מהי תאימות אלקטרומגנטית?

15 שנים בעסק הזה ו-EMC עדיין נושכת לי בתחת לפחות פעמיים בשנה.

באביב האחרון הוזמנתי לפרויקט של חברה לייצור טנדרים. ה-BMS שלהם המשיך לזרוק תקלות מתח יתר בתא. לא ממש מתח יתר - התאים היו בסדר. IC הניטור קרא זבל. הם רדפו אחרי זה שלושה חודשים. החליף את שבבי AFE פעמיים. חיבר מחדש את רתמת החושים. שום דבר לא עבד.

לקח לי יומיים למצוא את זה. בקר המנוע שלהם עמד במרחק של שמונה עשר סנטימטרים מחבילת הסוללות. אין מיגון ביניהם. הבקר עבר ב-8 קילו-הרץ וכל קצה חובר ישר לקווי חישת מתח התא. החוטים פעלו כמו אנטנות. עשרים מילי-וולט של רעש המושרה במדידה שצריכה דיוק של מילי-וולט. ה-BMS ראה קוצים במתח שלא היו קיימים וסגר הכל.

זה EMC. תאימות אלקטרומגנטית. הדברים שלך צריכים לעקוף דברים אחרים מבלי שאחד מהם ידפוק את השני.

EMC מתפרקת לשני חלקים וצריך להתמודד עם שניהם.

פליטות פירושה הרעש שהמכשיר שלך מוציא. כל מעגל מיתוג מקרין. כל חוט עם זרם משתנה יוצר שדה מגנטי. ממיר DC-DC הפועל ב-200 קילו-הרץ מרסס אנרגיית RF לכל מקום. אם האנרגיה הזו חזקה מספיק, היא תוקעת את הרדיו בתא הנוסעים או משחית את הודעות ה-CAN bus או גורם לבקר ה-ABS לחשוב שהגלגלים ננעלים.

הרגישות היא הצד השני. כמה שטויות המכשיר שלך יכול לסבול לפני שהוא מפסיק לעבוד כמו שצריך. BMS צריך לקרוא את מתחי התא בצורה מדויקת כשהוא יושב ליד מהפך שפוגע באפיק ה-DC עם פולסים של 400 אמפר ב-10 קילו-הרץ. מעגלי החישה צריכים להתעלם מכל זה ועדיין למדוד את מתח התא בפועל.

רוב המהנדסים שאני פוגש חושבים על פליטות כי בזה מתמקדים הבדיקות הרגולטוריות. הם שוכחים רגישות עד שהמוצר נכשל בשטח. ואז כולם נבהלים.

סוללות עופרת-ישנות פשוט ישבו שם. הברגת אותם וחיברת שני כבלים. אולי היה לך שאנט למדידת זרם. זה היה זה.

בחבילות ליתיום יש אלקטרוניקה בכל מקום. ה-BMS מנטר כל תא. הוא מדבר עם חיישני טמפרטורה הפזורים בחבילה. הוא מתקשר עם הרכב באמצעות CAN או אוטובוס אחר. הוא שולט במגעים. הוא מחשב את מצב הטעינה ומצב הבריאות באמצעות אלגוריתמים התלויים במדידות מדויקות.

מדויק היא מילת המפתח. מדידת מתח תא שנסחפת ב-50 מילי-וולט מסירה את חישוב ה-SOC שלך. עשה זאת על פני מאה תאים והערכת הטווח שלך חסרת תועלת. הסחף אותו ב-100 מילי-וולט ואתה עלול להטעין תא יתר או להחמיץ מצב של תת-מתח.

חוטי החישה הם נקודת התורפה. הם רצים מכל ברז תא ללוח BMS. בחבילה גדולה שמשמעותה חוטים העוברים שני מטרים או יותר דרך סביבה מלאה ברעש אלקטרומגנטי. כל חוט קולט הפרעות. ככל שהחוט ארוך יותר כך הבעיה חמורה יותר.

