Sähköautojen EMC-hyväksynnät
|
Table of Contents
|
"Pikku-e" ja muiden EMC-vaatimusten sisältö
EMC on sähkömagneettista yhteensopivuutta - laite ei saa häiritä muita eikä häiriintyä. Sähköauto ei saa häiritä myöskään omia järjestelmiään toimiakseen luotettavasti ja tarkoituksenmukaisesti. Pahimmillaan EMC:n kannalta heikko osa voi rikkoontua itse normaalissakin käytössä tai rikkoa toisia kohtuullisesti suojattuja osia.
Direktiivit ja standardit
Sähköajoneuvoja koskevat EMC-direktiivit: Lähinnä 2004/104/EC (ajoneuvojen EMC) ja 2004/108/EY ja 2014/30/EU (yleinen EMC), vanhoja autoja koskevat vanhemmat direktiivit (95/54/EY tai 72/245/ETY+89/491/ETY). Jos ajoneuvo sisältää esim. GSM-modulin tai WLAN-modulin, on sovellettava myös radio- ja telepäätelaitedirektiiviä 1999/5/EY (R&TTE) ja jatkossa radiolaitedirektiiviä 2014/53/EU (RED).
- Vaatii joidenkin standardien mukaista testausta ja vaatimusten täyttämistä (sanktioidenkin uhalla). Direktiivit antavat rasitus- ja hyväksymistasoja.
- Direktiivit on asetettu voimaan noudatettaviksi lainsäädännön kautta
- Hyvin suunniteltu elektroniikka täyttää muitakin standardeja kuin pakolliset. Monia standardeja voi käyttää asettamaan kohtuullisia vaatimuksia tuotteelle. Standardit antavat toistettavia ja vertailtavissa olevia mittausmenettelyjä laitteen laadulle.
- Ajoneuvo-EMC todistettava hyväksytyn (akkreditoidun) laboratorion mittauksin, yleinen EMC valmistajan vastuulla.
Katso vanhojen mallien EMC-vaatimuksista: Sähköautomuunnoksen viranomaisvaatimukset / Ajoneuvo-EMC-vaatimusten kehityskulku
EMC-vaatimukset ja standardien tekninen sisältö
EMC koostuu monista osa-alueista:
- Johtuva ja säteilevä RF-emissio
- Laite ei saa lähettää radioaaltoja johtoja pitkin "johtuvina" (josta ne edelleen pääsisivät ilmaankin etenemään) eikä "säteillen" ilmaan. Laite ei saa olla liian tehokas häiritsevä radiolähetin. Monet nykyaikaiset elektroniikkakytkennät toimivat korkeilla taajuuksilla ja ne ovat häiriölähettimiä ovat ilman erityistoimia (mm. kotelointeja ja suodatuksia).
- Radiotaajuudet pitkistä aalloista radiopuhelintaajuuksiin tutkitaan
- Tehokkaan sähkömoottorin hakkaava ohjaus tuottaa voimakkaita häiriöitä hakkaustaajuudella ja sen kerrannaistaajuuksilla
- Suojaus monenlaisilla radioteknisillä ratkaisuilla:
- koteloimalla
- suodattamalla
- valitsemalla vähemmän radiolähetteitä aiheuttavia ratkaisuja - moderni ohjaus- ja tehoelektroniikka on useinkin rajusti radiolähetteitä aiheuttavaa
- RF-immuniteetti (sieto) ja RF-suojaus
- Laitteet eivät saa häiriintyä vaimeista läheltäkään lähtevistä häiritsevistä radiolähetteistä (johtoja tai ilmaa pitkin tulevia).
- Suojaus monenlaisilla radioteknisillä ratkaisuilla:
- koteloimalla
- suodattamalla
- Pulssit ja transientit käyttöjännitteessä
- Ajoneuvon sähköjärjestelmässä on luonnostaan häiriöpulsseja kuormien ja releiden mennessä päälle ja pois. Laitteet eivät saa häiriintyä.
- Laitteet eivät myöskään saa tuottaa poikkeuksellisen voimakkaita häiriöpulsseja käyttöjännitteeseen.
- Ajoakun häiriöihin ei voi suoraan soveltaa 12V tai 24V ajoneuvoakkujärjestelmän vaatimuksia ja standardeja
- Suojaus yleensä erilaisin elektroniikan piirirakentein
- transienttisuojat
- suodatukset
- Load dump
- Tilanteet joissa akku tai suuret kuormat irtoavat eivät saisi rikkoa järjestelmää.
