التوافق الكهرومغناطيسي في المركبات الكهربائية

عندما يمر التيار عبر موصل فإنه يخلق مجالات كهرومغناطيسية وتقريبا جميع الأجهزة الإلكترونية مثل أجهزة التلفاز والغسالات وموقد الحث وإشارات المرور والهواتف المحمولة وأجهزة الصراف الآلي وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وما إلى ذلك ، سوف تنبعث منها المجالات الكهرومغناطيسية. تعاني المركبات التي تعمل بالوقود الأحفوري أيضًا من التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) - يتسبب نظام الإشعال ومحرك بدء التشغيل والمفاتيح في حدوث التداخل الكهرومغناطيسي عريض النطاق والأجهزة الإلكترونية التي تتسبب في تضييق النطاق التداخل الكهرومغناطيسي. ولكن بالمقارنة مع مركبات ICE (محرك الاحتراق الداخلي) ، فإن المركبات الكهربائية هي مزيج من أنظمة فرعية ومكونات إلكترونية مختلفة مثل البطارية ، BMS ، محول DC-DC ، العاكس ، المحرك الكهربائي ، الكابلات عالية الطاقة الموزعة حول السيارة وأجهزة الشحن ، كل هذه تعمل بمستويات عالية من الطاقة والتردد مما يتسبب في انبعاث EMI عالي المستوى منخفض التردد.

إذا لاحظنا معدلات الطاقة والجهد للمركبات الكهربائية المتاحة ، فإن معدلات الطاقة تتراوح بين بضع عشرات من KW إلى مئات KW بينما تكون معدلات الجهد بمئات الفولتات بحيث تكون المستويات الحالية بمئات الأمبيرات ، مما يؤدي إلى مجالات مغناطيسية أقوى

• نيسان ليف لديها محرك خلفي 125 كيلو واط يعمل على 400 فولت _{تيار مستمر}
• BMW i3 لديها محرك خلفي 125 كيلو واط يعمل على 500 فولت _{تيار مستمر}
• طراز Tesla S مزود بقدرة 235 كيلو وات للدفع الخلفي يعمل على 650 فولت _{تيار مستمر}
• تويوتا بريوس (الجيل الثالث) لديها 74 كيلو واط محرك أمامي يعمل على 400 فولت _{تيار مستمر}
• تويوتا بريوس PHV لديها محرك أمامي بقوة 60 كيلوواط يعمل على 350 فولت _{تيار مستمر}
• شيفروليه فولت PHV لديها محرك أمامي بقدرة 55 كيلو واط (x2) يعمل على 400 فولت _{تيار مستمر}

دعنا نفكر في سيارة كهربائية بمحرك كهربائي 100KW يعمل عند 400 فولت يعني أن لديها تيار 250 أمبير مما يخلق مجالًا مغناطيسيًا قويًا. أثناء تصميم السيارة ، يتعين علينا تقييم التوافق الكهرومغناطيسي (EMC) لجميع هذه الأنظمة الفرعية والمكونات لضمان سلامة المكونات إلى جانب سلامة الكائنات الحية.

المصطلحات والتعريفات المتعلقة بـ EMC و EMI

EMC (التوافق الكهرومغناطيسي) لجهاز أو جهاز يعني قدرته على عدم التأثر بالمجال الكهرومغناطيسي (EMF) وعدم التأثير على تشغيل الأنظمة الأخرى مع EMF عندما يعمل في بيئة كهرومغناطيسية يمثل التوافق الكهرومغناطيسي قضايا الانبعاث الكهرومغناطيسي والحساسية والمناعة والاقتران.

الانبعاث الكهرومغناطيسي يعني توليد وإطلاق الطاقة الكهرومغناطيسية في البيئة. يتسبب أي انبعاث غير مرغوب فيه في حدوث تداخل أو اضطراب في تشغيل الأجهزة الإلكترونية الأخرى التي تعمل في نفس البيئة ، أي المعروفة باسم التداخل الكهرومغناطيسي (EMI).

