Wat is elektromagnetische compatibiliteit?

Vijftien jaar in deze business en EMC bijt me nog steeds minstens twee keer per jaar in mijn kont.

Afgelopen voorjaar werd ik ingeschakeld voor een project bij een bedrijf dat bestelauto's maakt. Hun BMS bleef foutmeldingen geven over celoverspanning. Geen echte overspanning - de cellen waren in orde. Het bewakings-IC was afval aan het lezen. Drie maanden lang waren ze hier op jacht. De AFE-chips twee keer vervangen. Het sensorharnas opnieuw bedraad. Niets werkte.

Het kostte me twee dagen om het te vinden. Hun motorcontroller zat achttien centimeter van het batterijpakket. Geen afscherming ertussen. De controller schakelde op 8 kHz en elke flank werd rechtstreeks gekoppeld aan de detectielijnen voor de celspanning. De draden fungeerden als antennes. Twintig millivolt geïnduceerde ruis op een meting die millivoltnauwkeurigheid vereist. Het BMS zag spanningspieken die er niet waren en schakelde alles uit.

Dat is EMC. Elektromagnetische compatibiliteit. Je spullen moeten om andere dingen heen werken, zonder dat de een de ander verpest.

EMC valt in twee stukken uiteen en je hebt met beide te maken.

Emissies betekent het geluid dat uw apparaat voortbrengt. Elk schakelcircuit straalt. Elke draad met veranderende stroom creëert een magnetisch veld. Een DC-DC-converter die op 200 kHz werkt, verspreidt RF-energie overal. Als die energie sterk genoeg is, blokkeert het de radio in de cabine of corrumpeert het de CAN-busberichten of laat het de ABS-controller denken dat de wielen blokkeren.

Gevoeligheid is de andere kant. Hoeveel rotzooi kan uw apparaat verdragen voordat het niet meer goed werkt. Een GBS moet de celspanningen nauwkeurig aflezen terwijl hij naast een omvormer zit die de DC-bus beukt met pulsen van 400 ampère bij 10 kHz. De detectiecircuits moeten dat allemaal negeren en toch de werkelijke celspanning meten.

De meeste ingenieurs die ik ontmoet, denken aan emissies, omdat dat is waar de wettelijke tests zich op concentreren. Ze vergeten de gevoeligheid totdat het product in het veld faalt. Dan raakt iedereen in paniek.

Oude lood{0}}zuuraccu's stonden daar gewoon. Je hebt ze vastgeschroefd en twee kabels aangesloten. Misschien had je een shunt voor stroommeting. Dat was het.

Lithiumpakketten hebben overal elektronica. Het GBS bewaakt elke cel. Het praat met temperatuursensoren verspreid over het peloton. Het communiceert met het voertuig via CAN of een andere bus. Het bestuurt contactors. Het berekent de laadtoestand en de gezondheidstoestand met behulp van algoritmen die afhankelijk zijn van nauwkeurige metingen.

Nauwkeurig is het sleutelwoord. Een celspanningsmeting die 50 millivolt afwijkt, gooit uw SOC-berekening in de war. Doe dat over honderd cellen en uw schatting van het bereik is nutteloos. Als u de spanning met 100 millivolt afdrijft, kunt u een cel overladen of een onderspanningstoestand missen.

De detectiedraden zijn het zwakke punt. Ze lopen van elke celkraan naar het GBS-bord. In een groot pakket betekent dat draden die twee meter of langer door een omgeving vol elektromagnetische ruis lopen. Elke draad pikt interferentie op. Hoe langer de draad, hoe erger het probleem.

Ik werkte aan een busbatterijpakket waarbij het sensorharnas vlak langs de DC-busrails liep. De staven droegen 300 ampère tijdens het accelereren. Het magnetische veld van die stroom induceerde millivolt-niveausignalen in de detectiedraden. Het BMS dacht dat de cellen op en neer stuiterden. Het ging in de beschermingsmodus en doodde de bus op de snelweg.

Electromagnetic Compatibility

De faalmodi zijn lelijk.

Valse overspanningstrips komen vaak voor. Ruis draagt bij aan de werkelijke celspanning en het GBS denkt dat de cel 4,3 V bedraagt, terwijl deze in werkelijkheid 4,1 V bedraagt. De beveiliging treedt in werking en het systeem wordt uitgeschakeld. De operator ziet een foutcode die nergens op slaat, omdat de cellen in orde zijn.

Valse onderspanning is erger. Het BMS denkt dat een cel lager is dan hij in werkelijkheid is. Het blijft ontladen voorbij de veilige limiet. Er ontstaat echte schade.

Communicatiefouten verpesten de zaken anders. Een batterijpakket kan bestaan uit zes of acht bewakingskaarten die in serie- zijn geschakeld op een isoSPI-bus. Die bus rijdt op een paar megahertz. EMI corrumpeert een pakket en plotseling heeft de hoofdcontroller slechte gegevens voor zestien cellen. Sluit het af? Maakt het gebruik van de laatste goede meting? Interpoleert het? Elke optie kent problemen.