- Perinteisesti rajuin tilanne, kun ladattava tyhjä akku irtoaa ja laturin magnetointia ei saada hetkessä lopetettua käämiin varastoituneen magneettisen energian takia
- 12V järjestelmässä, mutta myös ajoakkujärjestelmässä.
- Sähköautossa ei ole perinteistä pahaa load-dumppia, joka tulee laturista
- Yleensä 12V load dumpissa voi olla joitakin kymmeniä millisekunteja noin 50V jännitettä, ajoakussa rajusti enemmän.
- Suojaus eri periaattein:
- käyttöjännitteen pompahtaminen voidaan sietää
- käyttäjännitteen pompahtaminen voidaan estää (syödään energia)
- ESD eli sähköstaattinen purkaus (kipinäpurkaus, Electrostatic discharge)
- sähköstaattiset purkaukset voivat sekoittaa elektronisten laitteiden toimintaa ja helposti esim. resetoida prosessorin
- sähköstaattiset purkaukset voivat myös rikkoa laitteita
- kipinäpurkauksen jännite voi olla useita kilovoltteja, piikkivirta kymmeniä ampeereita ja kipinä lyödä useita millimetrejä
- Suojaus erilaisilla tekniikoilla:
- eristämällä (materiaalin läpilyöntilujuus kilovoltteja)
- tekemällä ilmavälejä (millimetri tuottaa läpilyöntikestoa noin 2kV)
- maadoittamalla jäykästi osat joihin kipinä lyö
- suojaamalla signaalit (suojadiodit, transienttisuojat, RC-piirit)
- Käyttöjännitteen laatu
- 12V akku
- Ajoakun jännitteen vaihtelut
- Standardeja täytyy soveltaa erityisellä tavalla sähköautoihin, koska kuormitukset ovat eri laatuisia (ei esim. ole starttimoottoria)
Etenkin laturia koskee:
- Sähköverkkoon aiheutetut harmoniset yliaallot
- Sähköverkkoliityntään aiheutetut johtuvat RF-häiriöt
- Sähköverkkoliitynnän laitetta häiritsevät johtuvat RF-häiriöt
- Sähköverkkoliitynnän impulssien sieto
EMC käytännössä
Miksi EMC-hyväksyntä on tärkeää?
- Koska sitä vaaditaan. Voi jäädä muuten vaikka leima saamatta…
- Koska lainkuuliainen kansalainen tekee autonkin niin kuin käsketään.
- Hyvillä EMC-periaatteilla tehty laite toimii kunnolla ja turvallisesti. Auto ei tee "satunnaisia ihmetemppuja", kun sähköissä tapahtuu jotakin mystistä…
- Emme halua sähköautoille kummallisesti sekoilevan värkin mainetta.
Mitä vaaroja milläkin vaatimuksella ja testillä torjutaan?
- RF
- Heikosti tehty järjestelmä voi sekoittaa itsensä - esim. moottorinohjain saa joissakin tilanteissa eECU:n tekemään satunnaisia temppuja.
- Pulssit
- Toinen osa järjestelmä voi sekoittaa herkän modulin toiminnan. Jokin muu toiminta saa aikaan vaikkapa rajun yllättävän kiihdytyksen tai jarrutuksen.
- ESD
- Etenkin pakkasella tulee kipinäpurkauksia kuljettajan näpeistä. Elektroniikka voi mennä sekaisin tai jopa rikkoutua paukusta.
- Käyttöjännitteen laatu
- Esim. vajaalla vanhalla akulla alkaa tapahtua "kummia", kun akkua vähän kuormitetaan
- Sähköverkkoon liittyvän laturin erityiset vaatimukset
- Laturi ei esimerkiksi sekoa ja tärvää kallista akustoa. (Sulakesuojaukset suojaavat suoranaiselta palovaaralta.)