تشير الحساسية الكهرومغناطيسية للجهاز إلى قابليته للتأثر بالانبعاثات غير المرغوب فيها والتداخل الذي يتسبب في عطل الجهاز أو تعطله. إذا كان الجهاز أكثر حساسية ، فهذا يعني أنه أقل مناعة ضد التداخل الكهرومغناطيسي.

تعني المناعة الكهرومغناطيسية لجهاز ما قدرته على العمل بشكل طبيعي في وجود بيئة كهرومغناطيسية دون التعرض للتداخل أو الانهيار بسبب الانبعاثات الكهرومغناطيسية من جهاز إلكتروني آخر.

اقتران كهرومغناطيسي يعني آلية المجال الكهرومغناطيسي المنبعث لجهاز واحد الذي يصل إلى جهاز آخر أو يتداخل معه.

مصادر التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) في EV

• من المعروف أن محولات الطاقة هي المصدر الرئيسي للتداخل الكهرومغناطيسي داخل أنظمة القيادة الكهربائية. تحتوي هذه الأجهزة على جهاز تبديل عالي السرعة ، على سبيل المثال ، تعمل الترانزستورات التقليدية ثنائية القطب المعزولة للبوابة (IGBT) بترددات تتراوح من 2 إلى 20 كيلو هرتز ، ويمكن أن تعمل IGBTs السريعة حتى 50 كيلو هرتز ويمكن أن تعمل SiC MOSFETs بترددات أعلى من 150 كيلو هرتز.
• المحركات الكهربائية التي تعمل بمستويات طاقة عالية تسبب انبعاثات كهرومغناطيسية وتعمل كمسار لضوضاء EM من خلال معاقتها وتتغير هذه المقاومة كدالة للتردد. نظرًا لأن محركات المحركات الكهربائية تستخدم محولات الطاقة مع عملية تبديل PWM عالية السرعة ، تحدث زيادة في الفولتية في أطراف المحرك ، مما يتسبب في ضوضاء EM المشعة. وقد يتسبب تيار العمود في تلف محامل المحرك وخلل في جهاز التحكم في السيارة.
• عندما يتم توزيع بطاريات الجر ، تصبح التيارات الموجودة في البطاريات وفي الموصلات مصدرًا مهمًا لانبعاثات EMF وهي جزء رئيسي من مسار EMI.
• الكابلات المحمية وغير المحمية التي تحمل تيارًا عالي المستوى بين أنظمة فرعية مختلفة مثل البطارية إلى محول الطاقة ومحول الطاقة إلى المحرك وما إلى ذلك ، في EV تسبب مجالات مغناطيسية أقوى. نظرًا لأن المساحة المتوفرة في EV لتسخير الأسلاك محدودة ، يتم وضع كابلات الجهد العالي والجهد المنخفض بالقرب من بعضها البعض مما يؤدي إلى حدوث تداخل كهرومغناطيسي بينهما.
• تعتبر شواحن البطاريات ومرافق الشحن اللاسلكي مصادر EMI الخارجية الرئيسية بصرف النظر عن مصدر EMI الداخلي EV. عند تطبيق تقنية الطاقة اللاسلكية لشحن EV ، ينتج مجال مغناطيسي قوي يتراوح بين عدة عشرات إلى مئات الكيلوهرتز لنقل عدة كيلووات إلى عشرات كيلوواط من الطاقة.

تأثير التداخل الكهرومغناطيسي على المكونات الإلكترونية للمركبة الكهربائية

في الوقت الحاضر مع التقدم التكنولوجي ، تحتوي السيارات على المزيد من المكونات والأنظمة الإلكترونية للتشغيل السليم والموثوقية. إذا رأينا بنية السيارة الكهربائية ، فقد تم وضع كمية كبيرة من الأنظمة الكهربائية والإلكترونية في مكان مغلق. هذا يسبب تداخلًا كهرومغناطيسيًا أو تقاطعًا بين هذه الأنظمة. إذا لم تتم صيانة التوافق الكهرومغناطيسي بشكل صحيح ، فقد تتعطل هذه الأنظمة أو قد تفشل في العمل.

