, da delajo v težjih okoljih. Baterijski sklop je srce električnega vozila in ohranjanje njegove natančnosti in zanesljivosti kljub elektromagnetni nevihti okoli njega je bistvo EMC dela.