Taulukko EMC:n osa-alueista sekä näihin liittyvistä määräyksistä ja standardeista
| Häiriö | Direktiivit | Standardit | Vaatimukset | Kommentti |
|---|---|---|---|---|
| AUTON ELEKTRONIIKKA | 2004/104/EC | |||
| Johtuva RF-emissio | ||||
| - transientit | 2004/104/EC | ISO 7637-2 | +75V, -100V | |
| - RF-jännitemittaus | - | CISPR 25 | Valmistajat voivat vaatia. | |
| Säteilevä RF-emissio | 2004/104/EC, 95/54/EY ja 72/245/ETY+89/491/ETY | CISPR 25 | 30-1000MHz | |
| RF-immuniteetti, ajoneuvo | 2004/104/EC ja 95/54/EY | ISO 11451 | 20–2 000 MHz | Valmistajat voivat vaatia alhaisilta taajuuksilta lähtien. |
| RF-immuniteetti, komponentti | 2004/104/EC ja 95/54/EY | ISO 11452 | 20-2000MHz, 30V/m | Valmistajat voivat vaatia alhaisilta taajuuksilta lähtien. Direktiivi: "Häiriönsietoon liittyvät toiminnot" |
| Eri transientit (maa ja +) | 2004/104/EC | ISO 7637-2 | ||
| - pulssi 1 | -100V, 10Ω, 1μs/2ms pulssi, 0,5s välein | |||
| - pulssi 2a | 12V+50V, 2Ω, 1μs/50μs pulssi, 0,2s välein | |||
| - pulssi 2b | 10V, 0Ω, 1ms päästä, 1ms/2s pulssi | Jännitteen katkeamisen jälkeen | ||
| - pulssi 3a | 12V-150V, 50Ω, 5ns/0,1μs pulssi, 100μs välein, purske 10ms/90ms | |||
| - pulssi 3b | 12V-100V, 50Ω, 5ns/0,1μs pulssi, 100μs välein, purske 10ms/90ms | |||
| - pulssi 4 | 5V 40ms ajan, 6V 20s ajan | Alijännite startissa. SELVITETTÄVÄ: miten määritellään, kun startti puuttuu! | ||
| Transientit muissa signaalilinjoissa | - | ISO 7637-3 | Fast transien a) Vs = -60 V, Imax = 1.2 A; Test time = 10 minutes, Ri = 50 Ω, tr = 5 ns, td_10% = 100 ns, t1 = 100 μs, t2 = 10 ms, t3 = 90 ms | Ei maa ja +, kapas. kytk. |
| - | ISO 7637-3 | Fast transient b) Vs = +40 V, Imax = 0.8 A; Test time = 10 minutes, Ri = 50 Ω, tr = 5 ns, td_10% = 100 ns, t1 = 100 μs, t2 = 10 ms, t3 = 90 ms | ||
| - | ISO 7637-3 | Slow transient a) | Ei maa ja +. Lähes ISO 7637-2 pulssi 2a, mutta kapas. kytk. | |
| - | ISO 7637-3 | Slow transient b) | ||
| Load dump | - | ISO 7637-2, pulssit 5a ja 5b | SELVITETTÄVÄ: miten määritellään, kun laturi puuttuu! | |
| ESD | - | ISO 10605 | ||
| - käytön aikainen | - | |||
| - asennusaikainen | - | Jotta laitteet eivät rikkoutuisi kovin helposti myynnin, asennuksen ja huollon aikana | ||
| Käyttöjännitteen laatu | - | ISO 16750-1 ja -2 | 12V akkujännitteen häiriöiden vaikutukset (erityistilanteet) | |
| SÄHKÖVERKKOLIITYNNÄT | 2004/108/EY | SFS-EN 61000-6-1 ja -3/A11 | Laturi. Direktiivi vaatii yhdenmukaistetun standardin noudattamista, mikä vaatii seuraavien standardien mukaan testaamista. | |
| Johtuva RF-emissio | 2004/108/EY | |||
| Säteilevä RF-emissio | 2004/108/EY | CISPR 11? | ||
| Johtuva RF-immuniteetti | 2004/108/EY | IEC 61000-4-6 | ||
| Säteilevä RF-immuniteetti | 2004/108/EY | IEC 61000-4-3 | ||
| Transientit / immuniteetti | 2004/108/EY | IEC 61000-4-4 | ||
| Surge / immuniteetti | 2004/108/EY | IEC 61000-4-5 | Suurienergiset verkon transientit (esim. ukkonen), vaikuttaa myös sähköturvaan | |
| ESD / immuniteetti | ||||
| - käytön aikainen | 2004/108/EY | IEC 61000-4-2 | ||
| - asennusaikainen | - | Jotta laitteet eivät rikkoutuisi kovin helposti myynnin, asennuksen ja huollon aikana | ||
| Harmoniset virran yliaallot | 2004/108/EY | EN 61000-3-2 | (Viittaus standardiin EU tiedotteen 2009/C 126/01 välityksellä) | |
| Verkon jännitevaihtelu ja välkyntä | 2004/108/EY | EN 61000-3-3 | (Viittaus standardiin EU tiedotteen 2009/C 126/01 välityksellä) |
- Erityisesti laturilla muita vaatimuksia, koska liitetään sähköverkkoon: Yleinen EMC-direktiivi 2004/108/EY
- esimerkki autovalmistajan EMC-vaatimuksista: Valmistajan EMC-standardi, hae 515-0003 HUOM! Valmistajan vaatimukset ovat kovempia ja laajempia kuin direktiivin asettama minimi.
