Què és la compatibilitat electromagnètica?
Quinze anys en aquest negoci i EMC encara em mossega el cul almenys dues vegades l'any.
La primavera passada em van trucar per a un projecte per a una empresa que fabricava furgonetes de repartiment. El seu BMS continuava llançant falles de sobretensió cel·lular. No hi ha sobretensió real - les cèl·lules estaven bé. L'IC de monitoratge estava llegint escombraries. Feia tres mesos que estaven perseguint això. Va substituir els xips AFE dues vegades. Reconnectat l'arnès dels sentits. No va funcionar res.
Vaig trigar dos dies a trobar-lo. El seu controlador de motor es trobava a divuit polzades de la bateria. Sense blindatge entre ells. El controlador estava canviant a 8 kHz i totes les vores es van acoblar directament a les línies de detecció de voltatge cel·lular. Els cables actuaven com antenes. Vint mil·livolts de soroll induït en una mesura que necessita precisió en mil·livolts. El BMS va veure pics de tensió que no existien i va tancar-ho tot.
Això és EMC. Compatibilitat electromagnètica. Les teves coses han de funcionar amb altres coses sense que cap enfonsi l'altre.
Dues cares del problema
L'EMC es trenca en dues peces i heu de fer front a totes dues.
Emissions significa el soroll que emet el vostre dispositiu. Cada circuit de commutació irradia. Cada cable amb corrent canviant crea un camp magnètic. Un convertidor DC-DC que funciona a 200 kHz ruixa energia de RF per tot arreu. Si aquesta energia és prou forta, bloqueja la ràdio a la cabina o corromp els missatges del bus CAN o fa que el controlador ABS pensi que les rodes s'estan bloquejant.
La susceptibilitat és l'altra cara. Quanta merda pot agafar el vostre dispositiu abans que deixi de funcionar correctament. Un BMS ha de llegir les tensions de les cèl·lules amb precisió mentre està assegut al costat d'un inversor que està colpejant el bus de corrent continu amb polsos de 400 amperes a 10 kHz. Els circuits de detecció han d'ignorar tot això i encara mesurar la tensió real de la cèl·lula.
La majoria dels enginyers que conec pensen en les emissions perquè això és en què se centren les proves reguladores. S'obliden de la susceptibilitat fins que el producte falla al camp. Llavors tothom entra en pànic.
Els paquets de liti són diferents
Les bateries de plom-àcid velles només hi quedaven. Els vas cargolar i connectar dos cables. Potser teníeu una derivació per a la mesura actual. Això va ser.
Els paquets de liti tenen electrònica a tot arreu. El BMS supervisa cada cèl·lula. Parla amb sensors de temperatura escampats pel paquet. Es comunica amb el vehicle per CAN o algun altre autobús. Controla els contactors. Calcula l'estat de càrrega i l'estat de salut mitjançant algorismes que depenen de mesures precises.
Precís és la paraula clau. Una mesura de tensió cel·lular que es desplaça en 50 mil·livolts descarta el vostre càlcul de SOC. Feu-ho a cent cel·les i la vostra estimació d'interval serà inútil. Desplaceu-lo 100 mil·livolts i podríeu sobrecarregar una cel·la o perdre's una condició de baixa tensió.
Els cables de detecció són el punt feble. Van des de cada aixeta cel·lular fins al tauler BMS. En un paquet gran que significa cables que passen dos metres o més per un entorn ple de soroll electromagnètic. Cada cable capta interferències. Com més llarg sigui el cable, pitjor és el problema.
Vaig treballar en un paquet de bateries d'autobús on l'arnès sensorial anava just al costat de les barres de bus de corrent continu. Les barres transportaven 300 amperes durant l'acceleració. El camp magnètic d'aquest corrent va induir senyals de nivell de milivolt-en els cables de sentit. El BMS pensava que les cèl·lules rebotaven amunt i avall. Va entrar en mode de protecció i va matar l'autobús a l'autopista.
Quan les coses van malament
Els modes de fallada són lletjos.
Són habituals les falses sobretensió. El soroll s'afegeix a la tensió real de la cel·la i el BMS creu que la cel·la està a 4,3 V quan en realitat està a 4,1 V. La protecció s'activa i el sistema s'apaga. L'operador veu un codi d'error que no té sentit perquè les cel·les estan bé.
La falsa tensió és pitjor. El BMS creu que una cèl·lula és més baixa del que és realment. Segueix descarregant més enllà del límit segur. El dany real passa.
Els errors de comunicació emboliquen les coses de manera diferent. Una bateria pot tenir sis o vuit taulers de supervisió encadenats-en un bus isoSPI. Aquest autobús funciona a uns quants megahertz. L'EMI corromp un paquet i, de sobte, el controlador principal té dades dolentes per a setze cel·les. S'apaga? Fa servir l'última bona lectura? S'interpola? Cada opció té problemes.
