Kompatibilitas elektromagnetik pada kendaraan listrik

Ketika arus melewati konduktor, ia menciptakan medan elektromagnetik dan hampir semua perangkat elektronik seperti TV, mesin cuci, kompor induksi, lampu lalu lintas, telepon genggam, ATM dan laptop dll., Akan memancarkan medan elektromagnetik. Kendaraan berbahan bakar fosil juga menderita Interferensi Elektromagnetik (EMI) - Sistem pengapian, motor starter dan sakelar menyebabkan EMI broadband dan perangkat elektronik menyebabkan EMI pita sempit. Tetapi dibandingkan dengan kendaraan ICE (Internal Combustion Engine), Kendaraan Listrik adalah kombinasi dari berbagai subsistem dan komponen elektronik seperti baterai, BMS, konverter DC-DC, inverter, motor listrik, kabel daya tinggi yang didistribusikan di sekitar kendaraan dan pengisi daya, semua ini bekerja pada tingkat daya dan frekuensi tinggi yang menyebabkan emisi EMI frekuensi rendah tingkat tinggi.

Jika kita mengamati daya dan peringkat tegangan kendaraan listrik yang tersedia, peringkat daya antara beberapa puluh KW hingga ratusan KW sedangkan peringkat tegangan dalam ratusan volt sehingga level arus akan berada dalam ratusan Ampere, yang menyebabkan medan magnet lebih kuat.

Nissan LEAF memiliki penggerak roda belakang 125 kW yang bekerja pada 400 V _DC
BMW i3 memiliki penggerak roda belakang 125 kW bekerja pada 500 V _DC
Tesla model S memiliki penggerak roda belakang 235 kW yang bekerja pada 650 V _DC
Toyota Prius (generasi ke-3) memiliki penggerak roda depan 74 kW yang bekerja pada 400 V _DC
Toyota Prius PHV memiliki penggerak roda depan berkekuatan 60 kW bekerja pada 350 V _DC
Chevrolet Volt PHV memiliki penggerak roda depan 55 kW (x2) bekerja pada 400 V _DC

Anggaplah kendaraan listrik dengan penggerak listrik 100KW yang beroperasi pada 400V berarti memiliki arus 250A yang menciptakan medan magnet yang kuat. Saat merancang kendaraan kita harus menilai EMC (Kompatibilitas Elektromagnetik) dari semua subsistem dan komponen ini untuk memastikan keamanan komponen bersama dengan keselamatan makhluk hidup.

Istilah & Definisi terkait EMC dan EMI

EMC (Kompatibilitas elektromagnetik) perangkat atau peralatan berarti kemampuannya untuk tidak terpengaruh oleh medan elektromagnetik (EMF) dan tidak memengaruhi operasi sistem lain dengan EMF-nya saat beroperasi di lingkungan elektromagnetik. EMC mewakili emisi elektromagnetik, kerentanan, Kekebalan, dan masalah kopling.

Emisi Elektromagnetik berarti pembangkitan dan pelepasan energi elektromagnetik ke lingkungan. Setiap emisi yang tidak diinginkan menyebabkan interferensi atau gangguan pada operasi perangkat elektronik lain yang beroperasi di lingkungan yang sama, yaitu yang disebut Interferensi Elektromagnetik (EMI).

Kerentanan Elektromagnetik perangkat menunjukkan kerentanannya terhadap emisi yang tidak diinginkan dan interferensi yang menyebabkan kegagalan fungsi atau kerusakan perangkat. Jika perangkat lebih rentan berarti kurang kebal terhadap interferensi elektromagnetik.

Kekebalan Elektromagnetik perangkat berarti kemampuannya untuk beroperasi secara normal di lingkungan elektromagnetik tanpa mengalami gangguan atau kerusakan akibat emisi elektromagnetik dari perangkat elektronik lain.

Kopling Elektromagnetik berarti mekanisme medan elektromagnetik yang dipancarkan satu perangkat mencapai atau mengganggu perangkat lain.