עבדתי על מארז סוללות לאוטובוס שבו רתמת החוש רצה ממש לצד פסי האוטובוס הראשיים של DC. הסורגים נשאו 300 אמפר במהלך האצה. השדה המגנטי מאותו זרם הוליד אותות ברמת מילי-וולט- בחוטי החישה. ה-BMS חשב שהתאים קופצים למעלה ולמטה. הוא נכנס למצב הגנה והרג את האוטובוס בכביש המהיר.

Electromagnetic Compatibility

מצבי הכשל מכוערים.

נסיעות שווא של מתח יתר הן שכיחות. רעש מוסיף למתח התא האמיתי וה-BMS חושב שהתא נמצא ב-4.3V כאשר הוא למעשה ב-4.1V. ההגנה נכנסת והמערכת נכבית. המפעיל רואה קוד תקלה שאינו הגיוני כי התאים בסדר.

תת מתח מזויף גרוע יותר. ה-BMS חושב שתא נמוך ממה שהוא באמת. זה ממשיך לפרוק מעבר לגבול הבטוח. נזק אמיתי קורה.

שגיאות תקשורת מבלבלות דברים אחרת. ערכת סוללות עשויה לכלול שישה או שמונה לוחות ניטור-משורשרים על אפיק isoSPI. האוטובוס הזה נוסע במהירות של כמה מגה-הרץ. EMI משחית מנה ופתאום לבקר הראשי יש נתונים גרועים עבור שישה עשר תאים. זה נכבה? האם הוא משתמש בקריאה הטובה האחרונה? האם זה עושה אינטרפולציה? לכל אפשרות יש בעיות.

מדידת הטמפרטורה פגומה מדי. תרמיסטורי NTC מייצרים אותות זעירים. כמה מילי-וולט של רעש נראה כמו תנודת טמפרטורה של עשרים מעלות. ה-BMS עשוי להפעיל קירור שאינו נחוץ או להחמיץ בריחת תרמית שמתחילה.

קיימים סטנדרטים רגולטוריים אבל הם בלגן של דרישות חופפות.

FCC Part 15 מכסה פליטות בצפון אמריקה. הוא מגדיר גבולות לכמה אנרגיית RF המוצר שלך יכול לרסס לאוויר. המגבלות תלויות אם אתה מוכר לצרכנים או למשתמשים תעשייתיים. התעשייתי נהיה רפוי יותר.

עבור כלי רכב אתה מתמודד גם עם CISPR 25 ו-CISPR 12. אלו הם תקנים בינלאומיים שרוב המדינות מאמצות עם שינויים קלים. הם מציינים שיטות בדיקה ומגבלות לפליטות מנוהלות ומוקרנות מכלי רכב ורכיבי רכב.

תו ה-CE האירופי מחייב עמידה בהנחיית ה-EMC. זה בדרך כלל אומר עמידה ב-EN 55032 עבור פליטות ו-EN 55035 עבור חסינות. עבור דברים לרכב, אתה מתייחס ל-EN 50498 במקום זאת.

אז לכל יצרנית יצרן מכוניות יש את המפרט שלו בשכבות למעלה. לפורד יש את הקטע שלהם. ל-GM יש עוד אחד. לפולקסווגן יש ספר שלם. אלה בדרך כלל מחמירים יותר מהמינימום הרגולטורי וכוללים בדיקות חסינות שהתקנות בקושי נוגעות בהן.

לעבור את כל הבדיקות האלה עולה כסף וזמן. הסמכת EMC מלאה ל-BMS לרכב עולה בין 30,000 ל-50,000 דולר ולוקחת שלושה עד ארבעה שבועות של זמן תא. אם אתה נכשל אתה חוזר לתקן דברים ולבדוק שוב. ראיתי תוכניות נשרפות שישה חודשים ו-$200,000 בבדיקות EMC לפני שהן קיבלו אישור.

Electromagnetic Compatibility

מיגון הוא הכלי הקהה. שים קופסת מתכת סביב הדברים הרגישים ורוב ההפרעות לא יכולות להיכנס פנימה. הקופסה צריכה להיות רציפה. תפרים דולפים. דליפת חורים למחברים. חריצי אוורור הם בעצם חלונות לאנרגיית RF.