De temperatuurmeting raakt ook beschadigd. NTC-thermistors produceren kleine signalen. Een paar millivolt geluid lijkt op een temperatuurschommeling van twintig graden. Het GBS kan koeling inschakelen die niet nodig is, of een thermische runaway missen die begint.

Er bestaan regelgevingsnormen, maar die zijn een wirwar van overlappende vereisten.

FCC Deel 15 heeft betrekking op de emissies in Noord-Amerika. Het stelt grenzen aan de hoeveelheid RF-energie die uw product in de lucht kan spuiten. De limieten zijn afhankelijk van of u aan consumenten of industriële gebruikers verkoopt. Industrieel krijgt meer speling.

Voor voertuigen heb je ook te maken met CISPR 25 en CISPR 12. Dit zijn internationale normen die de meeste landen met kleine aanpassingen overnemen. Ze specificeren testmethoden en grenswaarden voor geleide en uitgestraalde emissies van voertuigen en voertuigonderdelen.

De Europese CE-markering vereist naleving van de EMC-richtlijn. Dat betekent meestal dat moet worden voldaan aan EN 55032 voor emissies en EN 55035 voor immuniteit. Voor auto-artikelen verwijst u in plaats daarvan naar EN 50498.

Vervolgens heeft elke auto-OEM zijn eigen specificaties erbovenop. Ford heeft zijn ding. GM heeft er nog een. VW heeft een heel boek. Deze zijn meestal strenger dan de wettelijke minima en omvatten immuniteitstests waar de regelgeving nauwelijks op ingaat.

Het doorstaan van al dit testen kost geld en tijd. Een volledige EMC-kwalificatie voor een auto-BMS kost $ 30.000 tot $ 50.000 en neemt drie tot vier weken kamertijd in beslag. Als het niet lukt, ga je terug en repareer je de dingen en test je opnieuw. Ik heb programma's zes maanden en 200.000 dollar zien besteden aan EMC-testen voordat ze een goedkeuring kregen.

Electromagnetic Compatibility

Afscherming is het botte instrument. Plaats een metalen doos rond de gevoelige dingen en de meeste interferentie kan niet binnendringen. De doos moet wel continu zijn. Naden lekken. Gaten voor connectoren lekken. Ventilatiesleuven zijn in feite vensters voor RF-energie.

Echte afscherming betekent geleidende pakkingen bij elke naad. Het betekent gefilterde connectoren of doorvoercondensatoren op elk draadingangspunt. Het betekent geen slots langer dan een tiende van een golflengte op de hoogste frequentie van zorg. Dat laatste brengt mensen in verwarring. Als u zich zorgen maakt over interferentie van 1 GHz, moeten uw slots minder dan 30 millimeter groot zijn. Veel succes met het doorlaten van koellucht.

Filterhandvatten voerden interferentie uit. Je plaatst inductoren en condensatoren op de juiste plaatsen om hoogfrequente ruis te blokkeren terwijl je de signalen of het vermogen doorgeeft die je eigenlijk wilt. Een differentieelmodusfilter verwerkt ruis die langs de ene draad naar beneden en terug naar de andere draad gaat. Een common-mode-smoorspoel verwerkt geluid dat op beide draden in dezelfde richting gaat.

Filterontwerp is lastig. De impedantie van de bron en de belasting zijn van belang. Een filter dat goed op de bank test, doet in het eigenlijke systeem misschien niets omdat de impedanties anders zijn. Ik heb ingenieurs mij trots hun filterschema’s zien laten zien en zich vervolgens afvragen waarom de geluidsmetingen niet veranderden. Ze ontwierpen een systeem van 50 ohm en plugden het in iets dat leek op 5 ohm bij de frequenties waar ze om gaven.

Aardingsstrategie is waar de echte voodoo leeft. Het batterijpakket heeft gedeelten voor hoge spanning en lage spanning. De HV-zijde omvat de cellen en hoofdschakelaars en het voorlaadcircuit. De LV-zijde heeft de BMS- en CAN-interface en soms geïsoleerde DC-DC-converters. Deze twee aardingssystemen moeten op precies één punt met elkaar verbonden zijn. Meer verbindingen creëren lussen. Lussen pikken interferentie op.

Het juiste punt vinden is een kunst. Het hangt af van waar de stroom vloeit, waar de gevoelige metingen plaatsvinden en waar de geluidsbronnen zich bevinden. Elke indeling is anders. Ik wou dat ik je een formule kon geven, maar die is er niet.

Binnen het GBS maakt of breekt de PCB-indeling de EMC-prestaties.

Houd digitale apparaten met hoge snelheid uit de buurt van analoge meetcircuits. De processor en CAN-transceiver en eventuele schakelende regelaars spuiten ruis. De celspanningsingangen en temperatuurmeetcircuits zijn gevoelig. Fysieke afstand helpt. Grondvlakonderbrekingen tussen secties helpen meer.

Leid differentiële paren samen en houd ze kort. De detectielijnen van de celaftakkingen moeten zo dicht mogelijk bij de AFE-chip het bord binnenkomen. Langere sporen pikken meer interferentie op.

Houd uw retourpaden in de gaten. De stroom moet in een lus stromen. Het signaal gaat uit op het ene spoor en komt terug op het andere. Als het retourpad niet duidelijk is, vindt de stroom zijn eigen weg en die kant kan een grote lus zijn die straalt als een antenne.

Giet koper. Grote grondvlakken verminderen de impedantie en geven retourstromen een pad met lage inductie. Stikvia's verbinden de vlakken met elkaar en verminderen resonanties.

Een paar jaar geleden adviseerde ik een startup die accupakketten voor vorkheftrucks maakte. Hun BMS werkte prima op de bank. In de heftruck werd het gek. De spanningsmetingen sprongen rond. De SOC-berekening dwaalde alle kanten op.

De vorkheftruck had een grote gelijkstroommotor met een chopperaandrijving. Elke keer dat de helikopter schakelde, veranderde de stroom in de hoofdkabels in enkele microseconden met een paar honderd ampère. Het magnetische veld van die dI/dt is overal in gekoppeld.

Hun oplossingspoging was om ferrietkralen op de detectielijnen toe te voegen. Heeft niets gedaan. De interferentie werd magnetisch gekoppeld aan de lussen gevormd door de detectiedraden. Ferrieten blokkeren geleide ruis en niet magnetische veldkoppeling.

Uiteindelijk hebben we het detectieharnas door een flexibele buis geleid en weggeleid van de hoofdkabels. Vervolgens hebben we een gedraaid paar van elke celaftakking toegevoegd in plaats van enkele draden. Het draaien verkleint het lusgebied waarin het magnetische veld kan inkoppelen. Ten slotte hebben we de bemonstering op de AFE-chip vertraagd, zodat deze over meer cycli van interferentie integreerde. Het geluid nam af.

De totale reparatie kostte ongeveer drie dollar per pakket aan extra draad en leiding. Het had niets gekost als ze er bij het oorspronkelijke ontwerp over hadden nagedacht.

Electromagnetic Compatibility

Als u accupakketten of BMS-kaarten koopt, vraag dan naar EMC voordat u koopt.

Op welke normen hebben ze getest? Vraag naar de daadwerkelijke testrapporten, niet alleen naar een certificaat. De rapporten tonen de testopstelling en de marge tot het uiterste. Een product dat nauwelijks is geslaagd, is één ontwerpwijziging verwijderd van een mislukking.

Voor welke elektromagnetische omgeving hebben ze ontworpen? Een BMS bedoeld voor een golfkar overleeft mogelijk niet in een transitbus met drie tractie-omvormers.

Hebben ze het volledige pakket getest of alleen het bord? De behuizing en bedrading en connectoren veranderen het EMC-gedrag. Het testen van een kaal bord zegt vrijwel niets over het eindproduct.

Welke filtering en afscherming is er ingebouwd? Als het antwoord luidt: "we vertrouwen erop dat de systeemintegrator dat afhandelt", dan heb je een probleem. U bent nu verantwoordelijk voor de EMC-naleving en beschikt mogelijk niet over de vaardigheden of het budget om dit goed te doen.

Draadloos GBS komt eraan. In plaats van detectiedraden naar elke cel te leiden, plaatst u bij elke celgroep een kleine draadloze module, die de gegevens terugstuurt naar de hoofdcontroller. Minder bedrading. Gemakkelijker te onderhouden.

Maar nu vliegen je meetgegevens in een radiosignaal door de lucht. Dat signaal moet concurreren met alle elektromagnetische ruis van de vermogenselektronica. De draadloze banden zijn al overvol. Ik heb prototypes gezien waarbij het draadloze BMS de communicatie verloor tijdens harde acceleratie omdat het geluid van de omvormer de ontvanger blokkeerde.

Hogere spanningen maken alles moeilijker. De industrie stapt over op 800 V en hoger voor sneller opladen en kleinere kabels. Meer spanning betekent meer schakelenergie en meer EMI. Dezelfde technieken werken nog steeds, maar je moet ze beter uitvoeren.

De integratie wordt steeds groter. Het GBS, de ingebouwde lader en de DC-DC-converter allemaal in één doos. Minder gewicht en kosten, maar meer mogelijkheden voor interferentie tussen functies. De analoge celdetectie moet in dezelfde behuizing overleven als een schakelende lader van 10 kW.

EMC gaat niet weg. Het wordt elk jaar erger naarmate de elektronica sneller en dichter wordt en we hen vragen om in zwaardere omgevingen te werken. Het accupakket is het hart van het elektrische voertuig en het accuraat en betrouwbaar houden ervan, ondanks de elektromagnetische storm eromheen, is waar EMC-werk om draait.