電磁両立性とは何ですか?

このビジネスに携わって 15 年になりますが、EMC は今でも少なくとも年に 2 回は私のお尻を噛みつきます。

去年の春、私は配送用バンを製造している会社のプロジェクトに呼ばれました。彼らの BMS はセル過電圧障害をスローし続けました。実際の過電圧ではありません - セルは正常でした。監視ICがゴミを読み取っていました。彼らはこれを3か月間追跡していました。 AFEチップを2回交換。センスハーネスを再配線しました。何も機能しませんでした。

見つけるのに2日かかりました。モーターコントローラーはバッテリーパックから 18 インチ離れた位置にありました。それらの間には遮蔽物はありません。コントローラーは 8 kHz でスイッチングし、すべてのエッジがセル電圧検出ラインに直接結合されました。ワイヤーがアンテナのように機能していました。ミリボルトの精度が必要な測定時に 20 ミリボルトの誘導ノイズが発生する。 BMS は存在しない電圧スパイクを検出し、すべてをシャットダウンしました。

それがEMCです。電磁適合性。あなたのものは、どちらか一方が他方を台無しにすることなく、他のものを回避する必要があります。

EMC は 2 つの部分に分かれており、両方に対処する必要があります。

放射とは、デバイスが発するノイズを意味します。すべてのスイッチング回路は放射します。電流が変化するすべてのワイヤが磁場を生成します。 200 kHz で動作する DC- DC コンバータは、RF エネルギーをあらゆる場所に放射します。そのエネルギーが十分に強い場合、キャブ内の無線が妨害されたり、CAN バスメッセージが破損したり、ABS コントローラーが車輪がロックしていると認識したりすることがあります。

感受性はその反対側です。デバイスが正常に動作しなくなるまでにどれだけのゴミがかかるか。 BMS は、10 kHz で 400 アンペアのパルスを DC バスに送信するインバーターの隣に設置されている間、セル電圧を正確に読み取る必要があります。検知回路はこれらすべてを無視して、実際のセル電圧を測定する必要があります。

私が会うほとんどのエンジニアは排出ガスについて考えています。なぜなら、それが規制試験で焦点を当てているからです。製品が現場で失敗するまで、彼らは感受性を忘れてしまいます。するとみんなパニックになります。

古い鉛蓄電池はただそこに放置されていました。-それらをボルトで固定し、2 本のケーブルを接続しました。おそらく電流測定用のシャントがあったのでしょう。それはそれでした。

リチウムパックにはあらゆるところに電子機器が組み込まれています。 BMS はすべてのセルを監視します。パックの周りに点在する温度センサーと通信します。 CAN またはその他のバスを介して車両と通信します。コンタクタを制御します。正確な測定に基づくアルゴリズムを使用して、充電状態と健康状態を計算します。

正確さがキーワードです。セル電圧測定値が 50 ミリボルト変動すると、SOC の計算が狂います。これを 100 個のセルにわたって行うと、範囲の推定は役に立ちません。 100ミリボルトドリフトすると、セルを過充電したり、不足電圧状態を見逃したりする可能性があります。

センシング線が弱点です。これらは各セルタップから BMS ボードまで実行されます。大きなパックでは、電磁ノイズに満ちた環境の中を 2 メートル以上のワイヤが走行することを意味します。すべてのワイヤが干渉を拾います。ワイヤーが長ければ長いほど、問題は悪化します。

私は、センスハーネスがメイン DC バスバーのすぐ横にあるバスバッテリーパックに取り組みました。バーには加速中に 300 アンペアの電流が流れました。その電流からの磁場により、センスワイヤにミリボルト-レベルの信号が誘導されました。 BMS は、セルが上下に跳ね返っていると考えました。保護モードに入り、高速道路上でバスを死亡させた。

Electromagnetic Compatibility

故障モードは醜いです。

誤った過電圧トリップはよくあることです。実際のセル電圧にノイズが加わり、実際には 4.1V であるにもかかわらず、BMS はセルが 4.3V であると認識します。保護が作動し、システムがシャットダウンします。セルは正常であるため、オペレーターには意味のない障害コードが表示されます。

誤った不足電圧はさらに悪いことです。 BMS はセルが実際よりも低いと考えます。安全限界を超えて放電し続けます。実際の被害が発生します。

通信エラーは事態を別の方向に混乱させます。バッテリーパックには、isoSPI バス上にデイジーチェーン接続された 6 つまたは 8 つのモニタリングボードが搭載されている場合があります。-そのバスは数メガヘルツで走ります。 EMI によりパケットが破損し、メインコントローラに突然 16 セル分の不正なデータが発生します。シャットダウンしますか？前回の良い読みを使用しますか?補間するのでしょうか？どの選択肢にも問題はあります。

