Compatibilité électromagnétique dans les véhicules électriques

Lorsque le courant passe à travers un conducteur, il crée des champs électromagnétiques et presque tous les appareils électroniques comme les téléviseurs, les machines à laver, les cuisinières à induction, les feux de signalisation, les téléphones mobiles, les guichets automatiques et les ordinateurs portables, etc., émettront des champs électromagnétiques. Les véhicules à carburant fossile souffrent également d' interférences électromagnétiques (EMI) - Le système d'allumage, le démarreur et les interrupteurs provoquent des EMI à large bande et les appareils électroniques provoquent des EMI à bande étroite. Mais par rapport aux véhicules ICE (Internal Combustion Engine), les véhicules électriques sont une combinaison de divers sous-systèmes et composants électroniques tels que batterie, BMS, convertisseur DC-DC, onduleur, moteur électrique, câbles haute puissance répartis autour du véhicule et chargeurs, tout cela travaillent à des niveaux de puissance et de fréquence élevés, ce qui provoque l'émission d'EMI basse fréquence de haut niveau.

Si nous observons la puissance et les tensions nominales des véhicules électriques disponibles, les puissances nominales sont comprises entre quelques dizaines de KW et des centaines de KW alors que les tensions nominales sont en centaines de volts de sorte que les niveaux de courant seront en centaines d'ampères, ce qui provoque des champs magnétiques plus forts

• La Nissan LEAF a une traction arrière de 125 kW fonctionne sur 400 V _CC
• La BMW i3 a une traction arrière de 125 kW fonctionne sur 500 V _CC
• La Tesla modèle S a 235 kW La traction arrière fonctionne sur 650 V _CC
• La Toyota Prius (3e génération) a 74 kW La traction avant fonctionne sur 400 V _CC
• La Toyota Prius PHV a une traction avant de 60 kW fonctionne sur 350 V _CC
• Chevrolet Volt PHV a une traction avant de 55 kW (x2) fonctionne sur 400 V _CC

Considérons un véhicule électrique avec entraînement électrique 100KW fonctionnant à 400V signifie qu'il a un courant de 250A qui crée un champ magnétique puissant. Lors de la conception du véhicule, nous devons évaluer la compatibilité électromagnétique (CEM) de tous ces sous-systèmes et composants pour assurer la sécurité des composants ainsi que la sécurité des êtres vivants.

Termes et définitions relatifs à EMC et EMI

La compatibilité électromagnétique (CEM) d'un appareil ou d'un équipement signifie que sa capacité à ne pas être affectée par les champs électromagnétiques (CEM) et à ne pas affecter le fonctionnement d'autres systèmes avec son CEM lorsqu'il fonctionne dans un environnement électromagnétique. La CEM représente les problèmes d'émission électromagnétique, de susceptibilité, d'immunité et de couplage.

L' émission électromagnétique signifie la génération et la libération d'énergie électromagnétique dans l'environnement. Toute émission indésirable provoque des interférences ou des perturbations pour le fonctionnement d'autres appareils électroniques qui fonctionnent dans le même environnement, c'est-à-dire connu sous le nom d' interférences électromagnétiques (EMI).

La sensibilité électromagnétique d'un appareil indique sa vulnérabilité aux émissions indésirables et aux interférences qui provoquent le dysfonctionnement ou la panne de l'appareil. Si un appareil est plus sensible, cela signifie qu'il est moins immunisé contre les interférences électromagnétiques.

L' immunité électromagnétique d'un appareil signifie sa capacité à fonctionner normalement en présence d'un environnement électromagnétique sans subir d'interférences ou de panne en raison des émissions électromagnétiques d'un autre appareil électronique.

Le couplage électromagnétique signifie le mécanisme du champ électromagnétique émis d'un appareil atteignant ou interférant avec un autre appareil.

