Vad är elektromagnetisk kompatibilitet?

Femton år i den här branschen och EMC biter mig fortfarande i rumpan minst två gånger om året.

I våras blev jag kallad till ett projekt för ett företag som tillverkar lastbilar. Deras BMS fortsatte att kasta cellöverspänningsfel. Inte riktig överspänning - cellerna var bra. Övervaknings-IC:n läste skräp. De hade jagat det här i tre månader. Bytte ut AFE-chipsen två gånger. Kopplade om sensorselen. Ingenting fungerade.

Det tog mig två dagar att hitta den. Deras motorstyrenhet satt arton tum från batteripaketet. Ingen skärmning mellan dem. Styrenheten växlade vid 8 kHz och varje kant kopplades rakt in i cellspänningsavkänningslinjerna. Ledningarna fungerade som antenner. Tjugo millivolt inducerat brus på en mätning som kräver millivolts noggrannhet. BMS såg spänningsspikar som inte fanns och stängde av allt.

Det är EMC. Elektromagnetisk kompatibilitet. Dina grejer måste gå runt andra grejer utan att det ena förstör det andra.

EMC går sönder i två delar och du måste hantera båda.

Emissioner betyder ljudet som din enhet avger. Varje kopplingskrets strålar. Varje tråd med växlande ström skapar ett magnetfält. En DC-DC-omvandlare som körs på 200 kHz sprejar RF-energi överallt. Om den energin är tillräckligt stark stoppar den radion i hytten eller korrumperar CAN-bussmeddelanden eller får ABS-styrenheten att tro att hjulen låser sig.

Mottaglighet är den andra sidan. Hur mycket skit kan din enhet ta innan den slutar fungera. En BMS måste läsa cellspänningar exakt när den sitter bredvid en växelriktare som hamrar på DC-bussen med 400 ampere pulser vid 10 kHz. Avkänningskretsarna måste ignorera allt detta och fortfarande mäta den faktiska cellspänningen.

De flesta ingenjörer jag träffar tänker på utsläpp eftersom det är vad de regulatoriska testerna fokuserar på. De glömmer känsligheten tills produkten misslyckas i fält. Då får alla panik.

Gamla bly-batterier satt precis där. Du skruvade fast dem och kopplade två kablar. Kanske hade du en shunt för strömmätning. Det var det.

Litiumpaket har elektronik överallt. BMS övervakar varje cell. Den pratar med temperatursensorer utspridda i packningen. Den kommunicerar med fordonet via CAN eller någon annan buss. Den styr kontaktorer. Den beräknar laddningstillstånd och hälsotillstånd med hjälp av algoritmer som är beroende av exakta mätningar.

Exakt är nyckelordet. En cellspänningsmätning som driver med 50 millivolt kastar bort din SOC-beräkning. Gör det över hundra celler och din räckviddsberäkning är värdelös. Driv den med 100 millivolt och du kan överladda en cell eller missa ett underspänningstillstånd.

Avkänningskablarna är den svaga punkten. De går från varje cellkran till BMS-kortet. I en stor förpackning innebär det att kablar går två meter eller mer genom en miljö full av elektromagnetiskt brus. Varje tråd tar upp störningar. Ju längre tråd desto värre är problemet.

Jag arbetade på ett bussbatteri där sensorselen löpte bredvid de huvudsakliga DC-bussskenorna. Stängerna bar 300 ampere under acceleration. Magnetfältet från den strömmen inducerade signaler på millivolt-nivå i avkänningsledningarna. BMS trodde att cellerna studsade upp och ner. Den gick i skyddsläge och dödade bussen på motorvägen.

Electromagnetic Compatibility

Fellägena är fula.

Falska överspänningsutlösningar är vanliga. Brus ökar den verkliga cellspänningen och BMS tror att cellen är på 4,3V när den faktiskt är på 4,1V. Skyddet slår in och systemet stängs av. Operatören ser en felkod som inte är meningsfull eftersom cellerna är bra.

Falsk underspänning är värre. BMS tror att en cell är lägre än vad den verkligen är. Den fortsätter urladdningen förbi den säkra gränsen. Verklig skada inträffar.

Kommunikationsfel förstör saker annorlunda. Ett batteripaket kan ha sex eller åtta övervakningskort daisy-kedjade på en isoSPI-buss. Den bussen går på några megahertz. EMI korrumperar ett paket och plötsligt har huvudkontrollern dålig data för sexton celler. Stängs den av? Använder den den sista bra läsningen? Interpolerar det? Varje alternativ har problem.

