Трансмиссия электромобиля и фильтры электромагнитной совместимости ЭМС

Интеграция фильтров электромагнитной совместимости и силовых преобразователей в трансмиссию современных электромобилей

Около 253 миллионов легковых и грузовых автомобилей перемещаются по дорогам Соединенных Штатов. В 2020 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 >

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.

Каждый электрик должен знать:  Что такое потери напряжения и причины образования потерь напряжения

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.

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.

Каждый электрик должен знать:  Термоэлектрический модуль Пельтье - устройство, принцип действия, характеристики

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.

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.

Каждый электрик должен знать:  Хранение аккумулятора 18650 советы и основные способы

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.

Фильтры 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