温度測定も壊れます。 NTC サーミスタは小さな信号を生成します。数ミリボルトのノイズは、温度が 20 度変化したように見えます。 BMS は、不必要な冷却をオンにしたり、始まっている熱暴走を見逃したりする可能性があります。

規制基準は存在しますが、それらは重複する要件がごちゃ混ぜになっています。

FCC Part 15 は北米での排出量を対象としています。製品が空気中に噴射できる RF エネルギーの量に制限を設けます。制限は、販売先が消費者か産業ユーザーかによって異なります。産業部門はさらに緩みます。

車両の場合は、CISPR 25 および CISPR 12 も扱います。これらは、ほとんどの国が若干の調整を加えて採用している国際規格です。これらは、車両および車両コンポーネントからの伝導および放射放出の試験方法と制限を規定しています。

欧州の CE マークは、EMC 指令への準拠を必要とします。これは通常、排出に関しては EN 55032、イミュニティに関しては EN 55035 を満たすことを意味します。自動車関連のものについては、代わりに EN 50498 を参照してください。

そして、各自動車 OEM は独自の仕様をその上に重ね合わせます。フォードには彼らの事情がある。 GMには別のものがあります。 VWには本が丸ごとあります。これらは通常、規制の最小値よりも厳しく、規制がほとんど触れていないイミュニティテストが含まれます。

このすべてのテストを通過するには、お金と時間がかかります。自動車 BMS の完全な EMC 認定には 30,000 ドルから 50,000 ドルの費用がかかり、3 ～ 4 週間の試験時間がかかります。失敗した場合は、戻って問題を修正し、再度テストします。合格を得るまでに、EMC テストで 6 か月と 20 万ドルを費やしたプログラムを見てきました。

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シールドは鈍器です。敏感なものの周りに金属製の箱を置けば、ほとんどの干渉は侵入できなくなります。ただし、箱は連続していなければなりません。縫い目から漏れる。コネクタの穴から漏れが発生します。換気スロットは基本的に RF エネルギーの窓です。

本物のシールドとは、すべての縫い目に導電性ガスケットを使用することを意味します。これは、すべてのワイヤ入口点にフィルタ付きコネクタまたは貫通コンデンサを意味します。これは、対象となる最高周波数で波長の 10 分の 1 を超えるスロットがないことを意味します。最後の部分は人々をつまずかせます。 1 GHz の干渉を気にする場合は、スロットを 30 ミリメートル未満にする必要があります。そこから冷却空気が得られると幸いです。

フィルタリングは伝導干渉を処理します。インダクタとコンデンサを適切な場所に配置して、実際に必要な信号や電力を通過させながら高周波ノイズをブロックします。差動モードフィルタは、一方のワイヤを通過してもう一方のワイヤを通過するノイズを処理します。コモンモードチョークは、両方のワイヤ上で同じ方向に伝わるノイズを処理します。

フィルターの設計は難しいです。電源と負荷のインピーダンスが重要です。ベンチでは優れたテストを行ったフィルターでも、実際のシステムではインピーダンスが異なるため、何も機能しない可能性があります。エンジニアが誇らしげにフィルターの回路図を見せながら、なぜノイズ測定値が変わらないのか不思議に思うのを見たことがあります。彼らは 50 オームのシステム用に設計し、それを関心のある周波数で 5 オームのように見えるものに接続しました。

グラウンディング戦略こそが真のブードゥー教の生きる場所です。バッテリーパックには高電圧セクションと低電圧セクションがあります。 HV 側には、セル、メインコンタクタ、およびプリチャージ回路が含まれます。 LV 側には BMS および CAN インターフェースがあり、場合によっては絶縁型 DC- DC コンバーターもあります。これら 2 つの接地システムは、正確に 1 点で接続する必要があります。接続が増えるとループが作成されます。ループは干渉を拾います。

適切な単一点を見つけるのは芸術です。それは、電流が流れる場所、敏感な測定が行われる場所、およびノイズ源が存在する場所によって異なります。それぞれのレイアウトが異なります。公式を教えていただければいいのですが、公式はありません。

BMS 内部では、PCB レイアウトが EMC パフォーマンスを左右します。

高速デジタル機器をアナログ測定回路から遠ざけてください。プロセッサ、CAN トランシーバ、およびスイッチングレギュレータからノイズが発生します。セル電圧入力と温度測定回路は敏感です。物理的な距離が役立ちます。セクション間のグランドプレーンのブレークはさらに役立ちます。