EMC

يتم وضع معظم معايير EMC للسيارات من قبل جمعية مهندسي السيارات (SAE) ، ومنظمة المعايير الدولية (ISO) ، واللجنة الكهروتقنية الدولية (IEC) ، ومعهد جمعية معايير مهندسي الكهرباء والإلكترونيات ( IEEE -SA) ، و الجماعة الأوروبية (EC) ولجنة الأمم المتحدة الاقتصادية لأوروبا (UNECE).

تحدد المواصفة القياسية ISO 11451 الشروط العامة والإرشادات والمبادئ الأساسية لاختبار السيارة لتحديد مناعة محرك الاحتراق الداخلي والسيارات الكهربائية من الاضطرابات الكهربائية المشعة ذات النطاق الضيق EMF

تحدد المواصفة القياسية ISO 11452 الشروط العامة والإرشادات والمبادئ الأساسية لاختبار المكون لتحديد مناعة المكونات الإلكترونية لمحركات الاحتراق الداخلي والمركبات الكهربائية من الاضطرابات الكهربائية المشعة ذات النطاق الضيق EMF

تحدد CISPR12 حدود وطرق القياس لاختبار الانبعاثات الكهرومغناطيسية المشعة من المركبات الكهربائية ومركبات ICE والقوارب.

تحدد CISPR25 الحدود والطرق لقياس خصائص الاضطراب الراديوي وإجراء اختبار السيارة لتحديد مستويات RI / RE لحماية أجهزة الاستقبال المستخدمة على متن المركبات.

SAE J551 -1 يحدد مستويات الأداء وطرق قياس EMC المركبات والأجهزة (60HZ-18GHz).

SAE J551 -2 يحدد اختبار حدود وطرق قياس اضطراب الراديو (الانبعاث) خصائص المركبات، بخارية، ومحرك-أشعلت شرارة وانطلاقا الأجهزة.

تحدد SAE J551-4 حدود الاختبار وطرق قياس خصائص اضطراب الراديو للمركبات والأجهزة ، والنطاق العريض والنطاق الضيق ، من 150 كيلو هرتز إلى 1000 ميجا هرتز.

تحدد SAE J551-5 مستويات الأداء وطرق قياس شدة المجال المغناطيسي والكهربائي من السيارات الكهربائية ، من 9 كيلو هرتز إلى 30 ميجا هرتز.

تحدد SAE J551-11 مصدر السيارة للمناعة الكهرومغناطيسية.

SAE J551- 13 يحدد مركبة الكهرومغناطيسي الحصانة السائبة حقن الحالي.

SAE J551- 15 يحدد مركبة الكهرومغناطيسي التفريغ الحصانة كهرباء والتي سوف يتم ذلك في غرفة محمية.

تحدد SAE J551- 17 المجالات المغناطيسية لخط طاقة المناعة الكهرومغناطيسية للمركبة.

2004/144 EC - يحدد الملحق الرابع طريقة قياس انبعاثات النطاق العريض المشعة من المركبات.

2004/144 EC - يحدد الملحق الخامس طريقة قياس الانبعاثات المشعة ضيقة النطاق من المركبات.

2004/144 EC - يحدد الملحق السادس طريقة اختبار مناعة المركبات من الإشعاع الكهرومغناطيسي.

يوفر AIS-004 (الجزء 3) متطلبات التوافق الكهرومغناطيسي في مركبات السيارات.

AIS-004 (الجزء 3) يوضح الملحق 2 طريقة قياس البث الكهرومغناطيسي المشع من المركبات.

AIS-004 (الجزء 3) يوضح الملحق 3 طريقة قياس البث الكهرومغناطيسي المشع ضيق النطاق من المركبات.

AIS-004 (الجزء 3) الملحق 4 يوضح طريقة اختبار مناعة المركبات للإشعاع الكهرومغناطيسي.

AIS-004 (الجزء 3) يوضح الملحق 5 طريقة قياس الانبعاثات الكهرومغناطيسية ذات النطاق العريض المشع من التجميعات الفرعية الكهربائية / الإلكترونية.

AIS-004 (الجزء 3) يوضح الملحق 6 طريقة قياس البث الكهرومغناطيسي المشع ضيق النطاق من التجميعات الفرعية الكهربائية / الإلكترونية.