Sumber Interferensi Elektromagnetik (EMI) di EV

Konverter Daya dikenal sebagai sumber utama interferensi elektromagnetik dalam sistem penggerak listrik. Ini memiliki perangkat switching berkecepatan tinggi, misalnya Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT) konvensional yang bekerja pada frekuensi mulai dari 2 hingga 20 kHz, IGBT cepat dapat bekerja hingga 50 kHz dan SiC MOSFET bahkan dapat bekerja pada frekuensi di atas 150 KHz.
Motor Listrik yang beroperasi pada tingkat daya tinggi menyebabkan emisi elektromagnetik dan bertindak sebagai jalur kebisingan EM melalui impedansinya. Dan impedansi ini berubah sebagai fungsi frekuensi. Karena penggerak motor listrik menggunakan inverter daya dengan operasi pengalihan PWM kecepatan tinggi, tegangan lonjakan terjadi di terminal motor, yang menyebabkan bunyi EM yang terpancar. Dan arus poros dapat menyebabkan kerusakan bantalan motor dan kerusakan pengontrol kendaraan.
Saat baterai traksi didistribusikan, arus dalam baterai dan di interkonektor menjadi sumber emisi EMF yang signifikan dan ini adalah bagian utama dari jalur EMI.
Kabel berpelindung dan tidak berpelindung yang membawa arus tingkat tinggi antara berbagai subsistem seperti baterai ke konverter daya, konverter daya ke motor dll, di EV menyebabkan medan magnet yang lebih kuat. Karena ruang yang tersedia di EV untuk rangkaian kabel terbatas, kabel tegangan tinggi dan tegangan rendah yang ditempatkan berdekatan menyebabkan interferensi elektromagnetik di antara keduanya.
Pengisi daya baterai dan fasilitas pengisian nirkabel adalah sumber EMI eksternal utama selain sumber EMI internal EV. Ketika teknologi daya nirkabel diterapkan untuk mengisi daya EV, medan magnet yang kuat dalam kisaran beberapa puluh hingga ratusan kilohertz dihasilkan untuk mentransfer daya beberapa KW hingga puluhan KW.

Dampak EMI pada Komponen Elektronik Kendaraan Listrik

Saat ini dengan kemajuan teknologi, mobil mengandung lebih banyak komponen dan sistem elektronik untuk pengoperasian dan keandalan yang tepat. Jika kita melihat arsitektur kendaraan listrik, banyak sekali sistem kelistrikan dan elektronik yang ditempatkan ke dalam ruang terbatas. Hal ini menyebabkan interferensi elektromagnetik atau cross talk antara sistem ini. Jika EMC tidak dirawat dengan baik, sistem ini dapat mengalami kegagalan fungsi atau bahkan gagal beroperasi.

EMC

Sebagian besar standar EMC otomotif ditetapkan oleh Society of Automotive Engineers (SAE), International Standards Organization (ISO), International Electrotechnical Committee (IEC), The Institute of Electrical and Electronics Engineers Standards Association ( IEEE -SA), the Komunitas Eropa (EC) dan Komisi Ekonomi Perserikatan Bangsa-Bangsa untuk Eropa (UNECE).

ISO 11451 menetapkan kondisi umum, pedoman dan prinsip dasar untuk menguji kendaraan untuk menentukan kekebalan ICE dan kendaraan listrik terhadap gangguan listrik narrowband yang dipancarkan EMF.

ISO 11452 menetapkan kondisi umum, pedoman dan prinsip dasar untuk menguji komponen untuk menentukan kekebalan komponen elektronik ICE dan kendaraan listrik terhadap gangguan listrik narrowband yang dipancarkan EMF.

CISPR12 menetapkan batas dan metode pengukuran untuk menguji emisi elektromagnetik yang dipancarkan dari kendaraan listrik, kendaraan ICE, dan kapal.

CISPR25 menetapkan batas dan metode untuk mengukur karakteristik gangguan radio dan prosedur untuk menguji kendaraan guna menentukan tingkat RI / RE untuk perlindungan penerima yang digunakan di kendaraan.

SAE J551 -1 menentukan tingkat kinerja dan Metode pengukuran EMC kendaraan dan perangkat (60Hz-18GHz).

SAE J551 -2 menetapkan batas pengujian dan metode pengukuran karakteristik gangguan radio (emisi) kendaraan, Kapal Motor, dan Perangkat Berbahan Bakar Mesin yang menyala-nyala.

SAE J551-4 menetapkan batas pengujian dan metode pengukuran karakteristik gangguan radio pada kendaraan dan perangkat, broadband dan pita sempit, 150 KHz hingga 1000 MHz.

SAE J551-5 menentukan tingkat kinerja dan metode pengukuran kekuatan medan magnet dan listrik dari kendaraan listrik, 9 kHz hingga 30MHz.

SAE J551-11 menentukan sumber kendaraan dari kekebalan elektromagnetik kendaraan.