La mesura de la temperatura també es corromp. Els termistors NTC produeixen senyals minúsculs. Uns quants mil·livolts de soroll semblen un canvi de temperatura de vint graus. El BMS pot activar el refredament que no és necessari o perdre una fuga tèrmica que s'està iniciant.
L'embolic de proves
Existeixen estàndards reguladors, però són un embolic de requisits superposats.
La part 15 de la FCC cobreix les emissions a Amèrica del Nord. Estableix límits a la quantitat d'energia de RF que el vostre producte pot ruixar a l'aire. Els límits depenen de si esteu venent a consumidors o usuaris industrials. L'industrial es fa més fluix.
Per als vehicles, també tracteu amb CISPR 25 i CISPR 12. Són estàndards internacionals que la majoria dels països adopten amb petits retocs. Especifiquen mètodes de prova i límits per a les emissions conduïdes i radiades dels vehicles i components del vehicle.
La marca europea CE requereix el compliment de la Directiva EMC. Això normalment significa complir la norma EN 55032 per a emissions i EN 55035 per a la immunitat. Per a coses d'automòbil, feu referència a EN 50498.
Aleshores, cada OEM de cotxes té les seves pròpies especificacions a la part superior. Ford té el seu. GM en té un altre. VW té un llibre sencer. Aquests solen ser més estrictes que els mínims normatius i inclouen proves d'immunitat que la normativa amb prou feines toca.
Superar totes aquestes proves costa diners i temps. Una qualificació completa d'EMC per a un BMS d'automòbil té un cost de 30.000 a 50.000 dòlars i requereix de tres a quatre setmanes de temps de cambra. Si falla, torneu enrere i arregleu les coses i torneu a provar. He vist programes cremar sis mesos i 200.000 dòlars en proves d'EMC abans d'obtenir una aprovació.
Solucionant Els Problemes
L'escut és l'instrument contundent. Col·loqueu una caixa metàl·lica al voltant de les coses sensibles i la majoria d'interferències no poden entrar. Tanmateix, la caixa ha de ser contínua. Fuites de costures. Els forats per als connectors tenen fuites. Les ranures de ventilació són bàsicament finestres per a l'energia de RF.
El blindatge real significa juntes conductores a cada costura. Significa connectors filtrats o condensadors de pas a cada punt d'entrada del cable. Significa que no hi ha ranures més llargues d'una desena part de la longitud d'ona a la freqüència més alta de preocupació. Aquest últim enganxa la gent. Si us importa la interferència d'1 GHz, les vostres ranures han de ser inferiors a 30 mil·límetres. Bona sort aconseguint aire de refrigeració a través d'això.
El filtratge gestiona les interferències conduïdes. Col·loqueu inductors i condensadors als llocs adequats per bloquejar el soroll d'alta freqüència mentre passeu els senyals o l'energia que realment voleu. Un filtre de mode diferencial gestiona el soroll que viatja per un cable i torna a l'altre. Un estrany de mode comú gestiona el soroll que viatja en la mateixa direcció als dos cables.
El disseny del filtre és complicat. La impedància de la font i la càrrega són importants. Un filtre que prova bé al banc pot no fer res al sistema real perquè les impedàncies són diferents. He vist enginyers mostrar-me amb orgull els seus esquemes de filtres i després preguntar-me per què les mesures de soroll no van canviar. Van dissenyar un sistema de 50 ohms i el van connectar a una cosa que semblava 5 ohms a les freqüències que els importaven.
L'estratègia de connexió a terra és on viu el veritable vudú. El paquet de bateries té seccions d'alta i baixa tensió. El costat HV inclou les cèl·lules i els contactors principals i el circuit de precàrrega. El costat BT té la interfície BMS i CAN i, de vegades, convertidors DC-DC aïllats. Aquests dos sistemes de terra haurien de connectar-se exactament en un punt. Més connexions creen bucles. Els bucles recullen interferències.
Trobar el punt únic adequat és un art. Depèn d'on passa el corrent i on es produeixen les mesures sensibles i on viuen les fonts de soroll. Cada disseny és diferent. M'agradaria poder donar-te una fórmula, però no n'hi ha cap.
Afers al disseny
Dins del BMS, la disposició del PCB fa o trenca el rendiment EMC.
Mantingueu les coses digitals d'alta velocitat lluny dels circuits de mesura analògics. El processador i el transceptor CAN i qualsevol regulador de commutació ruixen soroll. Les entrades de tensió de la cèl·lula i els circuits de mesura de temperatura són sensibles. La distància física ajuda. Els trencaments del pla de terra entre seccions ajuden més.
