Интеграция фильтров электромагнитной совместимости и силовых преобразователей в трансмиссию современных электромобилей

Около 253 миллионов легковых и грузовых автомобилей перемещаются по дорогам  Соединенных Штатов. В 2015 году продажи электромобилей (EV) составили 462 000 штук. Ранее в этом году исследование Bloomberg New Energy Finance показало, что продажи электромобилей достигнут 41 миллиона к 2040 году или 35 процентов всех продаж автомобилей к 2040 году. И, согласно исследованиям рынка от IDTechEx, рынок электромобилей к 2026 году будет составлять 400 миллиардов долларов.

Содержание:


Данный тип электромобилей значительно отличается от их механических аналогов. На переднем крае электрических и гибридных автомобилей находятся компьютеризированные системы, которые контролируют их. Поскольку эти электронные транспортные средства постоянно дорабатываются, на этом постоянно растущем рынке возникают уникальные проблемы.

Благодаря уникальному строению силовых агрегатов электромобилей и их влиянию на силовые системы автомобиля, инженеры-конструкторы должны использовать компоненты, которые являются энергоэффективными, легкими и компактными. Они должны учитывать паразитные токи, которые могут вызвать потери энергии, электромагнитные помехи и другие проблемы. Компоненты должны выдерживать вибрацию, удары и большой диапазон температур при одновременном снижении электромагнитных помех, скачков напряжения и токов заземления. И компоненты должны потреблять энергию настолько эффективно, насколько это возможно, чтобы продлить срок службы электродвигателя и аккумуляторных систем.

В дополнение к тщательному процессу закупок, есть несколько лучших практик в разработке электромобилей, которые вращаются вокруг фильтрации электромагнитной совместимости (ЭMC) и конструкции силовых агрегатов, что помогает свести к минимуму эти риски. Компоненты и фильтры ЭMC помогают обеспечить хорошие  условия для правильной работы автомобильной связи, энергосистем и сетей.

Оптимизация синхронных и асинхронных электродвигателей

Большинство электроприводов можно разделить на два типа: асинхронный и синхронный. Легкие автомобили обычно используют синхронные двигатели с постоянными магнитами, тогда как более тяжелые промышленные транспортные средства используют асинхронные (или индукционные двигатели), где крутящий момент создается электромагнитной индукцией.

Как правило, производители автомобилей, как для синхронных, так и для асинхронных двигателей ограничивают максимально допустимое повышение напряжения (dV / dt) на клеммах инвертора около 5 кВ / мкс, как указано в МЭК 60034-18-41. Без этих ограничений паразитная емкость в обмотках может сочетаться с допустимым повышением напряжения (dV / dt) инвертора, что вызывает большие токи утечки на землю, что приводит к искрообразованию в подшипниках и эрозии поверхности из-за диэлектрического пробоя обмоток. В результате подшипники подвергаются большему риску отказа в течение более короткого срока службы.

Для достижения высокой энергоэффективности силовые полупроводники в инверторах должны работать на частотах коммутации в диапазоне от 4 до 15 кГц. Однако это может привести к генерации высших гармоник, которые на частоте 1 МГц могут вызывать помехи между силовым электроприводом и полосой средних волн. Это делает применение средних волн практически невозможным в автомобиле.

Интеграция фильтров электромагнитной совместимости в трансмиссия современных электромобилей

В качестве примера, Mouser сотрудничал с Infineon и TDK, чтобы переделать ключевые компоненты и сопоставить существующие, чтобы создать модули HybridPACK и EPCOS DC-коннектор. В совокупности эти решения не только используют новейшие микросхемы с диэлектрической прочностью 705 В, но и сокращают ESL в звене постоянного тока почти в два раза от примерно 30 нГн до примерно 15 нГн. Независимо от того, какое решение выбрано, важно оптимизировать компоненты для достижения наилучшего использования, и часто дистрибьюторы и эталонные образцы, предлагаемые производителями, могут помочь ускорить процесс.

Ферритовые сердечники увеличивают срок службы электродвигателя

Еще одна проблема, вызывающая резкие скачки напряжения, крутые фронты импульса от инвертора, в сочетании с паразитными индуктивностями кабелей двигателя. Они не только увеличиваются при комбинировании, но они могут привести к более высокой паразитной емкостной нагрузке между обмотками двигателя и его корпусом. Эта утечка токов может привести к пробою обмоток двигателя, вызванных дугой.

