Čo je elektromagnetická kompatibilita?

Pätnásť rokov v tomto biznise a EMC ma stále aspoň dvakrát do roka hryzie do zadku.

Minulú jar ma zavolali na projekt pre spoločnosť vyrábajúcu dodávky. Ich BMS neustále vyhadzoval poruchy prepätia článkov. Nie skutočné prepätie - články boli v poriadku. Monitorovacie IC čítalo odpadky. Hľadali to tri mesiace. Dvakrát vymenené čipy AFE. Prepojil som zmyslový postroj. Nič nefungovalo.

Trvalo mi dva dni, kým som to našiel. Ich ovládač motora sedel osemnásť palcov od batérie. Žiadne tienenie medzi nimi. Riadiaca jednotka prepínala pri 8 kHz a každá hrana bola spojená priamo s čiarami snímania napätia bunky. Drôty fungovali ako antény. Dvadsať milivoltov indukovaného šumu pri meraní, ktoré vyžaduje presnosť v milivoltoch. BMS videl napäťové špičky, ktoré neexistovali a všetko vyplo.

To je EMC. Elektromagnetická kompatibilita. Vaše veci musia obchádzať iné veci bez toho, aby jedna pokazila druhú.

EMC sa rozpadne na dva kusy a musíte sa vysporiadať s oboma.

Emisie znamenajú hluk, ktorý vydáva vaše zariadenie. Každý spínací obvod vyžaruje. Každý drôt s meniacim sa prúdom vytvára magnetické pole. DC-jednosmerný menič s frekvenciou 200 kHz rozprašuje vysokofrekvenčnú energiu všade. Ak je táto energia dostatočne silná, ruší rádio v kabíne alebo kazí správy zbernice CAN alebo prinúti ovládač ABS myslieť si, že kolesá sú zablokované.

Náchylnosť je druhá strana. Koľko sračiek znesie vaše zariadenie, kým prestane správne fungovať. BMS musí presne čítať napätie článkov, zatiaľ čo sedí vedľa meniča, ktorý bije DC zbernicu 400 ampérovými impulzmi pri 10 kHz. Snímacie obvody to všetko musia ignorovať a stále merať skutočné napätie článku.

Väčšina inžinierov, s ktorými sa stretávam, uvažuje o emisiách, pretože na to sa zameriavajú regulačné testy. Zabúdajú na náchylnosť, kým produkt v teréne nezlyhá. Potom všetci spanikári.

Staré olovené-batérie tam len tak ležali. Zaskrutkovali ste ich a pripojili dva káble. Možno ste mali skrat na meranie prúdu. To bolo všetko.

Lítiové obaly majú elektroniku všade. BMS monitoruje každú bunku. Hovorí s teplotnými senzormi roztrúsenými po balení. Komunikuje s vozidlom cez CAN alebo inú zbernicu. Ovláda stykače. Vypočítava stav nabitia a zdravotný stav pomocou algoritmov, ktoré závisia od presných meraní.

Kľúčovým slovom je presnosť. Meranie napätia článku, ktoré sa pohybuje o 50 milivoltov, vyhodí váš výpočet SOC. Urobte to cez sto buniek a váš odhad rozsahu je zbytočný. Posuňte ho o 100 milivoltov a môžete prebiť článok alebo vynechať podpätie.

Slabým miestom sú snímacie vodiče. Prebiehajú z každého kohútika bunky do dosky BMS. Vo veľkom balení to znamená, že káble vedú dva metre alebo viac cez prostredie plné elektromagnetického šumu. Každý drôt zachytáva rušenie. Čím je drôt dlhší, tým je problém horší.

Pracoval som na batérii autobusu, kde zmyslový zväzok bežal priamo vedľa hlavných DC zberníc. Tyče prenášali počas zrýchlenia 300 ampérov. Magnetické pole z tejto prúdom indukovanej úrovne milivoltov-signálov v snímacích vodičoch. BMS si myslel, že bunky poskakujú hore a dole. Prešiel do ochranného režimu a zabil autobus na diaľnici.

Electromagnetic Compatibility

Režimy zlyhania sú škaredé.

Časté sú falošné prepätia. Šum sa pridáva k skutočnému napätiu článku a BMS si myslí, že článok je na 4,3 V, aj keď v skutočnosti je na 4,1 V. Spustí sa ochrana a systém sa vypne. Operátor vidí chybový kód, ktorý nedáva zmysel, pretože bunky sú v poriadku.

Horšie je falošné podpätie. BMS si myslí, že bunka je nižšia, ako v skutočnosti je. Stále sa vybíja nad bezpečným limitom. Vznikajú skutočné škody.

Komunikačné chyby kazia veci inak. Batéria môže mať šesť alebo osem monitorovacích dosiek-zapojených do zbernice isoSPI. Ten autobus ide rýchlosťou pár megahertzov. EMI poškodí paket a zrazu má hlavný kontrolér zlé dáta pre šestnásť buniek. Vypne sa? Používa posledné dobré čítanie? Interpoluje sa to? Každá možnosť má problémy.