EMC-määräysten vaikutus eri moduleihin
Tärkeimmät EMC-asiat eri modulien kohdalla ja käytännön vaaroja
| JÄRJESTELMÄN OSA | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| HÄIRIÖ | eECU järjestelmänohjaus | e(G)UI käyttöliittymä | BMS akunvalvonta | Moottorinohjain | DC/DC-muunnin | Laturi | Muut elektronisen ohjauslaitteet |
| Yleistä | Yllättävä vasten kuljettajan tahtoa tapahtuva kiihdytys tai jarrutus on vaarallista. Pahimmillaan auto voi lähteä liikkeelle "itsestään". | Tämäkin voi sotkea CAN-väylän ja toimintoja sitä kautta. | Kuten eECU | Ajoakusta 12V jännitteen tuottaminen (12V järjestelmälle ilman akkua tai sen kanssa) | (esim. lämmitys) | ||
| Johtuva RF-emissio | Hakkurit ja prosessorit, CAN-väylä | Hakkurit ja prosessorit, CAN-väylä | BMS:ssä usein häiriöitä tuottavia hakkureita. Virtalähdehakkurit ja prosessorit, CAN-väylä. | Hakkaava isotehoinen ohjain tuottaa hakkaustaajuudella ja sen kerrannaisilla rajusti häiriöitä. Hakkurit ja prosessorit, CAN-väylä. | Virtalähde tuottaa häiriöitä hakkaustaajuudella ja sen kerrannaisilla. Mahdollisesti prosessori. | Hakkaava isotehoinen laturi tuottaa hakkaustaajuudella ja sen kerrannaisilla rajusti häiriöitä. Hakkurit ja prosessorit, CAN-väylä. | Hakkurit ja prosessorit, CAN-väylä |
| Säteilevä RF-emissio | Hakkurit ja prosessorit, CAN-väylä | Hakkurit ja prosessorit, CAN-väylä | Hakkurit ja prosessorit, CAN-väylä | Hakkurit ja prosessorit, CAN-väylä | Hakkurit ja prosessorit | Hakkurit ja prosessorit, CAN-väylä | Hakkurit ja prosessorit, CAN-väylä |
| RF-immuniteetti | RF-kenttä voi sotkea ohjauksen | RF-kenttä voi sotkea akkujen mittaukset ja aiheuttaa siten jonkin kennon tärvääntymisen | RF-kenttä voi sotkea ohjauksen | ||||
| Eri transientit | Pulssit ympäristössä voivat sotkea ohjauksen | Pulssit ympäristössä voivat sotkea ohjauksen | |||||
| Surge (suurienerginen transientti) | Sähköverkosta voi tulla auton sähköjärjestestelmän rikkova piikki esim. ukkosella | ||||||
| Load dump / 12V | X | X | X | X | X | X | X |
| Load dump / ajoakku | - | - | X | X | X | X | - |
| ESD / käyttöaikainen | X | X | X jos käyttäjän ulottuvilla | ||||
| ESD / asennusaikainen | X | X | X | X | X | X | X |
| Käyttöjännitteen laatu / 12V | X | X | X | X | X | X | X |
| Käyttöjännitteen laatu / ajoakku | - | - | X | X | X | X | - |
| Sähköverkkoliityntä, vaatimukset poiketen muista | - | - | - | - | - | X | (vain jos kytkettävissä joskus sähköverkkoon) |
| Harmoniset yliaallot sähköverkkoon | - | - | - | - | - | X | |
Käytännön mittaustapoja
Suomessa laitteet hyväksyy Ajoneuvohallintokeskus AKE hyväksyttyjen mittausten perusteella - nykyään virasto on Liikenteen turvallisuusvirasto Trafi. Hyväksyttyjä mittauspaikkoja ovat Nemko ja Intertek ETL Semko.