差動ペアをまとめて配線し、短くしてください。セルタップからのセンスラインは、AFE チップのできるだけ近くでボードに入る必要があります。トレースが長いほど、より多くの干渉を拾います。

帰り道に気をつけてください。電流はループ内を流れる必要があります。信号は 1 つのトレースから出て、別のトレースに戻ってきます。戻り経路が明らかでない場合、電流は独自の経路を見つけ、その経路がアンテナのように放射する大きなループになる可能性があります。

銅を注ぎます。大きなグランドプレーンはインピーダンスを低減し、リターン電流に低インダクタンスの経路を与えます。ステッチビアはプレーンを結合し、共振を低減します。

数年前、私はフォークリフト用のバッテリーパックを製造するスタートアップ企業のコンサルティングをしました。彼らの BMS はベンチでうまく機能しました。フォークリフトの中でおかしくなった。電圧測定値が飛び回りました。 SOC の計算があちこちに迷いました。

フォークリフトにはチョッパー駆動の大きな DC モーターが搭載されていました。チョッパーが切り替わるたびに、メインケーブルの電流が数マイクロ秒で数百アンペア変化します。そのdI/dtからの磁場があらゆるものに結合しました。

彼らの修正の試みは、センスラインにフェライトビーズを追加することでした。何もしなかった。干渉は、センスワイヤによって形成されたループに磁気的に結合していました。フェライトは、磁界結合ではなく伝導ノイズをブロックします。

最終的に、センスハーネスをフレキシブルコンジットに通し、メインケーブルから遠ざけるように配線しました。次に、各セルのタップから単線の代わりにツイストペアを追加しました。ねじることにより、磁場が結合できるループ領域が減少します。最後に、AFE チップのサンプリングを遅くして、より多くの干渉サイクルにわたって統合できるようにしました。ノイズは平均化されました。

追加のワイヤーと導管で合計修理費用は 1 パックあたり約 3 ドルです。元の設計時にそれを考えていたら、費用はかからなかったでしょう。

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バッテリーパックまたは BMS ボードを購入する場合は、購入前に EMC について問い合わせてください。

彼らはどのような基準でテストを行ったのでしょうか?証明書だけでなく実際のテストレポートを求めてください。レポートには、テスト設定と限界までのマージンが表示されます。かろうじて合格した製品は、設計変更を 1 回行うだけで不合格になります。

どのような電磁環境を想定して設計されたのでしょうか?ゴルフカート用の BMS は、3 台のトラクションインバータを備えた交通バスには耐えられない可能性があります。

彼らはパック全体をテストしましたか、それともボードだけをテストしましたか?ハウジング、配線、コネクタは EMC の動作を変化させます。ベアボードをテストしても、完成品についてはほとんど何もわかりません。

どのようなフィルタリングとシールドが組み込まれていますか?答えが「システムインテグレーターに任せて対応している」のであれば、問題があります。あなたは現在、EMC コンプライアンスの責任を負っていますが、それを正しく行うためのスキルや予算がないかもしれません。

ワイヤレス BMS が登場します。すべてのセルにセンスワイヤを配線する代わりに、各セルグループに小さな無線モジュールを配置すると、データがメインコントローラーに送信されます。配線が少なくなります。サービスが簡単になります。

しかし現在、測定データは無線信号に乗って空中を飛び交っています。その信号は、パワーエレクトロニクスからのすべての電磁ノイズと競合する必要があります。無線帯域はすでに混雑しています。私は、インバーターのノイズが受信機を妨害したため、急加速中にワイヤレス BMS が通信を失ったプロトタイプを見たことがあります。

電圧が高くなると、すべてが難しくなります。業界は、より高速な充電とより小さなケーブルを求めて 800V 以上に移行しています。電圧が増加すると、スイッチングエネルギーが増加し、EMI が増加します。同じテクニックは今でも機能しますが、より適切に実行する必要があります。

統合は増え続けています。 BMS、オンボード充電器、DC- DC コンバーターがすべて 1 つのボックスに詰め込まれています。重量とコストは軽減されますが、機能間の干渉が発生する可能性が高くなります。アナログセルセンシングは、10 kW スイッチング充電器と同じ筐体内で存続する必要があります。

EMC はなくならない。電子機器の高速化と高密度化が進み、より過酷な環境での作業が求められるにつれて、状況は年々悪化しています。バッテリーパックは電気自動車の心臓部であり、周囲の電磁嵐にもかかわらずバッテリーパックの精度と信頼性を維持することが EMC 作業の目的です。