מיגון אמיתי פירושו אטמים מוליכים בכל תפר. זה אומר מחברים מסוננים או קבלי הזנה בכל נקודת כניסת חוט. זה אומר שאין חריצים יותר מעשירית מאורך הגל בתדירות הדאגה הגבוהה ביותר שלך. האחרון הזה מעיף אנשים. אם אכפת לך מהפרעות של 1 GHz החריצים שלך צריכים להיות פחות מ-30 מילימטרים. בהצלחה להעביר אוויר קירור דרך זה.

ידיות סינון הובילו הפרעות. אתה שם משרנים וקבלים במקומות הנכונים כדי לחסום רעש בתדר גבוה תוך העברת האותות או הכוח שאתה בעצם רוצה. מסנן מצב דיפרנציאלי מטפל ברעשים העוברים במורד חוט אחד ובחזרה בשני. משנק במצב נפוץ מטפל ברעש הנוסע באותו כיוון בשני החוטים.

עיצוב המסנן הוא מסובך. העכבה של המקור והעומס חשובה. מסנן שבודק מצוין על הספסל עשוי לא לעשות דבר במערכת בפועל מכיוון שהעכבות שונות. ראיתי מהנדסים מראים לי בגאווה את סכימת הסינון שלהם ואז תוהה מדוע מדידות הרעש לא השתנו. הם תכננו למערכת של 50 אוהם וחיברו אותה למשהו שנראה כמו 5 אוהם בתדרים שאכפת להם מהם.

אסטרטגיית הארקה היא המקום שבו חי הוודו האמיתי. למארז הסוללות יש קטעי מתח גבוה ומתח נמוך. צד ה-HV כולל את התאים והמגעים הראשיים ומעגל הטעינה מראש. בצד ה-LV יש ממשק BMS ו-CAN ולפעמים ממירי DC-DC מבודדים. שתי מערכות הארקה אלו צריכות להתחבר בדיוק בנקודה אחת. חיבורים נוספים יוצרים לולאות. לולאות קולטות הפרעות.

מציאת הנקודה הנכונה היא אמנות. זה תלוי היכן זורם הזרם והיכן מתרחשות המדידות הרגישות והיכן חיים מקורות הרעש. כל פריסה שונה. הלוואי שיכולתי לתת לך נוסחה אבל אין כזו.

בתוך ה-BMS פריסת ה-PCB מייצרת או שוברת ביצועי EMC.

הרחק דברים דיגיטליים במהירות גבוהה ממעגלי מדידה אנלוגיים. המעבד ומקלט ה-CAN וכל ווסת מיתוג מרססים רעש. כניסות מתח התא ומעגלי מדידת הטמפרטורה רגישים. מרחק פיזי עוזר. הפסקות במטוס הקרקע בין הקטעים עוזרות יותר.

נתב זוגות דיפרנציאליים יחד ושמור אותם קצרים. קווי החישה מברזי התא צריכים להיכנס ללוח קרוב ככל האפשר לשבב AFE. עקבות ארוכים יותר קולטים יותר הפרעות.

שימו לב לנתיבי החזרה שלכם. הזרם צריך לזרום בלולאה. האות יוצא על עקבות אחד וחוזר על אחר. אם נתיב החזרה אינו ברור, הזרם מוצא את דרכו והדרך הזו עשויה להיות לולאה גדולה שמקרינה כמו אנטנה.

יוצקים נחושת. מטוסי הארקה גדולים מפחיתים עכבה ומעניקים לזרמי החזרה נתיב השראות נמוך. חיבורי תפירה קושרים את המטוסים יחד ומפחיתים תהודה.

לפני כמה שנים התייעצתי עם סטארטאפ שמייצר מארזי סוללות למלגזות. ה-BMS שלהם עבד מצוין על הספסל. במלגזה זה השתגע. קריאות מתח קפצו מסביב. חישוב ה-SOC נדד לכל עבר.

למלגזה היה מנוע DC גדול עם כונן צ'ופר. בכל פעם שהמצ'ופר החליף הזרם בכבלים הראשיים השתנה בכמה מאות אמפר תוך כמה מיקרו שניות. השדה המגנטי מאותו dI/dt התחבר לכל דבר.