حدود تعرض المجالات الكهرومغناطيسية للبشر

تنتج المركبات الكهربائية إشعاعات كهرومغناطيسية غير مؤينة لا تؤثر على صحة الإنسان عند التعرض لوقت قصير. ولكن بالنسبة للتعرض لفترة طويلة ، إذا كان المجال المغناطيسي المشع أكثر من الحدود القياسية ، فإنه يؤثر على صحة الإنسان. لذلك ، أثناء تصميم السيارة الكهربائية ، يجب مراعاة المخاطر المتعلقة بالتعرض للمجال المغناطيسي.

يؤثر التعرض الكهرومغناطيسي للركاب على التكوينات المختلفة ومستويات الطاقة وطوبولوجيا السيارة الكهربائية مثل الدفع بالعجلات الأمامية أو الدفع الخلفي ووضع البطارية والمسافة بين معدات الطاقة للركاب وما إلى ذلك.

من خلال النظر في الآثار الضارة المحتملة لتعرض الإنسان للمجالات الكهرومغناطيسية المنظمات الدولية ، بما في ذلك منظمة الصحة العالمية (WHO) واللجنة الدولية للحماية من الإشعاع غير المؤين (ICNIRP) ، توجيهات الاتحاد الأوروبي ، IEEE حددت حدودًا للحد الأقصى المسموح به من تعرض المجال المغناطيسي إلى عامة.

التردد (هرتز)	المجالات المغناطيسية H (AM -1)	كثافة التدفق المغناطيسي B (T)
<0.153 هرتز	9.39 × 10 4	118 × 10 -3
0.153 - 20 هرتز	1.44 × 10 4 / ف	18.1 × 10-3 / ف
20-759 هرتز	719	0.904 × 10 -3
759 هرتز - 3 كيلو هرتز	5.47 × 105 / ف	687 × 10 -3 / ف

يوجد أدناه الجدول الذي يوضح مستويات المجال المغناطيسي القصوى المسموح بها لعامة الناس وفقًا لمعيار IEEE

المهني يعني الأشخاص الذين يتعرضون لـ EMF أثناء قيامهم بأنشطتهم الوظيفية المعتادة.

الجمهور العام يعني بقية الجمهور بخلاف المهنيين المعرضين للمجالات الكهرومغناطيسية

ليس لقيم التوجيه أي آثار صحية ضارة في ظل ظروف العمل العادية وللأشخاص الذين ليس لديهم أي جهاز طبي مزروع أو حامل. هذه تتوافق مع شدة المجال.

تسبب قيمة الإجراء بعض التأثيرات التي تتعرض لها هذه المستويات. هذه تتوافق مع الحد الأقصى للحقل القابل للقياس مباشرة.

• في الأساس قيمة الإجراء أعلى من قيمة الاتجاه.
• قيم التعرض العام المهني أعلى من تلك الخاصة بمستوى التعرض العام.

اختبارات التوافق الكهرومغناطيسي

يجب إجراء اختبار EMC للتحقق مما إذا كانت السيارة الكهربائية تتبع المعايير المطلوبة أم لا . يتم إجراء الاختبارات المعملية واختبارات الطريق على السيارة الكهربائية لتقييم التوافق الكهرومغناطيسي. تتكون هذه الاختبارات من اختبارات الانبعاثات والقابلية والحصانة.

يتم إجراء الاختبارات المعملية لتحديد خصائص انبعاثات المجال المغناطيسي والحساسية من جميع المعدات الكهربائية الموجودة على متن الطائرة في غرفة اختبار EMC. هذه الغرف هي أنواع عديمة الصدى وذات صدى.

لإجراء اختبار الانبعاثات ، تشمل المحولات شبكة تثبيت مقاومة الخط (LISN) أو الشبكة الرئيسية الاصطناعية (AMN). ل اختبار الانبعاثات يشع ، وتستخدم الهوائيات محولات الطاقة. يتم قياس الانبعاثات المشعة في جميع الاتجاهات حول الجهاز قيد الاختبار (DUT).