Для борьбы с этой проблемой необходимо использовать в качестве сердечников ферритовые кольца для прокладки кабелей от инвертора к электрической машине. Это значительно снижает помехи в режиме синфазного сигнала и снижает ток утечки до некритических уровней из-за более низкого значения dV / dt и обеспечивает надлежащее соблюдение пределов класса I-III.

Не все ферритовые сердечники одинаковы, поэтому инженеры должны указывать параметры, которые оптимизированы для их конкретного применения с точки зрения диапазонов частот и температур.

Этот график показывает значительное снижение перенапряжения Из-за более низкого напряжения при переключении, IGBT-модуль и двигатель защищены

Экранированные кабели помогают в электромагнитной совместимости

Как уже упоминалось, инверторы работают с управлением широтно-импульсной модуляцией, вызывая проблемы с электромагнитной совместимостью, как для входных, так и для выходных напряжений инверторов. Результирующие проводимые и излучаемые пульсации могут быть сведены к минимуму за счет инкапсуляции или экранирования кабелей.

Поскольку электродвигатели обычно расположены как можно ближе к колесам, а аккумулятор и инвертор расположены в разных местах транспортного средства, подключение преобразователя и аккумулятора должно выполняться с помощью длинного экранированного кабеля. Это может вызвать помехи в низковольтной системе транспортного средства из-за длины кабелей, а также может приводить к скачкам напряжения, которые достаточно велики, чтобы повредить инвертор и аккумулятор. Наконец, длинные кабели могут создавать большие экранирующие токи, которые способствуют появлению пульсаций в высокочастотном диапазоне.

Использование экранированных кабелей уменьшает пульсации, электромагнитные помехи и неблагоприятные факторы электромагнитной совместимости. Конструкция соединения от экранирования кабеля к батарее должна иметь чрезвычайно низкий импеданс, который поддерживает защиту и минимизирует проблемы с электромагнитной совместимостью (ЭМС).

В то время как на начальном этапе экранированные кабели являются лучшим решением, с течением времени их эффективность может быть снижена из-за вибраций, ударов, температуры, окисления и коррозии. Они могут ослабить экранирующую связь, что приводит к росту импеданса со временем.

Фильтры электромагнитной совместимости снижают электрические помехи

Высоковольтные фильтры постоянного тока создают многие другие потенциальные проблемы ЭМС. Для электромобилей, используемые фильтры постоянного тока должны иметь максимальное напряжение 600 В постоянного тока, что соответствует стандартным напряжениям батарей, используемых в системе.

Выбранные фильтры электромагнитной совместимости должны фильтровать электромагнитные помехи системы электропривода с номинальной мощностью свыше 100 кВт и охватывать диапазон от 150 А до 350 А постоянного тока. Это приводит к низкому сопротивлению в цепи постоянного тока и позволяет избежать значительных потерь в системе.

Графики иллюстрируют выбросы при использовании EPCOS HV DC ЭМС фильтраФильтры ЭМС настолько эффективны, что больше не обязательно использовать экранированные кабели между батареей и инвертором. Это дает значительные преимущества с точки зрения стоимости и веса, а также повышает долгосрочную стабильность из-за ослабления экранирования с течением времени.

В реальном тесте с не экранированным кабелем проводимые помехи были уменьшены примерно на 70 дБ (в 3000 раз). Хотя исключение экранированных кабелей не рекомендуется в каждом приложении, использование фильтров ЭМС для экономии веса, распределения веса и пространства является возможностью использования фильтров ЭМС.

Выводы

Использование силовых преобразователей, ферритовых сердечников, экранированных кабелей и электромагнитных фильтров, обеспечивает снижения утечки энергии, электромагнитных помех и увеличения срока службы электродвигателя. Это не только обеспечивает лучшие эксплуатационные возможности и длительный срок службы автомобиля, но и экономит пространство, снижает вес и минимизирует затраты.

Благодаря этой экономии инженеры могут лучше оптимизировать транспортные средства и внедрять новые функции, которые помогут в принятии электромобилей как основного транспортного средства, поскольку они догонят их механические аналоги практически по всем показателям к середине этого столетия.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *