ridurre EMI auto elettriche

Come mitigare l’EMI nei veicoli elettrici?

I veicoli elettrici (EV) stanno diventando più efficienti e popolari che mai, ma non sono di certo immuni alle interferenze elettromagnetiche, che possono disturbarne il funzionamento. Lo stesso vale per le auto con motore a combustione (ICE), ma dato che le cause sono diverse, per mitigare le EMI nei veicoli elettrici è necessario guardare a delle soluzioni alternative.

Rispetto ai veicoli ICE, nelle auto elettriche i disturbi vengono causati principalmente dal sistema di gestione delle batterie (BMS), dei numerosi convertitori DC-DC e dagli inverter di commutazione. Ma non solo: i potenti motori elettrici utilizzati per questa tipologia di auto emettono livelli elevati di EMI sia attraverso emissioni irradiate che condotte – decine o addirittura centinaia di kilowatt!

È di estrema importanza trovare dei modi per ridurre al minimo le EMI, per progettare dei veicoli che rispettano le norme sulla compatibilità elettromagnetica (EMC) che rappresenta “la capacità dei sistemi, delle apparecchiature e dei dispositivi elettrici ed elettronici di funzionare in un ambiente elettromagnetico previsto, entro un margine di sicurezza definito, senza subire o causare una degradazione inaccettabile a causa di interferenze elettromagnetiche”. (ANSI C64.14-1992).

Emissioni irradiate dei veicoli elettrici

In generale, l’EMI in un veicolo elettrico disturba la normale funzionalità dei suoi sistemi elettronici, come l’audio, il GPS, il controllo degli air-bag e le funzionalità di avviso ed evitamento delle collisioni.

I veicoli elettrici sono caratterizzati da una commutazione molto rapida dei dispositivi di alimentazione, come succede negli inverter. Un inverter provoca emissioni condotte a causa della commutazione ad alta velocità dei suoi dispositivi di potenza, che generano una corrente all’interno del telaio metallico del veicolo, che a sua volta genera EMI irradiate. Ciò provoca interferenze non solo con il sistema interno del veicolo, ma anche con altri veicoli vicini o con qualsiasi altra apparecchiatura elettronica che si trovi nelle vicinanze.

Emissioni condotte dei veicoli elettrici

Le emissioni dovute agli inverter di potenza vengono trasmesse attraverso i cavi del bus di alimentazione CC fino alla batteria e poi attraverso i cavi del bus di alimentazione CA fino al motore.

Riduzione delle EMI nei veicoli ICE

Un buon filtro EMI riduce al minimo gli effetti EMI degli inverter di potenza di un veicolo sia sul lato CC che sul lato CA. Tuttavia, anche se i filtri riducono l’interferenza, la commutazione ad alta frequenza continuerà a generare EMI.

Per un uso automobilistico, ecco alcune tipologie di filtri EMI e tecniche diffuse:

Schermatura

La schermatura è il metodo principale che consente la protezione e la compatibilità elettromagnetica (EM). La schermatura utilizza materiali per proteggere i dispositivi sensibili dalle interferenze; tuttavia, le schermature EM influiscono negativamente sul peso, sul volume e sulle prestazioni di un veicolo.

Poiché la schermatura dei cavi è risultata essere il percorso principale del rumore EMI di modo comune, tale schermatura deve essere progettata con molta attenzione.

Il progetto della schermatura deve ridurre al minimo le discontinuità dell’involucro per garantire una superficie conduttiva uniforme.

Filtraggio EMI di modo comune

Questa classe di filtri è ideale per ridurre il rumore di modo comune con frequenze che vanno da pochi megahertz a poche centinaia di megahertz e non causano alcuna degradazione del segnale.

Sono utilizzati in applicazioni automobilistiche come USB, CAN, CAN-FD, 100Base-T1, 1000Base-T1, LVDS e SerDes.

Tali filtri per il settore automobilistico devono essere qualificati secondo la norma AEC-Q101 e devono soddisfare standard quali IEC 61000-4-2 e ISO 10605.

Filtri EMI per modalità differenziale

Le linee di segnale in modalità differenziale, hanno le proprie linee di “ritorno” della corrente o del segnale. La suscettibilità al rumore all’interno delle linee di segnale in modalità differenziale può essere dovuta al campo magnetico, al campo elettrico o anche all’accoppiamento irradiato o condotto.

La radiazione del rumore, che proviene dalle linee di segnale in modalità differenziale, può anche essere causata da un cattivo layout della scheda di circuito o da un filtraggio improprio o assente.

Filtri EMI attivi

I filtri EMI attivi (AEF) sono un’alternativa perfetta ai filtri passivi, molto costosi e ingombranti. Un AEF integrato può essere progettato con circuiti attivi per rilevare il rumore e immettere un segnale di cancellazione adeguato (icancel) che riduce le EMI (Fig. 1).

Il soft-switching riduce la generazione di EMI

Questi inverter, comunemente chiamati inverter risonanti, riducono le EMI e le perdite di potenza di commutazione.

In questa classe di inverter, l’interruttore di potenza cambia lo stato di commutazione da acceso a spento e viceversa. In questo caso, l’interruttore di potenza non viene attraversato da alcuna tensione né da alcuna corrente.

EMI nell’unità di trasmissione elettronica

I problemi di compatibilità elettromagnetica sono uno dei principali problemi di progettazione di un veicolo elettrico all’inizio del progetto.

Motore elettrico

Un ingegnere progettista di motori dovrà concentrarsi su alcuni aspetti EMC per limitare al minimo le interferenze elettromagnetiche, oltre che per ottimizzare la precisione del controllo.

Tali aspetti progettuali comprendono:

  • Busbar: Questo dispositivo costituisce un’opzione decisamente migliore rispetto ai cavi nei veicoli elettrici, rendendo possibile un’elevata densità di corrente. Per quanto riguarda la compatibilità elettromagnetica, la sbarra permette di ridurre la lunghezza dei cavi che corrono tra i terminali del motore e gli interruttori ad alta potenza. Le induttanze serie parassite, insieme alla capacità shunt parassita, migliorano notevolmente il progetto EMC.
  • Avvolgimento finale: Una disposizione ottimale degli avvolgimenti del motore elettrico determina la forza magnetomotrice (MMF) e la forma delle tensioni generate in ampiezza e forma d’onda.

Sistemi di trazione

I veicoli elettrici sono generalmente dotati di sistemi di trazione elettronici di potenza dell’ordine di 100 kW e di tensioni della batteria fino a 800 V. Questi sistemi di trazione sono generalmente responsabili della produzione di una grande quantità di EMI a banda larga e possono influire sulla CEM del veicolo.

Conclusione

Abbiamo esplorato i vari modi per mitigare le EMI nei veicoli elettrici e ICE, dal filtraggio delle EMI di modo comune ai filtri EMI attivi. Abbiamo anche discusso di come il soft-switching riduca la generazione di EMI, nonché degli aspetti progettuali su cui un ingegnere deve concentrarsi quando progetta un motore per la compatibilità elettromagnetica. Infine, abbiamo esaminato le sfide dei sistemi di trazione elettronica per quanto riguarda il loro potenziale di produzione di grandi quantità di EMI a banda larga.

Articolo originale: How to mitigate EMI in electric vehicles (Electronics Deisgn)

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Redazione Fare Elettronica