Temperaturmätningen blir också skadad. NTC-termistorer producerar små signaler. Några millivolts brus ser ut som en temperatursvängning på tjugo grader. BMS kan slå på kylning som inte behövs eller missa en termisk runaway som startar.

Det finns regulatoriska standarder men de är en röra av överlappande krav.

FCC Part 15 täcker utsläpp i Nordamerika. Den sätter gränser för hur mycket RF-energi din produkt kan spruta ut i luften. Gränserna beror på om du säljer till konsumenter eller industriella användare. Industrin blir mer slapp.

För fordon hanterar du även CISPR 25 och CISPR 12. Dessa är internationella standarder som de flesta länder antar med mindre justeringar. De anger testmetoder och gränsvärden för utförda och utstrålade utsläpp från fordon och fordonskomponenter.

Den europeiska CE-märkningen kräver överensstämmelse med EMC-direktivet. Det innebär vanligtvis att uppfylla EN 55032 för emissioner och EN 55035 för immunitet. För bilsaker hänvisar du istället till EN 50498.

Sedan har varje biltillverkare sina egna specifikationer ovanpå. Ford har sin grej. GM har en annan. VW har en hel bok. Dessa är vanligtvis strängare än de lagstadgade minimikraven och inkluderar immunitetstester som reglerna knappt berör.

Att ta sig igenom alla dessa tester kostar pengar och tid. En fullständig EMC-kvalificering för en BMS för fordon kostar $30 000 till $50 000 och tar tre till fyra veckors kammartid. Om du misslyckas går du tillbaka och fixar saker och testar igen. Jag har sett program brinna sex månader och $200 000 på EMC-testning innan de fick godkänt.

Electromagnetic Compatibility

Avskärmning är det trubbiga instrumentet. Sätt en metalllåda runt de känsliga sakerna och de flesta störningar kan inte komma in. Boxen måste dock vara kontinuerlig. Sömmarna läcker. Hål för kontakter läcker. Ventilationsöppningar är i grunden fönster för RF-energi.

Verklig skärmning innebär ledande packningar vid varje söm. Det betyder filtrerade kontakter eller genomströmningskondensatorer vid varje trådingångspunkt. Det betyder att inga platser är längre än en tiondels våglängd vid din högsta frekvens. Det sista väcker folk. Om du bryr dig om 1 GHz-störningar måste dina slots vara mindre än 30 millimeter. Lycka till att få kylande luft genom det.

Filterhandtag ledde störningar. Du sätter induktorer och kondensatorer på rätt ställen för att blockera högfrekvent brus samtidigt som du skickar de signaler eller kraft du faktiskt vill ha. Ett differentiallägesfilter hanterar buller som rör sig längs en tråd och tillbaka på den andra. En choke i common mode hanterar ljud som rör sig i samma riktning på båda ledningarna.

Filterdesign är knepigt. Impedansen för källan och belastningen har betydelse. Ett filter som testar bra på bänken kanske inte gör något i själva systemet eftersom impedanserna är olika. Jag har sett ingenjörer stolt visa mig sina filterscheman och sedan undra varför brusmätningarna inte ändrades. De designade för ett 50 ohm system och kopplade in det till något som såg ut som 5 ohm vid de frekvenser de brydde sig om.

Jordningsstrategi är där den verkliga voodooen bor. Batteripaketet har högspännings- och lågspänningssektioner. HV-sidan inkluderar celler och huvudkontaktorer och förladdningskrets. LV-sidan har BMS- och CAN-gränssnittet och ibland isolerade DC-DC-omvandlare. Dessa två jordsystem ska anslutas vid exakt en punkt. Fler anslutningar skapar loopar. Slingor tar upp störningar.

Att hitta rätt enstaka punkt är en konst. Det beror på var strömmen går och var de känsliga mätningarna sker och var bullerkällorna bor. Varje layout är annorlunda. Jag önskar att jag kunde ge dig en formel men det finns ingen.

Inuti BMS skapar eller bryter PCB-layouten EMC-prestanda.

Håll höghastighets digitala saker borta från analoga mätkretsar. Processorn och CAN-transceivern och eventuella omkopplingsregulatorer sprider brus. Cellspänningsingångarna och temperaturmätningskretsarna är känsliga. Fysiskt avstånd hjälper. Markplansavbrott mellan sektionerna hjälper mer.