ניסיון התיקון שלהם היה להוסיף חרוזי פריט על קווי החישה. לא עשה כלום. ההפרעה התחברה מגנטית ללולאות שנוצרו על ידי חוטי החישה. פריטים חוסמים רעש מוליך ולא צימוד שדה מגנטי.

בסופו של דבר הרצנו את רתמת החישה דרך צינור גמיש וניתבנו אותה הרחק מהכבלים הראשיים. אחר כך הוספנו זוג מעוות מכל ברז תא במקום חוטים בודדים. פיתול מפחית את שטח הלולאה שהשדה המגנטי יכול להתחבר אליו. לבסוף האטנו את הדגימה בשבב ה-AFE כך שהוא השתלב לאורך יותר מחזורים של ההפרעה. הרעש הגיע לממוצע.

עלות התיקון הכוללת כשלושה דולרים לחבילה בחוט ובצינור נוסף. לא היה עולה כלום אם היו חושבים על זה במהלך העיצוב המקורי.

Electromagnetic Compatibility

אם אתה קונה ערכות סוללות או לוחות BMS שאל על EMC לפני שאתה קונה.

לפי אילו סטנדרטים הם בדקו? בקשו את דוחות הבדיקה בפועל לא רק תעודה. הדוחות מציגים את הגדרת הבדיקה ואת המרווח עד הקצה. מוצר שבקושי עבר הוא שינוי עיצובי אחד מכישלון.

לאיזו סביבה אלקטרומגנטית הם תכננו? BMS המיועד לעגלה גולף עשוי שלא לשרוד באוטובוס טרנזיט עם שלושה ממירי משיכה.

האם הם בדקו את החבילה השלמה או רק את הלוח? הדיור והחיווט והמחברים משנים את התנהגות ה-EMC. בדיקת לוח חשוף לא אומרת לך כמעט דבר על המוצר המוגמר.

איזה סוג של סינון וסיכוך מובנה? אם התשובה היא "אנחנו סומכים על אינטגרטור המערכת שיטפל בזה" יש לך בעיה. כעת אתה אחראי לתאימות EMC וייתכן שאין לך את הכישורים או התקציב לעשות זאת נכון.

BMS אלחוטי מגיע. במקום להפעיל חוטי חישה לכל תא אתה שם מודול אלחוטי קטן בכל קבוצת תאים והוא מעביר את הנתונים בחזרה לבקר הראשי. פחות חיווט. קל יותר לשירות.

אבל עכשיו נתוני המדידה שלך עפים באוויר באות רדיו. האות הזה צריך להתחרות עם כל הרעש האלקטרומגנטי של האלקטרוניקה. הרצועות האלחוטיות כבר עמוסות. ראיתי אבות טיפוס שבהם ה-BMS האלחוטי איבד את התקשורת במהלך האצה קשה בגלל שרעש המהפך נתקע את המקלט.

מתחים גבוהים יותר מקשים על הכל. התעשייה עוברת ל-800V ומעלה לטעינה מהירה יותר וכבלים קטנים יותר. יותר מתח פירושו יותר אנרגיית מיתוג ויותר EMI. אותן טכניקות עדיין עובדות אבל אתה צריך לבצע אותן טוב יותר.

האינטגרציה ממשיכה להתגבר. ה-BMS והמטען המשולב וממיר ה-DC-דחוס כולם בקופסה אחת. פחות משקל ועלות אבל יותר הזדמנויות להפרעה בין פונקציות. חישת התא האנלוגי חייבת לשרוד באותו מארז כמו מטען מיתוג של 10 קילוואט.

EMC לא נעלם. זה מחמיר מדי שנה ככל שהאלקטרוניקה נעשית מהירה יותר וצפופה יותר ואנו מבקשים מהם לעבוד בסביבות קשות יותר. מארז הסוללות הוא לב ליבו של הרכב החשמלי ושמירה עליו מדויקת ואמינה למרות הסערה האלקטרומגנטית סביבו היא מה שעובדת ה-EMC.