Sources d'interférences électromagnétiques (EMI) dans EV

• Les convertisseurs de puissance sont connus pour être la principale source d'interférences électromagnétiques dans les systèmes d'entraînement électrique. Ceux-ci ont un dispositif de commutation à grande vitesse, par exemple les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) conventionnels fonctionnent à des fréquences allant de 2 à 20 kHz, les IGBT rapides peuvent fonctionner jusqu'à 50 kHz et les MOSFET SiC peuvent même fonctionner à des fréquences supérieures à 150 kHz.
• Les moteurs électriques qui fonctionnent à des niveaux de puissance élevés provoquent des émissions électromagnétiques et agissent comme un chemin pour le bruit EM à travers son impédance. Et cette impédance change en fonction de la fréquence. Comme les entraînements à moteur électrique utilisent des onduleurs avec un fonctionnement de commutation PWM à grande vitesse, des surtensions se produisent aux bornes du moteur, ce qui provoque le bruit EM rayonné. Et le courant d'arbre peut endommager les roulements du moteur et provoquer un dysfonctionnement du contrôleur du véhicule.
• Au fur et à mesure que les batteries de traction sont distribuées, les courants dans les batteries et dans les interconnecteurs deviennent une source importante d'émission de CEM et ceux-ci constituent une partie principale du chemin pour les EMI.
• Les câbles blindés et non blindés transportant un courant de haut niveau entre divers sous-systèmes tels que le convertisseur de batterie en puissance, le convertisseur de puissance en moteur, etc. dans le VE provoquent des champs magnétiques plus puissants. Comme l'espace disponible dans le VE pour le faisceau de câbles est limité, les câbles haute tension et basse tension sont placés à proximité les uns des autres et provoquent des interférences électromagnétiques entre eux.
• Les chargeurs de batterie et les installations de charge sans fil sont les principales sources EMI externes en dehors de la source EMI interne EV. Lorsque la technologie d'alimentation sans fil est appliquée pour charger le VE, un champ magnétique puissant de l'ordre de plusieurs dizaines à des centaines de kilohertz produit pour transférer plusieurs KW à des dizaines de KW de puissance.

Impact EMI sur les composants électroniques des véhicules électriques

De nos jours, avec les progrès de la technologie, les automobiles contiennent plus de composants et de systèmes électroniques pour un fonctionnement et une fiabilité appropriés. Si nous voyons l'architecture du véhicule électrique une grande quantité de systèmes électriques et électroniques placés dans un espace confiné. Cela provoque des interférences électromagnétiques ou une diaphonie entre ces systèmes. Si la compatibilité électromagnétique n'est pas correctement maintenue, ces systèmes risquent de ne pas fonctionner correctement ou même de ne pas fonctionner.

EMC

La plupart des normes CEM automobiles sont établies par la Society of Automotive Engineers (SAE), l'Organisation internationale de normalisation (ISO), le Comité électrotechnique international (CEI), l'Institute of Electrical and Electronics Engineers Standards Association ( IEEE -SA), le Communauté européenne (CE) et Commission économique des Nations Unies pour l'Europe (CEE-ONU).

L'ISO 11451 spécifie les conditions générales, les lignes directrices et les principes de base pour tester le véhicule afin de déterminer l'immunité des ICE et des véhicules électriques aux perturbations électriques rayonnées EMF à bande étroite.

L'ISO 11452 spécifie les conditions générales, les lignes directrices et les principes de base pour tester le composant afin de déterminer l'immunité des composants électroniques des ICE et des véhicules électriques aux perturbations électriques rayonnées EMF à bande étroite.

CISPR12 spécifie les limites et les méthodes de mesure pour tester les émissions électromagnétiques rayonnées des véhicules électriques, des véhicules ICE et des bateaux.

CISPR25 spécifie les limites et les méthodes pour mesurer les caractéristiques de perturbation radio et la procédure d'essai du véhicule pour déterminer les niveaux RI / RE pour la protection des récepteurs utilisés à bord des véhicules.

SAE J551 -1 spécifie les niveaux de performance et les méthodes de mesure de la CEM des véhicules et des appareils (60 Hz-18 GHz).

La SAE J551 -2 spécifie les limites d'essai et les méthodes de mesure des caractéristiques de perturbation radio (émission) des véhicules, des bateaux à moteur et des dispositifs à moteur à allumage par étincelle.

SAE J551-4 spécifie les limites d'essai et les méthodes de mesure des caractéristiques de perturbation radioélectrique des véhicules et des appareils, à large bande et à bande étroite, de 150 kHz à 1000 MHz.

SAE J551-5 spécifie les niveaux de performance et les méthodes de mesure de l'intensité des champs magnétiques et électriques des véhicules électriques, de 9 kHz à 30 MHz.

SAE J551-11 spécifie la source du véhicule hors immunité électromagnétique du véhicule.

SAE J551- 13 précise électromagnétique véhicule immunité en vrac injection de courant.

SAE J551- 15 spécifie véhicule électromagnétique à décharge électrostatique immunité qui sera fait dans la chambre blindée.

SAE J551- 17 specifiesvehicle ligne électromagnétique de puissance de l' immunité des champs magnétiques.

2004/144 CE - L' annexe IV spécifie la méthode de mesure des émissions rayonnées à large bande des véhicules.

2004/144 CE - L' annexe V spécifie la méthode de mesure des émissions rayonnées à bande étroite des véhicules.

2004/144 CE - L' annexe VI spécifie la méthode d'essai d'immunité des véhicules aux rayonnements électromagnétiques.

L'AIS-004 (partie 3) fournit les exigences de compatibilité électromagnétique dans les véhicules automobiles.

L'AIS-004 (partie 3) L'annexe 2 explique la méthode de mesure des émissions électromagnétiques rayonnées à large bande des véhicules.

L'AIS-004 (Partie 3) L'annexe 3 explique la méthode de mesure des émissions électromagnétiques rayonnées à bande étroite des véhicules.

L'AIS-004 (Partie 3) L'annexe 4 explique la méthode d'essai d'immunité des véhicules aux rayonnements électromagnétiques.

L'AIS-004 (Partie 3) L'annexe 5 explique la méthode de mesure des émissions électromagnétiques rayonnées à large bande des sous-ensembles électriques / électroniques.

L'AIS-004 (Partie 3) L'annexe 6 explique la méthode de mesure des émissions électromagnétiques rayonnées à bande étroite des sous-ensembles électriques / électroniques.

Limites de l'exposition des humains aux champs électromagnétiques

Les véhicules électriques produisent des radiations électromagnétiques non ionisantes qui n'affectent pas la santé humaine pendant une courte durée d'exposition. Mais pour une exposition de longue durée, si le champ magnétique rayonné est supérieur aux limites standard, cela affecte la santé humaine. Ainsi, lors de la conception d'un véhicule électrique, les risques d'exposition aux champs magnétiques doivent être pris en compte.

L'exposition électromagnétique des passagers affecte par différentes configurations, niveaux de puissance et topologies de véhicule électrique comme la traction avant ou la traction arrière, le placement de la batterie et la distance entre l'équipement électrique et les passagers, etc.

En considérant les effets nocifs possibles de l'exposition humaine aux champs électromagnétiques, les organisations internationales, y compris l'Organisation mondiale de la santé (OMS) et la Commission internationale pour la protection contre les rayonnements non ionisants (ICNIRP), les directives de l'UE, l'IEEE ont spécifié des limites à l'exposition maximale autorisée aux champs magnétiques Publique.

Fréquence (Hz)	Champs magnétiques H (AM -1)	Densité de flux magnétique B (T)
<0,153 Hz	9,39 x 10 4	118 x 10 -3
0,153 à 20 Hz	1,44 x 10 4 / f	18,1 x 10-3 / f
20 à 759 Hz	719	0,904 x 10-3
759 Hz - 3 KHz	5,47 x 105 / f	687 x 10 -3 / f

Vous trouverez ci-dessous le tableau indiquant les niveaux de champ magnétique maximum autorisés pour le grand public selon la norme IEEE

Par profession, on entend les personnes qui sont exposées aux CEM dans le cadre de leurs activités professionnelles habituelles.

Le grand public désigne le reste du public autre que professionnel exposé aux champs électromagnétiques

Les valeurs d'orientation n'ont aucun effet néfaste sur la santé dans des conditions de travail normales et pour les personnes n'ayant pas de dispositif médical implanté actif ou étant enceintes. Ceux-ci correspondent à l'intensité du champ.

La valeur d'action provoque certains effets exposés à ces niveaux. Celles-ci correspondent au champ maximum directement mesurable.

• Fondamentalement, la valeur d'action est supérieure à la valeur d'orientation.
• Les valeurs d'exposition professionnelle du public sont plus élevées que celles du niveau d'exposition du public général.