Dra differentialpar tillsammans och håll dem korta. Avkänningslinjerna från celltapparna ska komma in i kortet så nära AFE-chippet som möjligt. Längre spår tar upp mer störningar.

Titta på dina återvändsvägar. Ström måste flyta i en slinga. Signalen slocknar på ett spår och kommer tillbaka på ett annat. Om returvägen inte är uppenbar hittar strömmen sin egen väg och den vägen kan vara en stor slinga som strålar ut som en antenn.

Häll koppar. Stora jordplan minskar impedansen och ger returströmmar en låg induktansväg. Stitching vias binder ihop planen och minskar resonanser.

För några år sedan konsulterade jag för en startup som tillverkade batteripaket för gaffeltruckar. Deras BMS fungerade utmärkt på bänken. I gaffeltrucken blev det galet. Spänningsavläsningarna hoppade runt. SOC-beräkningen vandrade överallt.

Gaffeltrucken hade en stor likströmsmotor med chopperdrift. Varje gång choppern bytte ändrades strömmen i huvudkablarna med några hundra ampere på några mikrosekunder. Magnetfältet från den dI/dt kopplade in i allt.

Deras fixförsök var att lägga till ferritpärlor på avkänningslinjerna. Gjorde ingenting. Interferensen kopplades magnetiskt in i slingorna som bildades av avkänningsledningarna. Ferriter blockerar ledat brus inte magnetfältskoppling.

Det slutade med att vi körde sensorselen genom flexibel ledning och dirigerade bort den från huvudkablarna. Sedan lade vi till ett tvinnat par från varje cellkran istället för enstaka ledningar. Vridning minskar slingområdet som magnetfältet kan kopplas in i. Slutligen saktade vi ner samplingen på AFE-chippet så att det integrerades över fler cykler av störningen. Bullret i genomsnitt ut.

Total fix kostar cirka tre dollar per förpackning i extra tråd och kanal. Hade inte kostat något om de hade tänkt på det under den ursprungliga designen.

Electromagnetic Compatibility

Om du köper batteripaket eller BMS-kort fråga om EMC innan du köper.

Vilka standarder testade de enligt? Be om de faktiska testrapporterna, inte bara ett certifikat. Rapporterna visar testinställningen och marginalen till gränsen. En produkt som knappt gick igenom är en designändring från att misslyckas.

Vilken elektromagnetisk miljö designade de för? En BMS avsedd för en golfbil kanske inte överlever i en transitbuss med tre dragväxelriktare.

Testade de hela paketet eller bara brädan? Huset och kablarna och kontakterna ändrar EMC-beteendet. Att testa en bräda säger nästan ingenting om den färdiga produkten.

Vilken typ av filtrering och skärmning är inbyggd? Om svaret är "vi litar på att systemintegratören hanterar det" har du ett problem. Du är nu ansvarig för EMC-efterlevnad och du kanske inte har kompetensen eller budgeten för att göra det rätt.

Trådlöst BMS kommer. Istället för att dra avkänningsledningar till varje cell sätter du en liten trådlös modul vid varje cellgrupp och den överför data tillbaka till huvudkontrollenheten. Mindre ledningar. Lättare att serva.

Men nu flyger dina mätdata genom luften i en radiosignal. Den signalen måste konkurrera med allt elektromagnetiskt brus från kraftelektroniken. De trådlösa banden är redan trånga. Jag har sett prototyper där det trådlösa BMS:et tappade kommunikationen under hård acceleration på grund av att växelriktarljudet fastnade i mottagaren.

Högre spänningar gör allt svårare. Branschen går över till 800V och längre för snabbare laddning och mindre kablar. Mer spänning betyder mer kopplingsenergi och mer EMI. Samma tekniker fungerar fortfarande men du måste utföra dem bättre.

Integrationen fortsätter att öka. BMS och den inbyggda laddaren och DC-DC-omvandlaren är alla inpackade i en låda. Mindre vikt och kostnad men fler möjligheter till interferens mellan funktioner. Den analoga cellavkänningen måste överleva i samma hölje som en 10 kW switchad laddare.

EMC försvinner inte. Det blir värre för varje år eftersom elektroniken blir snabbare och tätare och vi ber dem att arbeta i tuffare miljöer. Batteripaketet är hjärtat i elfordonet och att hålla det exakt och pålitligt trots den elektromagnetiska stormen runt det är vad EMC-arbete handlar om.