Traieu els parells diferencials junts i feu-los curts. Les línies de sentit de les aixetes de les cel·les haurien d'entrar al tauler el més a prop possible del xip AFE. Les traces més llargues recapten més interferències.
Vigileu els vostres camins de tornada. El corrent ha de fluir en un bucle. El senyal s'apaga en un rastre i torna a un altre. Si el camí de retorn no és evident, el corrent troba el seu propi camí i aquest camí podria ser un gran bucle que irradia com una antena.
Aboqui coure. Els grans plans de terra redueixen la impedància i donen als corrents de retorn un camí d'inductància baixa. Les vies de costura lliguen els avions i redueixen les ressonàncies.
Merda{0}}del món real
Fa uns anys vaig consultar per a una empresa que fabricava bateries per a carretons elevadors. El seu BMS va funcionar molt bé a la banqueta. Al carretó es va tornar boig. Les lectures de voltatge van saltar. El càlcul del SOC va vagar per tot arreu.
El carretó elevador tenia un gran motor de corrent continu amb un accionament de picador. Cada vegada que l'helicòpter canviava el corrent dels cables principals canviava uns quants centenars d'amperes en pocs microsegons. El camp magnètic d'aquest dI/dt es va acoblar a tot.
El seu intent de correcció va ser afegir perles de ferrita a les línies de sentit. No va fer res. La interferència s'acoblava magnèticament als bucles formats pels cables sensorials. Les ferrites bloquegen el soroll conduït i no l'acoblament del camp magnètic.
Vam acabar passant l'arnès sensorial a través d'un conducte flexible i allunyant-lo dels cables principals. A continuació, vam afegir un parell trenat de cada aixeta de cel·la en lloc de cables individuals. La torsió redueix l'àrea del bucle a la qual es pot acoblar el camp magnètic. Finalment, vam frenar el mostreig al xip AFE perquè s'integri durant més cicles d'interferència. El soroll va ser la mitjana.
El cost total de la reparació és d'uns tres dòlars per paquet en cable i conducte addicionals. No hauria costat res si ho haguessin pensat durant el disseny original.
Què demanar als venedors
Si esteu comprant paquets de bateries o plaques BMS, pregunteu sobre EMC abans de comprar.
A quins estàndards van provar? Demaneu els informes de proves reals no només un certificat. Els informes mostren la configuració de la prova i el marge fins al límit. Un producte que amb prou feines va passar és a un canvi de disseny de fallar.
Per a quin entorn electromagnètic van dissenyar? Un BMS destinat a un carro de golf pot no sobreviure en un autobús de trànsit amb tres inversors de tracció.
Han provat el paquet complet o només el tauler? La carcassa i el cablejat i els connectors canvien el comportament EMC. Provar un tauler nu no diu gairebé res sobre el producte acabat.
Quin tipus de filtrat i blindatge està integrat? Si la resposta és "confiem en l'integrador del sistema per gestionar-ho", teniu un problema. Ara sou responsable del compliment d'EMC i és possible que no tingueu les habilitats ni el pressupost per fer-ho bé.
On va això
S'acosta el BMS sense fil. En lloc d'executar cables de sentit a cada cel·la, poseu un petit mòdul sense fil a cada grup de cèl·lules i transmet les dades al controlador principal. Menys cablejat. Més fàcil d'atendre.
Però ara les vostres dades de mesurament volen per l'aire en un senyal de ràdio. Aquest senyal ha de competir amb tot el soroll electromagnètic de l'electrònica de potència. Les bandes sense fils ja estan plenes. He vist prototips on el BMS sense fil va perdre la comunicació durant una acceleració forta perquè el soroll de l'inversor va encallar el receptor.
Les tensions més altes fan que tot sigui més difícil. La indústria està passant a 800 V i més enllà per a una càrrega més ràpida i cables més petits. Més tensió significa més energia de commutació i més EMI. Les mateixes tècniques encara funcionen, però cal executar-les millor.
La integració no para de augmentar. El BMS i el carregador integrat i el convertidor de CC-CC estan amuntegats en una sola caixa. Menys pes i cost però més oportunitats d'interferència entre funcions. La detecció de cèl·lules analògiques ha de sobreviure al mateix recinte que un carregador de commutació de 10 kW.
EMC no desapareix. Cada any empitjora a mesura que l'electrònica és més ràpida i densa i els demanem que treballin en entorns més durs. El paquet de bateries és el cor del vehicle elèctric i mantenir-lo precís i fiable malgrat la tempesta electromagnètica que l'envolta és el que tracta el treball EMC.