SAE J551- 13 menentukan injeksi arus massal imunitas elektromagnetik kendaraan.

SAE J551- 15 menentukan pelepasan muatan elektrostatis imunitas elektromagnetik kendaraan yang akan dilakukan di ruangan terlindung.

SAE J551- 17 menentukan medan magnet saluran listrik-kekebalan elektromagnetik kendaraan.

2004/144 EC - Lampiran IV menjelaskan metode pengukuran emisi broadband yang dipancarkan dari kendaraan.

2004/144 EC - Lampiran V menentukan metode pengukuran emisi jalur sempit yang dipancarkan dari kendaraan.

2004/144 EC - Lampiran VI menetapkan metode pengujian untuk kekebalan kendaraan terhadap radiasi elektromagnetik.

AIS-004 (Bagian 3) memberikan persyaratan untuk Kompatibilitas Elektromagnetik pada Kendaraan Otomotif.

AIS-004 (Bagian 3) Lampiran 2 menjelaskan metode pengukuran emisi elektromagnetik broadband yang dipancarkan dari kendaraan.

AIS-004 (Bagian 3) Lampiran 3 menjelaskan metode pengukuran emisi elektromagnetik pita sempit terpancar dari kendaraan.

AIS-004 (Bagian 3) Lampiran 4 menjelaskan metode pengujian kekebalan kendaraan terhadap radiasi elektromagnetik.

AIS-004 (Bagian 3) Lampiran 5 menjelaskan metode pengukuran emisi elektromagnetik broadband terpancar dari sub rakitan listrik / elektronik.

AIS-004 (Bagian 3) Lampiran 6 menjelaskan metode pengukuran emisi elektromagnetik pita sempit terpancar dari sub rakitan listrik / elektronik.

Batas Paparan Medan Elektromagnetik ke Manusia

Kendaraan listrik menghasilkan radiasi elektromagnetik non-pengion yang tidak berpengaruh pada kesehatan manusia untuk paparan waktu yang singkat. Tetapi untuk pemaparan dalam waktu lama jika medan magnet yang dipancarkan melebihi batas standar, hal itu mempengaruhi kesehatan manusia. Jadi, saat merancang kendaraan listrik, bahaya dengan paparan medan magnet harus diperhitungkan.

Paparan elektromagnetik kepada penumpang dipengaruhi oleh konfigurasi yang berbeda, tingkat daya dan topologi kendaraan listrik seperti penggerak roda depan atau penggerak roda belakang, penempatan baterai dan jarak antara peralatan listrik ke penumpang, dll.

Dengan mempertimbangkan kemungkinan efek berbahaya dari paparan manusia terhadap medan elektromagnetik organisasi internasional, termasuk Organisasi Kesehatan Dunia (WHO) dan Komisi Internasional untuk Perlindungan Radiasi Non-ionisasi (ICNIRP), arahan UE, IEEE telah menetapkan batas untuk paparan medan magnet maksimum yang diizinkan ke publik.

Frekuensi (Hz)	Medan magnet H (AM ^-1)	Kerapatan fluks magnet B (T)
<0,153 Hz	9,39 x 10 ⁴	118 x 10 ^-3
0,153 -20Hz	1,44 x 10 ⁴ / f	18.1 x 10-3 / f
20-759 Hz	719	0,904 x 10 ^-3
759 Hz - 3KHz	5,47 x 105 / f	687 x 10 ^-3 / f

Di bawah ini adalah tabel yang menunjukkan tingkat medan magnet maksimum yang diizinkan untuk masyarakat umum sesuai standar IEEE

Occupational artinya orang-orang yang terpapar EMF saat melakukan aktivitas pekerjaan rutinnya.

Masyarakat umum adalah masyarakat lainnya selain pekerjaan yang terpapar medan elektromagnetik

Nilai orientasi tidak memiliki efek kesehatan yang merugikan dalam kondisi kerja normal dan untuk orang yang tidak memiliki Alat Kesehatan Implan aktif atau sedang hamil. Ini sesuai dengan kekuatan medan.

Nilai tindakan menyebabkan beberapa efek terkena level ini. Ini sesuai dengan bidang terukur langsung maksimum.

Pada dasarnya nilai Action lebih tinggi dari nilai Orientation.
Nilai eksposur publik pekerjaan lebih tinggi daripada nilai eksposur publik umum.