Tests de compatibilité électromagnétique

Des tests CEM doivent être effectués pour vérifier si le véhicule électrique respecte ou non les normes requises . Des essais en laboratoire et des essais routiers sont effectués sur un véhicule électrique pour évaluer la CEM. Ces tests consistent en des tests d'émissions, de sensibilité et d'immunité.

Des tests en laboratoire sont effectués pour caractériser les émissions de champ magnétique et la susceptibilité de tous les équipements électriques embarqués dans une chambre d'essai CEM. Ces chambres sont de type anéchoïque et à réverbération.

Pour les tests d'émissions conduites, les transducteurs incluent le réseau de stabilisation d'impédance de ligne (LISN) ou le réseau de secteur artificiel (AMN). Pour les tests d'émissions rayonnées, des antennes sont utilisées comme transducteurs. Les émissions rayonnées sont mesurées dans toutes les directions autour de l'appareil sous test (DUT).

Les tests de sensibilité utilisent une source d'énergie RF EM haute puissance et une antenne rayonnante pour diriger l'énergie électromagnétique vers le DUT. Lors du test sur véhicule électrique à l'exception de l'appareil testé (DUT), tout sera éteint puis le champ magnétique sera mesuré.

Les tests extérieurs sont effectués dans un monde réel sur des conditions de conduite sur route. Dans ces tests, le véhicule testé doit conduire avec une accélération et une décélération maximales pour garantir un courant maximal pendant la traction et le freinage par récupération. Ces tests seront réalisés sur route rectiligne où les champs magnétiques dus à la terre sont constants et dans certains cas sur routes à forte pente. Lors d'essais routiers, nous devons identifier les perturbations magnétiques externes provenant de sources externes telles que les lignes de chemin de fer, les couvercles de regards et autres voitures, les équipements de distribution d'énergie, les lignes de transmission à haute tension et les transformateurs de puissance.

Directives de conception pour une meilleure CEM et pour réduire l'EMI

• Les câbles CC transportant des courants élevés doivent être réalisés sous forme torsadée de sorte que le courant dans ce câble circule dans la direction opposée entraîne une minimisation des émissions de CEM.
• Les câbles CA triphasés doivent être torsadés et doivent être placés aussi près que possible pour minimiser les émissions de CEM.
• Et tous ces câbles d'alimentation doivent être placés aussi loin que possible de la région du siège du passager. Et ces connexions ne doivent pas former une boucle.
• Si la distance entre les sièges passagers et le câble est inférieure à 200 mm, un blindage doit être adopté.
• Les moteurs doivent être placés plus loin de la zone du siège du passager et l'axe de rotation du moteur ne doit pas pointer vers la zone du siège du passager.
• Comme l'acier a un meilleur effet de blindage, si le poids le permet au lieu de l'aluminium, un boîtier métallique en acier doit être utilisé pour le moteur.
• Si la distance entre le moteur et la zone du siège du passager est inférieure à 500 mm, un blindage comme une plaque d'acier doit être utilisé entre le moteur et la zone du siège du passager.
• Le boîtier du moteur doit être correctement relié au châssis pour minimiser tout potentiel électrique.
• Pour minimiser la longueur de câble entre le variateur et le moteur, ils sont montés aussi près que possible l'un de l'autre.
• Pour supprimer la surtension, le courant d'arbre et le bruit rayonné, un contrôleur de bruit EMI doit être fixé aux bornes du moteur.
• Un filtre EMI actif numérique doit être intégré dans le contrôleur numérique d'un convertisseur DC-DC pour charger la batterie basse tension et fournir une atténuation EMI significative.
• Pour supprimer les EMI pendant la charge sans fil, un blindage réactif résonnant a été développé. Ici, le champ magnétique de fuite passe à travers les bobines de blindage réactives résonnantes de telle manière que l'EMF induit dans chaque bobine de blindage peut annuler l'EMF incident et la fuite de champ magnétique peut être efficacement supprimée sans consommer d'énergie supplémentaire.
• Des technologies de blindage conducteur, de blindage magnétique et de blindage actif ont été développées pour protéger les émissions de champ électromagnétique du système WPT.
• Un contrôleur de bruit EMI a été développé pour les véhicules électriques, qui est fixé sur les bornes du moteur pour supprimer la surtension, le courant d'arbre et le bruit rayonné.