Hyväksyntämittaukset
- Osa pakko tehdä hyväksytyissä (akkreditoiduissa) laboratorioissa, "valmistajan vakuutus" ei riitä kuten CE-hyväksynnässä
- Kustannukset luokkaa 5000€ / komponentti
- Ajoneuvo-RF-mittaukset ovat ongelmallisia ja kalliita auton koon takia - autoa on myös pystyttävä ajamaan rullilla. Usein päästään muunnoksissa kuitenkin komponenttimittauksilla, mutta esim. moottoriohjainta on kuormitettava.
Tuotekehitysaikaiset mittaukset
- Oikeat testilaitteet maksavat tuhansia ja jopa kymmeniä tuhansia
- Radiosuojatut mittahuoneet ovat harvinaisia ja kalliita (kymmeniä tuhansia)
- Oppilaitoksilla on halvempia mittauspaikkoja
Johtuva RF-emissio
- Isossa suojatussa RF-mittahallissa testipenkissä (moottorin kuormitus)
- Virran ja jännitteen spektrianalyysi, hetkellinen muutaman sekunnin kuormitus moottorille
Säteilevä RF-emissio
- Isossa suojatussa RF-mittahallissa
- Avoimessa tilassa spektrianalysaattorilla ja erilaisilla antenneilla ilman moottorin kuormitusta
Testihintoja
Testihinnat aggreditoudussa EMC-laboratorissa
| Kohde | Hinta alv 0 | Kommentti |
|---|---|---|
| Komponenttihyväksyntä, uusin ajoneuvo-EMC-direktiivi 2004/104/EY | ||
| Vain 12V. Hallintaan liittyvä, kentän sieto, vilkut, matkamittari,… | 2 700 € | |
| 12V ja 24V | 4 000 € | ~1,5x yhden jännitteen testihinta |
| Vain 12V, Muu | 2 000 € | Ei immuniteetti pakollinen |
| 12V ja 24V , Muu | 3 300 € | |
| Henkilöautohyväksyntä | ||
| Ajoneuvo-EMC-direktiivi 72/245/ETY: 01.01.1996 (tai sen jälkeen) tyyppikatsastettu tai uudelle tyypille tyyppihyväksytty, 01.01.1998 käyttöön otettu (Katsastajan käsikirja) | ~2 000€ | |
| Ajoneuvo-EMC-direktiivi 95/54/EY: 01.01.1998 EY- tyyppihyväksytty ja 1.1.1996 tyyppikatsastettu UUSI TYYPPI, 01.10.2002 käyttöönotettu | 3 000 € | |
| Ajoneuvo-EMC-direktiivi 2004/104/EY: 01.07.2006 tyyppihyväksytty, 01.01.2009 käyttöönotettu | 4 200 € |
Suomessa on mahdollisuus:
- rakentaa muunnosajoneuvo EMC-hyväksytyistä osista
- testata ja hyväksyttää EU:ssa valmistettuja osia komponenttityyppeinä, kun tuotannonvalvonta on kunnossa
- testata ja hyväksyttää valmiita autoyksilöitä, kun autossa on EU:n ulkopuolisia hyväksymättömiä komponentteja
- testata ja tyyppihyväksyttää ajoneuvotyyppejä, kun sarjatuotanto tehdään EU:ssa ja tuotannonvalvonta on kunnossa
Trafin kautta hyväksyntöjä hoitavia mittauslaitoksia ovat:
- Nemko
- Intertek Semko
- SGS Fimko
Ehdotuksia muunnostoiminnan EMC-määräystenmukaisuuden hoitamiseksi…
Tuotekehitysaikaiset mittaukset ja hyväksynnät
Maahantuotujen ja valmistettujen komponenttien mittaus
Joidenkin hyvin vakioitujen muunnosten mittaus kerran kokonaisuutena ja valmistus samanlaisina
Katso myös: Sähköautojen standardointi
sivun revisio: 82, viimeksi muokattu: 03 Nov 2014 19:48