يستخدم اختبار الحساسية مصدرًا عالي الطاقة لطاقة RF EM وهوائي مشع لتوجيه الطاقة الكهرومغناطيسية إلى DUT. أثناء إجراء الاختبار على السيارة الكهربائية باستثناء الجهاز قيد الاختبار (DUT) ، سيتم إيقاف تشغيل كل شيء ثم سيتم قياس المجال المغناطيسي.

يتم إجراء الاختبارات الخارجية في عالم حقيقي على ظروف القيادة على الطرق. في هذه الاختبارات ، تحتاج السيارة التي تخضع للاختبار إلى القيادة بأقصى قدر من التسارع والتباطؤ لضمان أقصى تيار أثناء الجر والكبح المتجدد. سيتم إجراء هذه الاختبارات على طريق مستقيم حيث تكون المجالات المغناطيسية الناتجة عن الأرض ثابتة وفي بعض الحالات على طرق شديدة الانحدار. أثناء إجراء اختبارات الطريق ، يتعين علينا تحديد الاضطرابات المغناطيسية الخارجية من مصادر خارجية مثل خطوط السكك الحديدية وأغطية غرف التفتيش والسيارات الأخرى ومعدات توزيع الطاقة وخطوط النقل عالية الجهد ومحولات الطاقة.

إرشادات التصميم لتحسين EMC وخفض EMI

• يجب أن تصنع كبلات التيار المستمر التي تحمل تيارات عالية في شكل ملتوي بحيث يؤدي تدفق التيار في هذا الكبل في الاتجاه المعاكس إلى تقليل انبعاثات EMF.
• يجب أن تكون كبلات التيار المتردد ثلاثية الطور ملتوية وتحتاج إلى وضعها في أقرب مكان ممكن لتقليل انبعاثات EMF منها.
• وجميع كابلات الطاقة هذه تحتاج إلى وضعها بعيدًا قدر الإمكان عن منطقة مقعد الراكب. ويجب ألا تشكل هذه الوصلات حلقة.
• إذا كانت المسافة بين مقاعد الراكب والكابل أقل من 200 مم ، فيجب اعتماد الحماية.
• يجب وضع المحركات بعيدًا عن منطقة مقعد الراكب ويجب ألا يشير محور دوران المحرك إلى منطقة مقعد الراكب.
• نظرًا لأن الفولاذ له تأثير تدريع أفضل ، إذا سمح الوزن بدلاً من الألومنيوم ، فيجب استخدام الغلاف المعدني الفولاذي للمحرك.
• إذا كانت المسافة بين المحرك ومنطقة مقعد الراكب أقل من 500 مم ، فيجب استخدام درع مثل اللوحة الفولاذية بين المحرك ومنطقة مقعد الراكب.
• يجب تأريض مبيت المحرك بالهيكل بشكل صحيح لتقليل أي جهد كهربائي.
• لتقليل طول الكبل بين العاكس والمحرك ، تم تركيبهم في أقرب مكان ممكن من بعضهم البعض.
• لقمع الجهد الزائد ، يجب توصيل تيار العمود والضوضاء المشعة بجهاز التحكم في ضوضاء EMI بأطراف المحرك.
• يجب دمج مرشح EMI الرقمي النشط في وحدة التحكم الرقمية لمحول DC-DC لشحن بطارية الجهد المنخفض ولتوفير توهين كبير لـ EMI.
• لقمع EMI أثناء الشحن اللاسلكي ، تم تطوير التدريع التفاعلي الرنان. هنا يمر المجال المغناطيسي للتسرب عبر ملفات درع الرنين التفاعلي بطريقة تمكن EMF المستحث في كل ملف درع من إلغاء EMF الحادث ويمكن منع تسرب المجال المغناطيسي بشكل فعال دون استهلاك طاقة إضافية.
• تم تطوير تقنيات التدريع التوصيلي والدرع المغناطيسي والتدريع النشط لحماية انبعاث المجال الكهرومغناطيسي من نظام WPT.
• تم تطوير وحدة تحكم في ضوضاء EMI للمركبات الكهربائية ، والتي يتم توصيلها بأطراف المحرك لقمع الجهد الزائد ، وتيار العمود والضوضاء المشعة.