Tes Kompatibilitas Elektromagnetik

Pengujian EMC perlu dilakukan untuk memeriksa apakah kendaraan listrik telah memenuhi standar yang dipersyaratkan atau tidak . Uji laboratorium dan uji jalan dilakukan pada kendaraan listrik untuk menilai EMC. Tes ini terdiri dari tes emisi, kerentanan dan imunitas.

Uji laboratorium dilakukan untuk mengkarakterisasi emisi medan magnet dan kerentanan dari semua peralatan listrik terpasang di ruang uji EMC. Kamar-kamar ini adalah tipe anechoic dan reverberation.

Untuk pengujian emisi yang dilakukan, transduser menyertakan jaringan stabilisasi impedansi saluran (LISN) atau jaringan induk buatan (AMN) yang digunakan. Untuk pengujian emisi radiasi, antena digunakan sebagai transduser. Emisi radiasi diukur ke segala arah di sekitar perangkat yang diuji (DUT).

Pengujian kerentanan menggunakan sumber energi RF EM berdaya tinggi dan antena pemancar untuk mengarahkan energi elektromagnetik ke DUT. Saat melakukan pengujian pada kendaraan listrik kecuali alat yang sedang diuji (DUT) semuanya akan dimatikan dan kemudian diukur medan magnetnya.

Tes luar dilakukan di dunia nyata pada kondisi mengemudi di jalan raya. Dalam pengujian ini, kendaraan yang diuji perlu mengemudi dengan akselerasi dan perlambatan maksimum untuk memastikan arus maksimum selama traksi dan pengereman regeneratif. Pengujian ini akan dilakukan pada jalan lurus dimana medan magnet akibat bumi konstan dan pada beberapa kasus pada jalan berlereng curam. Saat melakukan uji jalan, kita harus mengidentifikasi gangguan magnet luar dari sumber eksternal seperti jalur kereta api, penutup lubang got dan mobil lain, peralatan distribusi tenaga, saluran transmisi tegangan tinggi, dan transformator daya.

Panduan desain untuk EMC yang lebih baik dan untuk menurunkan EMI

Kabel DC yang membawa arus tinggi sebaiknya dibuat dalam bentuk twisted sehingga arus pada kabel ini mengalir dengan arah yang berlawanan menghasilkan minimalisasi emisi EMF.
Kabel AC tiga fasa harus dipelintir dan harus dipasang sedekat mungkin untuk meminimalkan emisi EMF darinya.
Dan semua kabel listrik ini harus ditempatkan sejauh mungkin dari daerah tempat duduk penumpang. Dan koneksi ini seharusnya tidak membentuk lingkaran.
Jika jarak antara kursi penumpang dan kabel kurang dari 200 mm, maka harus dipasang pelindung.
Motor perlu ditempatkan lebih jauh dari area kursi penumpang dan sumbu rotasi motor tidak boleh mengarah ke area kursi penumpang.
Karena baja memiliki efek pelindung yang lebih baik, jika berat memungkinkan daripada aluminium, rumah logam baja perlu digunakan untuk motor.
Jika jarak antara area kursi motor dan penumpang kurang dari 500mm, pelindung seperti pelat baja perlu digunakan antara area kursi motor dan penumpang.
Rumah motor harus dibumikan ke sasis dengan benar untuk meminimalkan potensi kelistrikan.
Untuk meminimalkan panjang kabel antara inverter dan motor, mereka dipasang sedekat mungkin satu sama lain.
Untuk menekan tegangan lonjakan, arus poros dan kebisingan yang dipancarkan, pengontrol kebisingan EMI harus dipasang ke terminal motor.
Filter EMI aktif digital perlu diintegrasikan ke dalam pengontrol digital konverter DC-DC untuk mengisi daya baterai bertegangan rendah dan untuk memberikan redaman EMI yang signifikan.
Untuk menekan EMI selama pengisian nirkabel, pelindung reaktif resonansi telah dikembangkan. Di sini kebocoran medan magnet melewati kumparan pelindung reaktif resonan sedemikian rupa sehingga EMF yang diinduksi di setiap koil pelindung dapat membatalkan kejadian EMF dan kebocoran medan magnet dapat ditekan secara efektif tanpa memakan daya tambahan.
Teknologi pelindung konduktif, pelindung magnetik, dan pelindung aktif telah dikembangkan untuk melindungi emisi medan elektromagnetik dari sistem WPT.
Pengontrol kebisingan EMI telah dikembangkan untuk kendaraan listrik, yang dipasang pada terminal motor untuk menekan tegangan lonjakan, arus poros, dan kebisingan yang dipancarkan.