Poškodí sa aj meranie teploty. NTC termistory produkujú malé signály. Niekoľko milivoltov hluku vyzerá ako výkyv teploty o dvadsať stupňov. BMS môže zapnúť chladenie, ktoré nie je potrebné, alebo môže vynechať spúšťací sa tepelný únik.

Regulačné normy existujú, ale ide o spleť prekrývajúcich sa požiadaviek.

FCC časť 15 pokrýva emisie v Severnej Amerike. Stanovuje limity, koľko RF energie môže váš produkt rozprášiť do vzduchu. Limity závisia od toho, či predávate spotrebiteľom alebo priemyselným používateľom. Priemysel sa viac uvoľňuje.

Pre vozidlá sa tiež zaoberáte CISPR 25 a CISPR 12. Ide o medzinárodné štandardy, ktoré väčšina krajín prijíma s malými úpravami. Špecifikujú skúšobné metódy a limity pre vedené a vyžarované emisie z vozidiel a komponentov vozidla.

Európska značka CE vyžaduje súlad so smernicou EMC. To zvyčajne znamená splnenie normy EN 55032 pre emisie a EN 55035 pre odolnosť. V prípade automobilového priemyslu uvádzate namiesto toho normu EN 50498.

Potom má každý OEM automobil navrstvené svoje vlastné špecifikácie. Ford má svoje veci. GM má inú. VW má celú knihu. Tie sú zvyčajne prísnejšie ako regulačné minimá a zahŕňajú testy imunity, ktorých sa predpisy sotva dotýkajú.

Prekonanie všetkých týchto testov stojí peniaze a čas. Úplná kvalifikácia EMC pre automobilový BMS stojí 30 000 až 50 000 USD a trvá tri až štyri týždne komorného času. Ak zlyháte, vráťte sa a opravte veci a znova otestujte. Videl som programy spáliť šesť mesiacov a 200 000 dolárov na testovanie EMC predtým, ako dostali povolenie.

Electromagnetic Compatibility

Tienenie je tupý nástroj. Okolo citlivých vecí umiestnite kovovú krabicu a väčšina rušenia sa dovnútra nedostane. Krabička však musí byť súvislá. Netesnosť švov. Otvory pre únik konektorov. Vetracie štrbiny sú v podstate okná pre RF energiu.

Skutočné tienenie znamená vodivé tesnenia na každom šve. To znamená filtrované konektory alebo priechodné kondenzátory na každom vstupnom bode drôtu. To znamená, že pri najvyššej frekvencii, o ktorú máte záujem, nie sú žiadne úseky dlhšie ako jedna desatina vlnovej dĺžky. Ten posledný podrazí ľudí. Ak vám záleží na rušení 1 GHz, vaše sloty musia byť menšie ako 30 milimetrov. Veľa šťastia cez to dostať chladiaci vzduch.

Filtrovanie zvláda vedené rušenie. Induktory a kondenzátory umiestnite na správne miesta, aby blokovali vysokofrekvenčný šum pri prenose signálov alebo výkonu, ktorý skutočne chcete. Filter diferenciálneho režimu zvláda hluk, ktorý sa šíri jedným vodičom a druhým späť. Tlmivka so spoločným režimom zvláda hluk, ktorý sa šíri rovnakým smerom na oboch vodičoch.

Dizajn filtra je zložitý. Rozhoduje impedancia zdroja a záťaž. Filter, ktorý skvele testuje na stole, nemusí v skutočnom systéme robiť nič, pretože impedancie sú odlišné. Videl som inžinierov, ktorí mi hrdo ukázali svoje schémy filtrov a potom sa čudovali, prečo sa merania hluku nezmenili. Navrhli 50 ohmový systém a zapojili ho do niečoho, čo vyzeralo ako 5 ohmov na frekvenciách, na ktorých im záležalo.

Stratégia uzemnenia je miestom, kde žije skutočné voodoo. Batéria má vysokonapäťové a nízkonapäťové časti. VN strana obsahuje články a hlavné stýkače a obvod prednabíjania. NN strana má rozhranie BMS a CAN a niekedy izolované DC-DC meniče. Tieto dva uzemňovacie systémy by sa mali spojiť presne v jednom bode. Viac spojení vytvára slučky. Slučky zachytávajú rušenie.

Nájsť ten správny bod je umenie. Závisí to od toho, kde tečie prúd a kde prebiehajú citlivé merania a kde žijú zdroje hluku. Každé rozloženie je iné. Rád by som vám dal vzorec, ale neexistuje.

Vo vnútri BMS usporiadanie PCB spôsobuje alebo porušuje EMC výkon.

Udržujte vysokorýchlostné digitálne veci mimo analógových meracích obvodov. Procesor a CAN transceiver a akékoľvek spínacie regulátory rozprašujú hluk. Napäťové vstupy článkov a obvody merania teploty sú citlivé. Fyzická vzdialenosť pomáha. Prerušenia zemskej roviny medzi sekciami pomáhajú viac.

Nasmerujte páry diferenciálov spolu a udržujte ich krátke. Snímacie čiary z článkov buniek by mali vstupovať na dosku čo najbližšie k čipu AFE. Dlhšie stopy zachytávajú viac rušenia.

Sledujte svoje spiatočné cesty. Prúd musí tiecť v slučke. Signál zhasne na jednej stope a vráti sa na druhú. Ak spätná cesta nie je zrejmá, prúd si nájde svoju vlastnú cestu a môže to byť veľká slučka, ktorá vyžaruje ako anténa.

Nalejte meď. Veľké uzemňovacie roviny znižujú impedanciu a poskytujú spätným prúdom cestu s nízkou indukčnosťou. Šitie priechodov spája lietadlá dohromady a znižuje rezonancie.

Pred niekoľkými rokmi som konzultoval so startupom vyrábajúcim akumulátory pre vysokozdvižné vozíky. Ich BMS fungovalo na lavičke výborne. Vo vysokozdvižnom vozíku sa to zbláznilo. Údaje o napätí poskočili. Výpočet SOC blúdil všade.

Vysokozdvižný vozík mal veľký jednosmerný motor s pohonom chopper. Zakaždým, keď chopper prepol, prúd v hlavných kábloch sa zmenil o niekoľko stoviek ampérov v priebehu niekoľkých mikrosekúnd. Magnetické pole z toho dI/dt sa spojilo do všetkého.

Ich opravným pokusom bolo pridať feritové guľôčky na snímacie linky. Neurobil nič. Rušenie sa magneticky spájalo do slučiek tvorených snímacími drôtmi. Ferity blokujú vedený šum, nie väzbu magnetického poľa.

Skončili sme tak, že sme previedli postroj zmyslov cez flexibilné vedenie a odviedli ho preč od hlavných káblov. Potom sme pridali krútený pár z každého kohútika bunky namiesto jednotlivých drôtov. Krútenie zmenšuje oblasť slučky, do ktorej sa môže magnetické pole pripojiť. Nakoniec sme spomalili vzorkovanie na čipe AFE, aby sa integroval počas viacerých cyklov rušenia. Hluk sa spriemeroval.

Celkové náklady na opravu sú asi tri doláre za balenie v extra drôte a potrubí. Nestálo by to nič, keby na to mysleli už pri pôvodnom návrhu.

Electromagnetic Compatibility

Ak kupujete batérie alebo dosky BMS, pred kúpou sa opýtajte na EMC.

Podľa akých noriem testovali? Požiadajte o skutočné protokoly o skúškach, nielen o certifikát. Správy zobrazujú nastavenie testu a limit na limit. Produkt, ktorý sotva prešiel, je jedna zmena dizajnu od zlyhania.

Pre aké elektromagnetické prostredie navrhli? BMS určený pre golfový vozík nemusí prežiť v tranzitnom autobuse s tromi trakčnými invertormi.

Testovali kompletný balík alebo len dosku? Kryt, vedenie a konektory menia EMC správanie. Testovanie holej dosky vám o konečnom produkte nepovie takmer nič.

Aký druh filtrovania a tienenia je zabudovaný? Ak je odpoveď „spoliehame sa na systémového integrátora, že to zvládne“, máte problém. Teraz ste zodpovední za dodržiavanie EMC a možno nemáte schopnosti alebo rozpočet, aby ste to urobili správne.

Bezdrôtové BMS prichádza. Namiesto toho, aby ste ku každej bunke viedli snímacie káble, umiestnite do každej skupiny buniek malý bezdrôtový modul a ten prenáša dáta späť do hlavného ovládača. Menej kabeláže. Jednoduchšie na obsluhu.

Teraz však vaše namerané údaje lietajú vzduchom v rádiovom signáli. Tento signál musí súťažiť so všetkým elektromagnetickým šumom z výkonovej elektroniky. Bezdrôtové pásma sú už preplnené. Videl som prototypy, kde bezdrôtové BMS stratilo komunikáciu počas prudkého zrýchlenia, pretože hluk meniča zablokoval prijímač.

Vyššie napätie všetko sťaží. Priemysel sa presúva na 800 V a viac pre rýchlejšie nabíjanie a menšie káble. Viac napätia znamená viac spínacej energie a viac EMI. Rovnaké techniky stále fungujú, ale musíte ich vykonávať lepšie.

Integrácia sa neustále zvyšuje. BMS a palubná nabíjačka a DC-konvertor jednosmerného prúdu sú natlačené v jednej krabici. Nižšia hmotnosť a náklady, ale viac príležitostí na interferenciu medzi funkciami. Analógové snímanie buniek musí prežiť v rovnakom kryte ako 10 kW spínacia nabíjačka.

EMC nezmizne. Každým rokom sa to zhoršuje, pretože elektronika je rýchlejšia a hustejšia a žiadame ich, aby pracovali v drsnejších prostrediach. Akumulátor je srdcom elektrického vozidla a jeho udržanie presnosti a spoľahlivosti napriek elektromagnetickej búrke okolo je to, o čom je práca EMC.